焊補(bǔ)對轉(zhuǎn)向架用耐候鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

王洪廣，岑升波

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616)

0 引言

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架重要的承載和傳力構(gòu)件，目前軌道車輛使用的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架多為焊接構(gòu)架。在構(gòu)架焊接生產(chǎn)過程中，焊縫處可能會存在焊接缺陷，如：氣孔、裂紋、夾渣等[1]。構(gòu)架焊接后，因焊縫缺陷的存在而引起的裂紋源在應(yīng)力集中或者交變載荷作用的情況下容易出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致構(gòu)架破壞。如果直接選擇報(bào)廢存在焊接缺陷的構(gòu)架會造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本，因此焊接修補(bǔ)(焊補(bǔ))成為了重要的修復(fù)手段。由于焊接過程的固有特性，焊補(bǔ)部位不可避免地會再次產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力尤其是數(shù)值較大的拉應(yīng)力的存在會影響構(gòu)架的服役壽命[2-4]。因此研究焊補(bǔ)對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響具有重要的工程意義。本文采用X射線衍射法對車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用SMA490BW耐候鋼MAG焊接頭焊補(bǔ)前后及熱處理后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，分析焊補(bǔ)工藝對焊接接頭殘余應(yīng)力的影響，為焊補(bǔ)工藝在構(gòu)架焊縫缺陷修補(bǔ)中的應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及焊接工藝

試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)向架用SMA490BW耐候鋼，試板尺寸為300 mm×150 mm×12 mm，所用焊絲為φ1.2 mm的高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼焊絲JM-55Ⅱ。母材及焊絲的化學(xué)成分如下頁表1所示。焊接試板采用對接接頭形式MAG焊,采用Kemp Arc Pulse 450焊機(jī)完成，Y型坡口，坡口角度為60°，2 mm鈍邊，焊接間隙為1.2 mm，焊接工藝參數(shù)見下頁表2。兩種焊接方法的保護(hù)氣體均采用80%Ar+20%CO2的混合保護(hù)氣體。對于焊補(bǔ)工藝，先將接頭打磨去除原來的蓋面和填充層焊道，然后打磨坡口，按表2的填充和蓋面焊道的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊補(bǔ)。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分表(%)

表2 焊接工藝參數(shù)表

1.2 熱處理工藝

對焊態(tài)和經(jīng)過焊補(bǔ)的接頭進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，其熱處理工藝為：試板入爐溫度≤200 ℃，升溫速度≤150 ℃/h，熱處理溫度為600 ℃±15 ℃，保溫2.5 h，冷卻速度≤130 ℃/h，出爐溫度≤200 ℃。待熱處理試板冷卻至室溫后進(jìn)行熱處理態(tài)的殘余應(yīng)力測量。

1.3 殘余應(yīng)力測量方法

采用X射線衍射法對各種狀態(tài)下的焊接接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。所用測試設(shè)備為日本Pulstec公司生產(chǎn)的便攜式μ-X360n全自動(dòng)殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)，該設(shè)備為基于德拜環(huán)二維探測器，所用靶材為Cr靶，準(zhǔn)直管φ為1 mm，功率為30 kV·mA，零應(yīng)力鐵粉校準(zhǔn)。在焊接試板中心垂直于焊縫長度方向布置一條測試線共17個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)距離焊縫中心距離分別為0 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±20 mm、±30 mm、±45 mm、±70 mm、±120 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊補(bǔ)態(tài)與焊態(tài)接頭熱處理前殘余應(yīng)力對比分析

表3為不同處理狀態(tài)下接頭的殘余應(yīng)力測試結(jié)果。表中σx表示平行于焊縫長度方向的縱向殘余應(yīng)力，σy表示垂直于焊縫長度方向的橫向殘余應(yīng)力，正值表示殘余拉應(yīng)力，負(fù)值表示殘余壓應(yīng)力。圖1為SMA490BW鋼焊態(tài)和焊補(bǔ)態(tài)對接接頭的殘余應(yīng)力分布曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)焊態(tài)和焊補(bǔ)態(tài)對接接頭的焊接殘余應(yīng)力分布曲線和分布趨勢相同，左右兩邊呈現(xiàn)近似對稱關(guān)系，焊縫和近縫區(qū)存在數(shù)值較高的殘余拉應(yīng)力，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸降低直至母材區(qū)域變成壓應(yīng)力。從圖1和表3可以看出，與焊態(tài)下相比，焊補(bǔ)后接頭的殘余拉應(yīng)力作用范圍基本不變，應(yīng)力分布曲線相近，但拉應(yīng)力數(shù)值有所提高，高值縱向拉應(yīng)力作用在焊縫區(qū)及焊縫附近熔合線部位，橫向高值殘余拉應(yīng)力也集中在焊縫區(qū)及熔合線附近。不管是縱向殘余應(yīng)力還是橫向殘余應(yīng)力，焊補(bǔ)態(tài)接頭的拉應(yīng)力峰值均要大于焊態(tài)接頭。焊態(tài)接頭的縱向殘余應(yīng)力峰值為305 MPa，出現(xiàn)在距焊縫中心5 mm處的測點(diǎn)，橫向殘余應(yīng)力峰值為233 MPa，出現(xiàn)在距離焊縫中心-5 mm處的測點(diǎn)；而焊補(bǔ)態(tài)接頭的縱向殘余應(yīng)力峰值為341 MPa(較焊態(tài)峰值高11.8%)，橫向殘余應(yīng)力峰值為256 MPa(較焊態(tài)峰值高9.9%)，均出現(xiàn)在距焊縫中心5 mm處的測點(diǎn)。焊補(bǔ)后接頭的縱向和橫向殘余應(yīng)力峰值均有所提高的主要原因是由于焊接過程的固有特性，焊補(bǔ)部位因熱輸入和溫度場的不均勻不可避免地再次產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而且焊補(bǔ)區(qū)周圍金屬處于固態(tài)形式，拘束要比初次焊接時(shí)大，阻礙了焊補(bǔ)填充金屬的熱塑性變形，冷卻后導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加。

