轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接殘余應(yīng)力的研究

岳子波

摘 要：焊接是轉(zhuǎn)向架側(cè)梁材料的主要連接方法，其具有操作簡(jiǎn)單、連接快速以及節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的連接過(guò)程中。但是在實(shí)際的焊接過(guò)程中，轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接質(zhì)量會(huì)受到多種因素的影響，當(dāng)沒(méi)有將這些不利因素控制在合理范圍內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接質(zhì)量發(fā)生不同程度的降低，甚至導(dǎo)致其焊接質(zhì)量不合格，無(wú)法滿足安全生產(chǎn)的要求。文本針對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接殘余應(yīng)力及焊接變形控制技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架側(cè)梁;焊接殘余應(yīng)力;焊接變形

焊接是轉(zhuǎn)向架側(cè)梁行業(yè)中常用的連接技術(shù)，由于其具有非常優(yōu)良的性能，在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的連接中得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁實(shí)際的焊接過(guò)程中，會(huì)受到多種因素的不利影響，如果沒(méi)有對(duì)其采取有效的控制措施，就可能導(dǎo)致焊接完成后的轉(zhuǎn)向架側(cè)梁中存在一定的殘余應(yīng)力，甚至可能導(dǎo)致焊接變形的發(fā)生，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接質(zhì)量。

1 殘余應(yīng)力分類及產(chǎn)生原因

焊接殘余應(yīng)力是指工件中存在的內(nèi)部應(yīng)力，焊接后在沒(méi)有外力的情況下實(shí)現(xiàn)相互平衡。機(jī)械加工和強(qiáng)化過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，例如焊接、冷拉、彎曲、切割、軋制、噴丸、鑄造、鍛造和金屬熱處理。殘余應(yīng)力通常是有害的，例如，由于熱處理、焊接或切割不當(dāng)后的殘余應(yīng)力，零件會(huì)翹曲或扭曲，甚至開(kāi)裂。在工程機(jī)械中，有許多焊接結(jié)構(gòu)部件。在焊接過(guò)程中，焊縫處的金屬被迅速加熱和冷卻。遠(yuǎn)離焊縫的溫度變化小，溫度梯度大，導(dǎo)致塑性變形不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力。同時(shí)，焊縫區(qū)金屬結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致相變應(yīng)力，使焊縫區(qū)承受殘余拉應(yīng)力，焊縫區(qū)承受遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的殘余壓應(yīng)力。由于每個(gè)零件的溫度不同，焊接件平行于焊接軸線的橫截面中的應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力，垂直于焊接軸線的應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力的影響

殘余應(yīng)力通常是有害的。殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加加固后，會(huì)影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。隨著應(yīng)力的逐漸釋放，結(jié)構(gòu)構(gòu)件將緩慢變形，影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，殘余應(yīng)力也會(huì)加劇結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕速度。當(dāng)殘余應(yīng)力方向與工作應(yīng)力方向相反時(shí)，殘余應(yīng)力將增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，并起到應(yīng)力強(qiáng)化的作用。

3 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接殘余應(yīng)力的控制方法

3.1 熱處理消除法

熱處理是一種非常常用的殘余應(yīng)力控制方法，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接處采取退火處理措施，提高焊接處的受熱溫度，其加熱溫度越高所需要的保溫時(shí)間也越長(zhǎng)。在熱處理的過(guò)程中，要對(duì)其加熱溫度進(jìn)行科學(xué)合理的有效控制，避免加熱溫度過(guò)高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接表面發(fā)生過(guò)度的氧化現(xiàn)象，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其整體性能發(fā)生不同程度的降低。通過(guò)采取有效的退火處理措施，轉(zhuǎn)向架側(cè)梁內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力松弛而釋放出去，進(jìn)而有效消除轉(zhuǎn)向架側(cè)梁內(nèi)的殘余應(yīng)力。

3.2 錘擊消除法

錘擊消除法是指通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接部位進(jìn)行錘擊處理，進(jìn)而在錘擊的外力作用下延展轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接部位，這就能夠在一定的程度上抵消焊接后所產(chǎn)生的熱脹冷縮殘余應(yīng)力，進(jìn)而有效改善轉(zhuǎn)向架側(cè)梁內(nèi)部的殘余應(yīng)力狀況，提高轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的整體性能。在對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁進(jìn)行錘擊時(shí)，要確保轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接位置處受力均勻，避免對(duì)同一焊接位置處進(jìn)行過(guò)度的錘擊，進(jìn)而影響錘擊效果。此外，嚴(yán)禁對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接根部、蓋面焊縫以及焊縫的坡口邊緣進(jìn)行錘擊處理，避免造成不良后果。

