鐵路貨車構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架典型接頭焊接殘余應(yīng)力消除方法

馬清波，黃顯峰，黃君輝，王 赫

（1.中車齊齊哈爾車輛有限公司工藝技術(shù)部，黑龍江齊齊哈爾161002；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

0 前言

焊接變形和應(yīng)力控制是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造的重要課題，是影響焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素，這對于承受較大靜、動負(fù)荷的鐵道車輛構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架尤為重要。構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架作為鐵道車輛的主要承載構(gòu)件，在車輛運(yùn)行過程中承受著各安裝部件的工作載荷以及牽引、制動和慣性力。因此，在制造中除了要確保焊接質(zhì)量外，還必須有效控制焊接變形和應(yīng)力[1-3]。

本研究擬采用X射線法針對自由狀態(tài)和壓緊狀態(tài)下焊接的焊態(tài)和經(jīng)消除應(yīng)力處理的Q345E低合金鋼對接試板、T型角接試板的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測研究，從而獲得典型結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的分布及消除應(yīng)力處理的實(shí)際效果，為快捷鐵路貨車轉(zhuǎn)向架制造提供技術(shù)理論依據(jù)和實(shí)踐技術(shù)支持[4-6]。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑榍?qiáng)度為345 MPa的Q345E低合金結(jié)構(gòu)鋼，熱軋狀態(tài)供貨。采用熔化極混合氣體保護(hù)焊（GMAW），選用直徑為φ1.2 mm的SM-70（GB/T8110 ER50-6）實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the experimental materials %

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the experimental materials

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件準(zhǔn)備及焊接

按既有工藝分別完成V型坡口平板對接和K型坡口T型角接試件的焊接，其中對接試件分別在自由狀態(tài)和壓緊狀態(tài)下進(jìn)行焊接。

1.2.2 焊后消應(yīng)力處理

為了確定焊后消應(yīng)力熱處理、超聲波沖擊處理以及振動時(shí)效處理對焊接殘余應(yīng)力的影響，分別對部分對接試件和角接試件焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理（消應(yīng)力熱處理工藝曲線見圖1）和超聲波沖擊處理（超聲波沖擊工藝參數(shù)見表3）。

圖1 消應(yīng)力熱處理工藝曲線Fig.1 Process curve of stress elimination heat treatment

1.2.3 殘余應(yīng)力測試

采用X射線衍射測量焊接試板的殘余應(yīng)力，測試儀器為加拿大PROTO的iXRD的X射線衍射應(yīng)力儀。

表3 超聲波沖擊工藝參數(shù)Table 3 Ultrasonic impact process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 自由狀態(tài)對接試板殘余應(yīng)力測試

自由狀態(tài)對接試板（試板號Xae——焊態(tài)；試板號Xbe——消應(yīng)力熱處理；試板號Xce——超聲沖擊處理）采用不同的消應(yīng)力處理工藝，平行和垂直焊縫方向上焊接殘余應(yīng)力的測試結(jié)果如表4和表5所示，整理后如圖2和圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：消應(yīng)力處理后的接頭，無論是平行焊縫方向上還是垂直焊縫方向上，其縱向殘余應(yīng)力均顯著降低，而橫向殘余應(yīng)力因消應(yīng)力處理方法的不同而不同。消應(yīng)力熱處理和超聲波沖擊處理均可顯著降低接頭的焊接殘余應(yīng)力，二者相比，超聲波振動處理效果更為明顯。

2.2 壓緊狀態(tài)對接試板殘余應(yīng)力測試

圖2 自由狀態(tài)焊接時(shí)不同消應(yīng)力處理工藝對平行焊縫方向上焊接殘余應(yīng)力的影響Fig.2 Influence of different stress elimination techniques on the welding residual stress in the direction of parallel welding in free state welding

圖3 自由狀態(tài)對接試板不同消應(yīng)力處理工藝對垂直焊縫方向上焊接殘余應(yīng)力的影響Fig.3 Effect of different stress elimination techniques on the welding residual stress in the vertical welding seam

表4 自由狀態(tài)焊接對接試板平行焊縫方向X射線焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果Table 4 Test results of X-ray welding residual stress of parallel weld of butt test plate in free state

