地铁转向架侧梁焊接残余应力的研究

周建强 孙贵舜 金亚平

摘 要：本文以转向架的侧梁焊接为中心展开论述，对侧梁同一位置不同状态下的焊接残余应力做出了测试，通过测试得出在不同步骤与处理工艺的作用下，侧梁残余应力的实际分布与变化规律，还对热处理与喷砂工艺对于焊接接头当中关于残余应力具体分布的制约与影响。通过研究可知，侧梁的来料基础表面绝大多数是压应力，焊后与热调修之后的侧梁残余应力整体范围较宽，某些测试点出现了高值残余拉伸型应力，使用喷砂工艺能让构架的浅表面出現塑性变形，进而形成有积极作用的压应力，通过热处理工艺，能让构架中出现的残余应力峰值获得一定程度的削减，使应力分布实现均化。

关键词：转向架侧梁;焊接残余应力;热调修;喷砂处理

引言：

转向架属于轨道车辆当中的重要部件之一，在列车的行车安全中扮演着关键的角色，构架又属于转向架的基本承载与传力构件。目前，大多数的转向架构架绝大部分都选择焊接形式，也就是说，焊接属于转向架当今的主要连接方式。焊接中残余应力的实际存在会严重影响与制约架构的疲劳寿命与疲劳强度，某些焊接接头的实际应力较为集中或是高残余应力叠加，通常会出现较高程度的应变循环，如果材料的实际韧性储备偏差，就可能会出现开裂的情况。与此同时，因为组织性能的转变，如果残余应力偏高就会提升裂纹的实际扩展速率。所以，针对构架焊接开展残余应力相关的探究活动，并利用科学的方案有效降低与清除某些部位存在的残余应力，对于防止裂纹生长与构架失效甚至是提升构件的实际疲劳寿命都有极高的现实意义与价值。

1试验材料及方法

1.1试验材料

笔者以实验为基础展开本文的论述环节，笔者在实验中使用的材料是EN028-3： P355NL1正火焊接型细晶粒钢，它的化学属性与力学性能就不做过多的阐述了。

1.2试验方法

在侧梁焊接中可选择熔化极活性较强的气体保护焊，保护气体要选用富氩混合型保护气体。在残余应力的测试中，可选择I-XRD型残余应力测量仪，在电解抛光设备的选择中，DIP-II与8818-V2式电解抛光机的优势更为突出。在残余应力的实际测试中，要以欧盟有关的测试标准为准则，在体测试参数的选择中，从实际情况及相关规则与标准出发，确保所得数据的科学性与准确性。

2实验结果及分析

2.1侧梁基础件残余应力测试

针对侧梁的来料基础件来说，要在侧梁完成组装前开展残余应力有关测试活动，测试区域要选择侧梁的外腹板，测试点分布要科学合理确定（如图一）。

笔者通过观察可知，在侧梁外腹板的来料基础件中，全体测试点的纵向残余应力都是压应力，分布在-120 MPa到-220 MPa间，此时的残余应力呈现出均匀分布。这是由于侧梁来料的基础件在制造时考虑防腐与后期的焊接，对表面进行了喷砂，喷砂会在钢材的表面形成压应力层。同时各区域的喷砂都较为均匀，因此，通过喷砂构成的残余应力同样也较为均匀。

2.2侧梁组焊后残余应力测试

侧梁完成组焊之后，要对侧梁的外腹板做出焊接残余应力测试活动。笔者通过测试与分析得出，完成组焊之后，焊接的残余应力总体分布不均匀，同时存在拉应力与压应力，某些区域的拉应力峰值偏高，完全超过材料自身的屈服极限。此外，高值残余拉伸型应力会集中于侧梁、腹板连接长焊缝以及下盖板当中，这是由于侧梁的上下盖板同腹板在焊接中相互约束，当焊接的热输入达到特定值时，焊接变形就会同焊接残余应力构成反比关系。

2.3侧梁热调修后残余应力测试

当完成侧梁的调修之后，还要针对侧梁的外腹板展开残余应力测试活动。通过笔者的测试与分析可得，调修之后的残余应力在具体的分布中还是不均匀，并且在纵向的残余拉应力值还是偏高，通过测试最高值大于600MPa，严重大于材料自身的屈服极限。

2.4构架喷砂后残余应力测试

在落实侧梁组焊工作之后，还要对构架做出组装和焊接。完成构架组焊之后为有效开展焊缝探伤活动，要对构架整体做出喷砂处理。完成喷砂后还要对上文完成测试的区域展开残余应力测试活动，测试点的具体分布可见图二。

当构架整体完成喷砂之后，除开个别特殊点之外，焊接的残余应力大多是压应力，但是此时的压应力分布不均，在-200MPa到-400 MPa间波动。应力可协助裂纹闭合，能有效提升构架抗疲劳性。现于构架当中的疲劳裂纹大多源于构架的表面，拉伸应力可导致疲劳失效，通过喷砂处理，可让表层压应力高于内层的拉应力，转向架在不同负载情况时，表面的拉应力可以被喷砂层当中的残余应力抵消。

2.5制造过程中不同阶段残余应力的对比

笔者通过测试与剖析可知，相同的测试点在各阶段当中的残余应力分布不同。通过上文阐述可知，侧梁完成组焊、调修以及构架喷砂之后，这三阶段中残余应力的实际变化趋势相差不大。其余阶段由于测试区域不同，可以通过测试结果发现，这几个阶段中残余应力主要由拉应力和压应力组成。值得注意的是，在以上几个阶段中，在侧梁来料的基础件测试中获得的残余应力实际分布情况最均匀，和前面文中阐述的观点相一致的。

3结论

笔者在本文撰写中，对来料的基础件、喷砂、组焊以及调修这四种情况下，残余应力的实际分布进行了观察与剖析。第一，当侧梁来料的基础件进行喷砂后，它的表面都是压应力，并且残余应力呈现均匀分布，有较好的对称性。第二，当侧梁完成组焊与热调修之后，通过观察残余应力的实际分布呈现出不均匀性，由拉应力和压应力这两种力组成，某些区域的拉应力值偏高，已经大于材料自身的速度极限了。第三，喷砂在某种程度上可以转变侧梁表面中的残余应力状态，也就是说通过喷砂，可以把表面的拉应力转为压应力，大部分的应力波动在- 250 MPa这一定值附近，它上应力分布向均匀性转变，因为压力可以让裂纹闭合，所以它可以有效提升构架的实际抗疲劳性。通过笔者的阐述，希望能为该行业今后的发展奠定基础，促进该行业的持续稳步发展。

参考文献：

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