提高焊接转向架安全性能的建议

1提高焊接转向架安全性能的建议戚墅堰机车车辆工艺研究所孙周明提速客车转向架(CW-1(2)、206KP（WP）SW160、209HS)构架大部分都是由钢板焊接而成，对焊缝性能方面的质量要求极高。转向架构架受到动载荷相当大，构架的损坏绝大多数是由于焊缝处的疲劳裂纹引起，因而焊缝是构架耐久性的薄弱环节。在转向架构架的设计制造时，必须重视提高焊缝的疲劳强度。通过对四个厂的评估发现，目前转向架构架焊接工艺还不能完全满足设计要求，构架焊缝的质量较差，焊缝的疲劳强度普遍偏低，直接影响到构架的寿命。就提高焊接转向架疲劳强度方面提出以下个人观点和建议：一、提高焊接构架的设计质量，降低构架的制造难度在焊接构架的设计时，工艺人员应积极配合设计人员，使焊缝的设计更合理，焊接工艺性更好。同时设计人员应参与焊接工艺评审和评定工作，以验证焊接工艺能否达到设计要求。从而使焊接接头的设计和焊缝布局更趋合理。1、构架焊缝的设计和构架焊接应注意以下几个问题：⑴应保证构架上的作用力均匀分布，避免不必要的应力集中；⑵受力大的部位和拉应力区，尽量不布置焊缝，对不可避免的焊缝应尽量布置在低应力区或受压应力区；⑶拉应力区的角焊缝应设计成双角焊缝或单边V型焊透焊缝，压应力区的焊缝设计成单边V型焊缝；⑷对截面变化较大的部位应采取较大的过渡半径，去除棱边和沟槽等，避免急剧的截面过渡；⑸侧梁、横梁设计时，应尽量减少焊缝，上、下盖板对接等焊缝，应采用为全焊透焊缝，并要注明焊缝的探伤方法和标准；⑹当不同板厚进行对接接头设计时，应对厚板部分进行削平处理，并对焊2缝进行打磨处理，使焊接处圆滑过渡；⑺构架主要焊缝的表面质量要保证，要通过优化焊接工艺和焊后焊缝表面处理工艺，改善焊缝表面的几何形状，减少焊缝表面的应力集中和表面缺陷；⑻提高构架的焊缝质量，消除焊缝表面和内在的缺陷。2、为了提高构架的疲劳强度，在焊接构架设计和构架生产时还应注意：⑴优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；⑵采用角焊缝时，最好采用双面焊缝，避免使用单面焊缝；⑶角焊缝焊接时，特别是侧梁、横梁、摇枕等角焊缝应尽量采用船形位置进行焊接，实现理想的凹型焊缝；上、下盖板等部位的端面焊缝，焊接时尽量采用不等腰焊缝；⑷采用带有搭接盖板的搭接接头，尽量不用偏心搭接；⑸将焊缝设计在低应力区，高应力区尽量不设计焊缝；⑹构架焊接时，应尽量降低焊缝表面的应力集中；减少构架的焊接变形和残余应力；严格控制焊接线能量，确保焊缝力学性能达到设计要求；严格执行焊接工艺，尽量减少焊接缺陷；⑺容易产生疲劳的焊缝部位应首先焊接，以有利于焊接残余应力的释放，避免应力集中。二、加强转向架用材料的研究和选用1、加强构架原材料的选用工作。⑴目前，提速客车普遍采用16Mn、16MnR、Q345B等材料，这些材料的力学性能和焊接性能较为稳定。但是这些材料的化学成份变化较大，低温冲击韧性较差，对焊接构架的疲劳强度影响较大，这一点戚所已通过试验得到证实。为了提高转向架构架的疲劳寿命，建议铁道部组织相关单位对转向架材料进行研究，选用一种强度适当、韧性好、焊接性能好。疲劳强度高的材料取代目前的16Mn（或16MnR）材料，戚所的初步研究表明，我国现有的材料Q345E（相当3于16Mq、14MnNbq）材料，力学性能和疲劳强度都优于16Mn材料。为了使这一材料尽快应用于构架生产上去，应加大研究的力度和深度，为构架的设计提供科学的依据。⑵加强铸钢材料的研究。SW－160构架部分零部件采用铸钢件，减少了焊缝数量，提高了构架的可靠性，但目前铸钢件大部分采用ZG230－450，该种材料性能较差。B级钢材料化学成份易控制，可焊性好，低温冲击值较高，疲劳强度较高，建议提速客车采用B级钢铸件取代目前的ZG230－450。同时还要不断研究开发高强度、可焊性好的铸件。为高速车焊接构架的生产做好技术准备。⑶要加强杆件类材料的研究。目前，提高客车杆件类材料大部分采用Q235A、45＃钢、40Cr调质钢等材料，在过去的使用过程中，都发生了不同的质量问题，影响了铁路的行车安全。建议部里组织相关单位对杆件类材料的力学性能、热处理工艺、探伤工艺和焊接工艺进行研究，并制定相关标准，尽快提高杆件类零部件的质量。2、加强构架新材料的研究。为了适应高速列车运行要求，必须研究新的轻型高强度材料，以达到减轻重量提高疲劳强度的目的，建议部里组织相关单位对低合金高强钢、细晶粒结构钢、不锈钢等材料应用到转向架上的可行性进行研究。