壓緊狀態(tài)對接試板（試板號Xad——焊態(tài)；試板號Xbd——消應(yīng)力熱處理；試板號Xcd——超聲沖擊處理）采用不同的消應(yīng)力處理工藝，平行和垂直焊縫方向上焊接殘余應(yīng)力的測試結(jié)果分別如表6、表7所示，整理后如圖4、圖5所示。壓緊狀態(tài)對接試板殘余應(yīng)力的測試結(jié)果與自由狀態(tài)對接試板的相同。

2.3 自由狀態(tài)T型角接試板殘余應(yīng)力測試結(jié)果及分析

自由狀態(tài)T型角接試板（試件號Jae——焊態(tài)；試件號Jbe——消應(yīng)力熱處理；試件號Jce——超聲沖擊處理）采用不同的消應(yīng)力處理工藝，平行和垂直焊縫方向上縱向焊接殘余應(yīng)力的測試結(jié)果如表8、表9所示，整理后如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在平行焊縫方向上，焊態(tài)試板的縱向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其分布規(guī)律為兩端較大、中間較??；消應(yīng)力處理后縱向殘余應(yīng)力的變化因消應(yīng)力處理方法的不同而不同。在垂直焊縫方向上，焊態(tài)試板的縱向殘余應(yīng)力隨著距熔合線距離的增加而逐漸降低，最大應(yīng)力出現(xiàn)在距熔合線2 mm處的焊接熱影響區(qū)；消應(yīng)力處理后縱向殘余應(yīng)力的變化因消應(yīng)力處理方法的不同而不同。

表5 自由狀態(tài)焊接對接試板垂直焊縫方向X射線焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果Table 5 Test results of X-ray welding residual stress of vertical weld of butt test plate in free state

圖4 壓緊狀態(tài)焊接時(shí)不同消應(yīng)力處理工藝對平行焊縫方向上焊接殘余應(yīng)力的影響Fig.4 Effect of different stress elimination techniques on the welding residual stress in the direction of the parallel weld

圖5 壓緊狀態(tài)對接試板不同消應(yīng)力處理工藝對垂直焊縫方向上焊接殘余應(yīng)力的影響Fig.5 Effect of different stress elimination techniques on the welding residual stress in the vertical welding seam

表6 壓緊狀態(tài)焊接對接試板平行焊縫方向X射線焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果Table 6 Test results of X-ray welding residual stress of parallel weld of butt test plate in compaction state

3 結(jié)論

（1）不同拘束條件下焊態(tài)試板測試結(jié)果表明：壓緊狀態(tài)下焊接時(shí)，平行焊縫方向上焊縫的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力均有一定增加，橫向殘余應(yīng)力增加更加明顯；垂直焊縫方向上焊縫的縱向殘余應(yīng)力變化不大，橫向殘余應(yīng)力有一定增加。

表7 壓緊狀態(tài)焊接對接試板垂直焊縫方向X射線焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果Table 7 Test results of X-ray welding residual stress of vertical weld of butt test plate in compaction state

（2）無論是自由狀態(tài)下的試板，還是拘束狀態(tài)下的試板，消應(yīng)力熱處理后，平行和垂直焊縫方向上的焊接殘余應(yīng)力均有變化，其縱向殘余應(yīng)力均有所下降，橫向殘余應(yīng)力降低不明顯，但分布趨向均勻化。在總體規(guī)律上，壓緊狀態(tài)下焊縫方向上的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力降低更加明顯。

表8 自由狀態(tài)焊接T型角接試板平行焊縫方向X射線焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果Table 8 Test results of X-ray welding residual stress of parallel weld of T angle joint plate in free state

表9 自由狀態(tài)焊接T型角接試板垂直焊縫方向X射線焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果Table 9 Test results of X-ray welding residual stress of vertical weld of T angle joint plate in free state

圖6 自由狀態(tài)T型角接試板不同消應(yīng)力處理工藝對殘余應(yīng)力的影響Fig.6 Effect of different stress elimination techniques on the residual stress of free t-shaped corner joint plates

（3）超聲沖擊處理可顯著降低所有焊縫的殘余應(yīng)力，具有良好的去應(yīng)力效果。