轉(zhuǎn)向架焊接部件預(yù)熱溫度的確定方法

（長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

0 前言

轉(zhuǎn)向架是列車(chē)最關(guān)鍵的部件之一，它承擔(dān)著列車(chē)的全部載荷。轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的焊接質(zhì)量要求較高，絕對(duì)不允許有超標(biāo)的焊接缺陷，尤其是裂紋。冷裂紋大致可分為淬硬性裂紋、低塑性脆化裂紋和延遲裂紋三種。前兩種裂紋一般發(fā)生在淬硬性較大和低溫時(shí)塑性較低的材質(zhì)上。而轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品母材塑性較好，一般是延遲裂紋，這種裂紋可能在幾小時(shí)、幾天、甚至更長(zhǎng)時(shí)間后才會(huì)出現(xiàn)。鋼材的淬硬傾向、焊接接頭中的氫含量及其分布、焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)是形成延遲裂紋的三大要素。它們共同作用達(dá)到一定程度時(shí)，在焊接接頭上就形成冷裂紋。本文選取轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的典型焊接接頭為例，介紹了如何確定轉(zhuǎn)向架部件的預(yù)熱溫度。

1 預(yù)熱防止冷裂紋的原理

預(yù)熱是防止冷裂紋的有效措施。預(yù)熱時(shí)，由于在冷裂紋敏感溫度區(qū)間停留時(shí)間較長(zhǎng)，大部分氫已在高溫下從焊接區(qū)逸出，降至較低溫度時(shí)，殘留的擴(kuò)散氫不足以引起冷裂紋[1]。

2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接頭型式介紹

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架都是H型焊接結(jié)構(gòu)，由橫梁、側(cè)梁組成，如圖1所示。構(gòu)架的各部件由3～70 mm厚的鋼板、鍛件及極少不銹鋼座組焊而成，接頭形式有角焊縫、全熔透對(duì)接焊縫、不全熔透對(duì)接焊縫、不全熔透T型接頭等。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架示意

本文選取轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的典型接頭形式——不全熔透T型接頭（見(jiàn)圖2）作為代表，分析如何通過(guò)母材的碳當(dāng)量、組合厚度、焊接熱輸入、氫含量級(jí)別四個(gè)要素來(lái)確定預(yù)熱溫度。

圖2 不全熔透T型接頭示意

3 確定預(yù)熱溫度的四要素

確定鋼的預(yù)熱溫度方法很多，如用碳當(dāng)量CE[2]和圖表法[3]，而本文介紹的根據(jù)碳當(dāng)量、組合厚度、熱輸入和氫含量四要素共同確定預(yù)熱溫度的方法更加簡(jiǎn)潔、易懂。

3.1 碳當(dāng)量CE

根據(jù)鋼材化學(xué)成分與焊接熱影響區(qū)淬硬性的關(guān)系，將鋼中合金元素（包括碳）的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量（以碳的作用系數(shù)為1）作為粗略地評(píng)定鋼材冷裂傾向的一種參考指標(biāo)。碳當(dāng)量CE的計(jì)算公式如下[4]：

此公式不適用于含硼的鋼。

3.2 組合厚度

組合厚度D為母材距焊縫軸線(xiàn)75 mm范圍內(nèi)厚度平均值的和，幾種特殊形式接頭組合厚度的計(jì)算公式如圖3所示。

圖3 組合厚度示意

3.3 熱輸入

熔焊時(shí)，熱源以一定速度移動(dòng)。一般用熱輸入來(lái)衡量熱源的作用。計(jì)算公式為

式中 Q為熱輸入（單位：kJ/mm）；U為電弧電壓（單位：V）；I為焊接電流（單位：A）；v為焊接速度，即電弧移動(dòng)速度（單位：mm/s）；k為熱效率，取決于所用焊接方法，如表1所示[5]。

表1 熱效率k

3.4 氫含量

氫含量級(jí)別主要根據(jù)焊縫中所允許的擴(kuò)散氫含量來(lái)決定，具體如表2所示。

表2 氫含量級(jí)別

不同的焊接方法，對(duì)應(yīng)不同的氫含量級(jí)別：

堿性焊條的氫含量級(jí)別應(yīng)為B級(jí)～D級(jí)；纖維素和金紅石類(lèi)型的焊條應(yīng)為A級(jí)。

藥芯焊絲和實(shí)心焊絲應(yīng)為B級(jí)～D級(jí)，這取決于制造商對(duì)焊絲的分類(lèi)；埋弧焊焊絲和焊劑應(yīng)為B級(jí)～D級(jí)，一般選用C級(jí)。

