轉向架側梁焊接殘余應力的研究

岳子波

摘 要：焊接是轉向架側梁材料的主要連接方法，其具有操作簡單、連接快速以及節(jié)約鋼材等優(yōu)點，被廣泛地應用于轉向架側梁的連接過程中。但是在實際的焊接過程中，轉向架側梁的焊接質量會受到多種因素的影響，當沒有將這些不利因素控制在合理范圍內，就會導致轉向架側梁的焊接質量發(fā)生不同程度的降低，甚至導致其焊接質量不合格，無法滿足安全生產的要求。文本針對轉向架側梁焊接殘余應力及焊接變形控制技術進行分析。

關鍵詞：轉向架側梁;焊接殘余應力;焊接變形

焊接是轉向架側梁行業(yè)中常用的連接技術，由于其具有非常優(yōu)良的性能，在轉向架側梁的連接中得到了非常廣泛的應用。但是在轉向架側梁實際的焊接過程中，會受到多種因素的不利影響，如果沒有對其采取有效的控制措施，就可能導致焊接完成后的轉向架側梁中存在一定的殘余應力，甚至可能導致焊接變形的發(fā)生，進而影響轉向架側梁的焊接質量。

1 殘余應力分類及產生原因

焊接殘余應力是指工件中存在的內部應力，焊接后在沒有外力的情況下實現(xiàn)相互平衡。機械加工和強化過程都會產生殘余應力，例如焊接、冷拉、彎曲、切割、軋制、噴丸、鑄造、鍛造和金屬熱處理。殘余應力通常是有害的，例如，由于熱處理、焊接或切割不當后的殘余應力，零件會翹曲或扭曲，甚至開裂。在工程機械中，有許多焊接結構部件。在焊接過程中，焊縫處的金屬被迅速加熱和冷卻。遠離焊縫的溫度變化小，溫度梯度大，導致塑性變形不均勻，產生熱應力。同時，焊縫區(qū)金屬結構的轉變會導致相變應力，使焊縫區(qū)承受殘余拉應力，焊縫區(qū)承受遠離焊縫區(qū)的殘余壓應力。由于每個零件的溫度不同，焊接件平行于焊接軸線的橫截面中的應力稱為縱向殘余應力，垂直于焊接軸線的應力稱為橫向殘余應力。

2 殘余應力的影響

殘余應力通常是有害的。殘余應力和工作應力疊加加固后，會影響結構構件的疲勞強度和使用壽命。隨著應力的逐漸釋放，結構構件將緩慢變形，影響結構構件的尺寸穩(wěn)定性。同時，殘余應力也會加劇結構構件的應力腐蝕速度。當殘余應力方向與工作應力方向相反時，殘余應力將增強結構構件的疲勞強度和使用壽命，并起到應力強化的作用。

3 轉向架側梁焊接殘余應力的控制方法

3.1 熱處理消除法

熱處理是一種非常常用的殘余應力控制方法，通過對轉向架側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間也越長。在熱處理的過程中，要對其加熱溫度進行科學合理的有效控制，避免加熱溫度過高，導致轉向架側梁焊接表面發(fā)生過度的氧化現(xiàn)象，進而造成轉向架側梁的內部組織結構發(fā)生變化，導致其整體性能發(fā)生不同程度的降低。通過采取有效的退火處理措施，轉向架側梁內部的殘余應力會因為焊接殘余應力松弛而釋放出去，進而有效消除轉向架側梁內的殘余應力。

3.2 錘擊消除法

錘擊消除法是指通過對轉向架側梁的焊接部位進行錘擊處理，進而在錘擊的外力作用下延展轉向架側梁的焊接部位，這就能夠在一定的程度上抵消焊接后所產生的熱脹冷縮殘余應力，進而有效改善轉向架側梁內部的殘余應力狀況，提高轉向架側梁的整體性能。在對轉向架側梁進行錘擊時，要確保轉向架側梁的焊接位置處受力均勻，避免對同一焊接位置處進行過度的錘擊，進而影響錘擊效果。此外，嚴禁對轉向架側梁的焊接根部、蓋面焊縫以及焊縫的坡口邊緣進行錘擊處理，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力控制方法

通過建立V型坡口厚板多道焊的熱-冶金-力學三維耦合計算模型，運用焊接專業(yè)有限元軟件SYSWELD計算并分析了其焊接溫度場和焊后殘余應力與變形;同時，采用熱力學模型研究了相變對焊接變形的影響。基于固態(tài)相變理論的焊接殘余應力控制方法能夠將焊接殘余應力的產生原因由多元化轉化為一元化，方便了對焊接殘余應力的預測及控制。通過測出的焊接應力與該試樣的金相組織進行對比，預測出焊接組織固態(tài)相變與應力分布及大小的關系，在此基礎上，采取相變的方法對焊接殘余應力進行科學合理的調節(jié)，進而能夠有效降低殘余拉伸應力，甚至可以產生殘余壓縮應力，從而避免殘余應力的形成。

4 轉向架側梁焊接變形的控制措施

4.1 合理選擇焊縫位置

第一，該轉向架側梁焊接過程中，焊縫位置要與轉向架側梁截面呈對稱狀態(tài)，也可使其靠近轉向架側梁截面的中性軸，以有效降低轉向架側梁焊接變形程度。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向架側梁焊接變形程度。第三，還可采用小剛性節(jié)點形式，避免焊縫太過集中而出現(xiàn)雙向與三向相交現(xiàn)象，以減小焊縫應力，防止焊縫交叉情況的出現(xiàn)。第四，設計人員不要將焊縫位置選擇在高應力區(qū)域，以免由于應力過大而出現(xiàn)焊接變形。第五，施工人員應盡可能不采取仰焊操作方式，以免加大轉向架側梁焊接難度從而確保轉向架側梁焊接質量。

4.2 施工環(huán)節(jié)的焊接變形控制

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

5 結束語

在轉向架側梁焊接時，若轉向架側梁中出現(xiàn)溫度分布不均狀況，就很容易產生較多的焊接殘余應力，從而導致轉向架側梁焊接部位出現(xiàn)變形問題，并最終對轉向架側梁的實際性能造成不良影響。因此，轉向架側梁焊接人員應采取合理策略，以有效降低轉向架側梁焊接殘余應力，全面控制焊接變形問題。

參考文獻

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