3.3 基于固態(tài)相變理論的焊接殘余應(yīng)力控制方法

通過(guò)建立V型坡口厚板多道焊的熱-冶金-力學(xué)三維耦合計(jì)算模型，運(yùn)用焊接專業(yè)有限元軟件SYSWELD計(jì)算并分析了其焊接溫度場(chǎng)和焊后殘余應(yīng)力與變形;同時(shí)，采用熱力學(xué)模型研究了相變對(duì)焊接變形的影響。基于固態(tài)相變理論的焊接殘余應(yīng)力控制方法能夠?qū)⒑附託堄鄳?yīng)力的產(chǎn)生原因由多元化轉(zhuǎn)化為一元化，方便了對(duì)焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)及控制。通過(guò)測(cè)出的焊接應(yīng)力與該試樣的金相組織進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)出焊接組織固態(tài)相變與應(yīng)力分布及大小的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，采取相變的方法對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)，進(jìn)而能夠有效降低殘余拉伸應(yīng)力，甚至可以產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，從而避免殘余應(yīng)力的形成。

4 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接變形的控制措施

4.1 合理選擇焊縫位置

第一，該轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接過(guò)程中，焊縫位置要與轉(zhuǎn)向架側(cè)梁截面呈對(duì)稱狀態(tài)，也可使其靠近轉(zhuǎn)向架側(cè)梁截面的中性軸，以有效降低轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接變形程度。第二，施工人員要合理選擇焊縫坡口形狀及其尺寸，避免不必要的焊縫，以促使焊縫面積有效減少，從最大程度地降低轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接變形程度。第三，還可采用小剛性節(jié)點(diǎn)形式，避免焊縫太過(guò)集中而出現(xiàn)雙向與三向相交現(xiàn)象，以減小焊縫應(yīng)力，防止焊縫交叉情況的出現(xiàn)。第四，設(shè)計(jì)人員不要將焊縫位置選擇在高應(yīng)力區(qū)域，以免由于應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)焊接變形。第五，施工人員應(yīng)盡可能不采取仰焊操作方式，以免加大轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接難度從而確保轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接質(zhì)量。

4.2 施工環(huán)節(jié)的焊接變形控制

首先在進(jìn)行轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接之前，施工人員要綜合分析各節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、焊縫種類等方面，同時(shí)合理選用剛性固定法、反變形法等焊接方法，并有效設(shè)定焊接順序。其次在具體焊接施工過(guò)程中，施工人員可采用對(duì)稱焊接的方式來(lái)焊接焊縫。在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁剛度較小的情況下，先焊的焊縫很容易發(fā)生焊接變形，因此應(yīng)均勻布設(shè)焊縫位置。在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁截面形狀較為對(duì)稱的情況下，通過(guò)對(duì)稱焊接有效防止焊接變形現(xiàn)象的出現(xiàn)。如果焊縫不對(duì)稱，就對(duì)焊縫相對(duì)較少的一側(cè)進(jìn)行焊接，之后再焊接另一側(cè)。另外施工人員可采用發(fā)變形法，來(lái)處理焊接后出現(xiàn)的角變形。該方法是在實(shí)際焊接前，先將構(gòu)件可能出現(xiàn)的焊接變形方向與大小確定下來(lái)，并盡可能使焊接操作滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接時(shí)，若轉(zhuǎn)向架側(cè)梁中出現(xiàn)溫度分布不均狀況，就很容易產(chǎn)生較多的焊接殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接部位出現(xiàn)變形問(wèn)題，并最終對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的實(shí)際性能造成不良影響。因此，轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接人員應(yīng)采取合理策略，以有效降低轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接殘余應(yīng)力，全面控制焊接變形問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]趙劍，卞冰.淺析焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及影響[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（6）：9-9.

[2]王彤.轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接殘余應(yīng)力及變形控制分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（3）：117-118.

[3]張景麗，吳翠蓮.轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接殘余應(yīng)力及焊接變形控制技術(shù)[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，41（01）：116-120.