氣體保護(hù)焊的實(shí)心焊絲和TIG焊應(yīng)為D級(jí)，除非有特殊要求才會(huì)使用E級(jí)。

4 確定預(yù)熱溫度的方法

已知碳當(dāng)量、組合厚度、焊接熱輸入、氫含量四個(gè)因素后，就可從圖4～圖16所示的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)中進(jìn)行查找（只適用于碳當(dāng)量在0.3%～0.7%的鋼材）。

圖4 碳當(dāng)量不超過(guò)0．30～0．46的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

確定預(yù)熱溫度的具體步驟如下：

圖6 碳當(dāng)量不超過(guò)0．38～0．50的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖7 碳當(dāng)量不超過(guò)0．41～0．52的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

（1）首先應(yīng)該由氫含量級(jí)別和母材的碳當(dāng)量來(lái)確定所要選取的曲線(xiàn)。

（2）在該曲線(xiàn)中找出橫坐標(biāo)焊接熱輸入和縱坐標(biāo)組合厚度的交點(diǎn)。

（3）該交點(diǎn)在哪個(gè)溫度區(qū)間，就能確定該條件下所需的預(yù)熱溫度是多少。

母材1材質(zhì)S355J2+N，30＜板厚≤150，最大碳當(dāng)量0.47；母材2：材質(zhì)S355J2W+N，最大碳當(dāng)量0.45。接頭形式：T型接頭；板厚：d1=d2=14 mm，d3=65 mm；焊接方法：CO2氣體保護(hù)焊；焊接參數(shù)：U=28 V，I=270 A，v=4.5 mm/s。組合厚度 D＝14+14+65=93；由表1可知，CO2氣體保護(hù)焊的熱效率k應(yīng)為0.8，故熱輸入為1.344 kJ/mm；CO2氣體保護(hù)焊的氫含量級(jí)別應(yīng)選擇D級(jí)。

圖8 碳當(dāng)量不超過(guò)0．43～0．55的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖9 碳當(dāng)量不超過(guò)0．45～0．57的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖10 碳當(dāng)量不超過(guò)0．47～0．60的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖11 碳當(dāng)量不超過(guò)0．49～0．62的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖12 碳當(dāng)量不超過(guò)0．51～0．64的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖13 碳當(dāng)量不超過(guò)0．53～0．66的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖14 碳當(dāng)量不超過(guò)0．55～0．68的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖15 碳當(dāng)量不超過(guò)0．60～0．70的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

圖16 碳當(dāng)量不超過(guò)0．62～0．70的預(yù)熱溫度曲線(xiàn)

母材1預(yù)熱溫度：將最大碳當(dāng)量0.47%、組合厚度93 mm、熱輸入1.344 kJ/mm、氫含量D級(jí)對(duì)應(yīng)到圖4～圖16中可知，圖6就是所要選擇曲線(xiàn)，再找到橫坐標(biāo)1.344 kJ/mm與縱坐標(biāo)93 mm的交點(diǎn)，該交點(diǎn)20℃到50℃溫度線(xiàn)之間，大約在48℃，如圖17所示。由此可得出結(jié)論，這種焊接條件下母材1的最小預(yù)熱溫度為48℃。

母材2預(yù)熱溫度：該母材的最大碳當(dāng)量0.45、組合厚度93 mm、熱輸入1.344 kJ/mm、氫含量D級(jí)，對(duì)應(yīng)到圖4～圖16中，由氫含量D級(jí)、最大碳當(dāng)量0.45%可知，圖5就是所要選擇曲線(xiàn)，再找到橫坐標(biāo)1.344 kJ/mm與縱坐標(biāo)93 mm的交點(diǎn)，該交點(diǎn)交在溫度線(xiàn)之外（如圖18所示），由此可見(jiàn)該焊接條件下的母材2無(wú)需進(jìn)行預(yù)熱。

圖17 確定T型接頭母材1最小預(yù)熱溫度示意

圖18 確定T型接頭母材2最小預(yù)熱溫度示意

5 結(jié)論

介紹了根據(jù)母材碳當(dāng)量、組合厚度、熱輸入和氫含量來(lái)對(duì)應(yīng)預(yù)熱溫度曲線(xiàn)，進(jìn)而確定預(yù)熱溫度的方法。在文中示例的接頭中，同一接頭兩母材即使組合厚度、熱輸入、氫含量都一致，但由于母材2的碳當(dāng)量略低于母材1的碳當(dāng)量，根據(jù)預(yù)熱溫度曲線(xiàn)，母材2不需要預(yù)熱，而母材1需要預(yù)熱約48℃。此種預(yù)熱溫度的確定方法，不僅僅適用于轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品，同樣適用于所有碳當(dāng)量在0.3%～0.7%的非合金細(xì)晶粒鋼和低合金鋼產(chǎn)品，對(duì)制造、工程等行業(yè)是否預(yù)熱，具有很好的指導(dǎo)意義。