表3 不同處理狀態(tài)接頭殘余應(yīng)力測試結(jié)果表

圖1 焊態(tài)與焊補(bǔ)態(tài)接頭熱處理前殘余應(yīng)力分布對比曲線圖

2.2 焊補(bǔ)態(tài)與焊態(tài)接頭熱處理后殘余應(yīng)力對比分析

圖2(a)～(b)分別為焊態(tài)和焊補(bǔ)態(tài)熱處理前后的殘余應(yīng)力分布對比曲線。從圖2(a)中可以看出，熱處理方法消除焊接殘余應(yīng)力的效果良好，熱處理后焊態(tài)接頭的整體殘余應(yīng)力水平發(fā)生了明顯的下降，尤其是焊縫及近縫區(qū)域的高值拉伸應(yīng)力降低了很多，縱向和橫向殘余應(yīng)力峰值分別為89 MPa和67 MPa，起到了明顯的“削峰”作用。同時(shí)，熱處理后接頭的整體殘余應(yīng)力分布變得更為均勻，所測的所有殘余應(yīng)力絕對值均<100 MPa。圖2(b)中焊補(bǔ)接頭熱處理前后的整體殘余應(yīng)力分布及變化規(guī)律與焊態(tài)接頭熱處理前后相同。熱處理消除鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的原理是：把焊件的整體均勻加熱至材料相變點(diǎn)以下的溫度范圍，一般為550 ℃～650 ℃(本文為600 ℃)，經(jīng)過一定時(shí)間保溫，此時(shí)金屬未發(fā)生相變，但在此溫度上，其屈服極限降低，其材料的彈性模量也會下降，使內(nèi)部由于殘余應(yīng)力的作用而產(chǎn)生一定的塑性變形，然后利用高溫時(shí)材料蠕變速度加快，蠕變引起應(yīng)力松弛，給予充分時(shí)間(一般保溫1～3 h，本文保溫時(shí)間為2 h)，使試件均勻緩慢地冷卻，最終使應(yīng)力大幅度降低并得以消除。

圖3為焊態(tài)和焊補(bǔ)態(tài)接頭熱處理后的殘余應(yīng)力分布對比曲線?？梢钥闯觯笐B(tài)和焊補(bǔ)態(tài)接頭熱處理后的殘余應(yīng)力分布曲線和分布趨勢相同，左右兩邊呈現(xiàn)近似對稱關(guān)系，整體應(yīng)力水平相當(dāng)。焊縫和近縫區(qū)應(yīng)力相對其他區(qū)域較高，但是均<100 MPa，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸降低直至母材區(qū)域變成壓應(yīng)力。焊態(tài)熱處理后的縱向和橫向殘余應(yīng)力峰值分別為89 MPa和67 MPa，而焊補(bǔ)態(tài)熱處理后的縱向和橫向殘余應(yīng)力峰值分別為95 MPa和68 MPa，說明經(jīng)過熱處理后，不管熱處理前是焊態(tài)還是焊補(bǔ)態(tài)，熱處理后接頭的應(yīng)力峰值接近，差異不大。這主要是由于兩者是在同一工藝參數(shù)條件下進(jìn)行的熱處理，雖然熱處理前接頭的殘余應(yīng)力水平有差異，但是熱處理后兩者應(yīng)力水平是相當(dāng)?shù)模緹o太大差異，因此對于熱處理來講，加熱溫度的高低和保溫時(shí)間的長短是焊后熱處理的關(guān)鍵因素。這說明如果對于焊補(bǔ)后還要進(jìn)行熱處理的焊件來說，焊補(bǔ)所引起的焊接接頭殘余應(yīng)力的增大不會影響焊補(bǔ)后熱處理消除應(yīng)力的效果，在這種條件下可以不用考慮焊補(bǔ)造成的應(yīng)力增大問題。

(a)焊態(tài)

圖3 焊態(tài)和焊補(bǔ)態(tài)接頭熱處理后殘余應(yīng)力分布對比曲線圖

3 結(jié)語

(1)焊態(tài)和焊補(bǔ)態(tài)對接接頭的焊接殘余應(yīng)力分布趨勢相同，左右兩邊呈現(xiàn)近似對稱關(guān)系，焊縫和近縫區(qū)存在數(shù)值較高的殘余拉應(yīng)力，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，殘余應(yīng)力均由拉應(yīng)力逐漸降低直至母材區(qū)域變成壓應(yīng)力。

(2)焊補(bǔ)后接頭的縱向和橫向殘余應(yīng)力峰值較焊態(tài)均有所提高的主要原因是由于焊補(bǔ)區(qū)周圍金屬處于固態(tài)，拘束要比初次焊接時(shí)大，阻礙了焊補(bǔ)填充金屬的熱塑性變形，冷卻后導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加。

(3)焊態(tài)和焊補(bǔ)態(tài)對接接頭熱處理后的整體殘余應(yīng)力水平相當(dāng)，分布規(guī)律相同，且殘余應(yīng)力峰值差異不大。對于焊補(bǔ)后還要進(jìn)行熱處理的工件，焊補(bǔ)所引起的焊接接頭殘余應(yīng)力的增大不會影響焊補(bǔ)后熱處理消除應(yīng)力的效果。