同时，还要重点研究这些钢的缺口敏感性，为开发高质量的焊接构架提供理论依据。3、制订材料采购技术标准，确保材料质量达到设计要求。我国目前的材料标准要求较低，部分材料的性能、成份波动较大，给构架生产带来很大困难，为此建议：⑴制订严格的材料技术标准，铁道部组织定点厂家生产；⑵各工厂要对进厂材料进行复验，并将复验报告存档；⑶对重要零部件材料采用超声波探伤检查；⑷对构架原材料应进行预处理，防止表面生锈，影响材料质量。三、加强构架疲劳强度的研究4为了确定CW－1（2）、SW－160、206KP、209HS等转向架的疲劳寿命，建议铁道部组织相关单位对以上提速车转向架的材料、制造工艺、焊接工艺、焊后焊缝表面处理工艺、构架焊后时效处理工艺进行研究，并优化各种工艺。根据优化的工艺各工厂焊接3－4台转向架构架，进行疲劳强度对比试验，根据试验结果进一步的优化相关工艺，并制订相关技术标准，用于指导生产。在疲劳试验过程中，要深入研究材料缺陷、焊接缺陷、应力集中等对疲劳强度的影响。为此，在试验前后，必须对构架主要受力部位（包括主要受力焊缝）进行探伤检查，试验完成后，对构架的主要部位进行解剖分析，检查焊缝金相、焊接缺陷扩展情况等。同时，还要对关键零部件（受力杆件等）进行寿命的试验。四、焊后焊缝表面处理工艺的研究焊接构架的破损主要是焊缝的残余应力集中造成，而焊缝表面的应力集中又与其表面几何形状有关，因此提高焊缝疲劳强度的有效方法是改善焊缝表面的几何形状。目前，生产提速客车的四个工厂大多数采用焊缝打磨工艺，个别工厂也采用了TIG重熔工艺来改善焊缝表面的形状，取得了一定的效果，但都未对打磨工艺、TIG重熔工艺进行研究，因此，焊缝表面处理的质量难以保证。国外目前采用较多的工艺有：焊缝表面打磨处理工艺，焊缝表面TIG重熔处理工艺，焊缝表面喷丸强化处理工艺，焊缝表面进行超声冲击处理，焊缝表面高压水射流处理工艺等，戚所已对打磨处理工艺、TIG重熔处理工艺等进行了试验验证，取得了较好的效果。建议：部里组织相关单位，对焊缝表面处理工艺进行系统研究，并将研究结果应用到构架的生产中去。1、焊缝表面打磨处理工艺。焊缝表面打磨工艺分为整体打磨、局部打磨。焊缝表面整体打磨，就是对焊缝表面进行整体磨光，主要用于对接焊缝的打磨；局部打磨是用砂轮打磨焊趾附近区域，以改变焊缝表面的形状；焊缝打磨可以改善焊缝表面的几何形状，彻底消除表面缺陷，因而，可大幅度提高焊缝的疲劳强度。但焊缝表面打磨工5艺效率较低。2、焊缝表面氩弧（TIG）重熔处理工艺。对焊缝表面焊后采用氩弧重熔处理，可以改善焊缝表面的几何形状，使其光滑圆顺，从而大幅度地提高焊缝的疲劳强度，同时，重熔处理还细化了焊缝组织晶粒，提高了抗裂性能。TIG重熔处理工艺大多数用于长大角焊缝的表面处理，但生产效率比打磨工艺要高的多。TIG重熔工艺分为焊缝整体重熔和焊趾局部重熔两种。为了提高TIG重熔工艺的质量和效率，建议采用自动TIG重熔处理工艺。3、焊缝表面喷丸强化处理工艺。喷丸处理是以压缩空气为动力，将丸粒喷射到焊缝表面及其周围，使焊缝表面产生压应力；而且焊缝表面和焊趾变得光滑圆顺。从而提高了焊缝的疲劳强度。喷丸处理工艺主要用于构架修理补强后焊缝的表面处理。4、焊缝表面进行超声波冲击处理工艺。该工艺是比较先进工艺，目前，国内有些高校正在进行研究试验，试验表明，该工艺具有效率高，提高疲劳强度明显等优点。5、高压水射流处理工艺。该工艺是将具有100Mpa以上压力并带有磨料的高压水高速喷向焊缝的焊趾周围，使表面进行磨光加工产生压应力，改善焊缝表面几何形状，达到提高焊缝疲劳强度的目的。但该装置结构复杂，设备购置费较高。以上几种工艺对提高焊缝疲劳强度有很大好处，建议部里组织相关单位对以上工艺进行深入研究，并不断优化工艺，制定相关技术标准，最终将该工艺应用到构架的生产中去。为了使以上工艺得到很好的应用，各工厂应根据试验研究的情况，焊接2－3个焊接构架进行疲劳对比试验，对工艺进行进一步的验证。五、构架焊后时效处理工艺的研究6建议部里组织相关单位对构架焊后时效处理工艺进行深入研究，目前四个客车厂采用的是退火消除残余应力、振动时效消除残余应力和喷丸处理工艺。但各工厂对目前采用的工艺都没有进行大量的试验验证。有些采用国外热处理工艺，有些采用高校制定的振动时效工艺，由于对时效处理的结果无法检查，因此，不能判断目前各工厂采用时效工艺到底效果如何。各种工艺都有其局限性，如果工艺不合理，有些可能达不到预期效果，有些可能会产生新的缺陷。1、退火消除残余应力，四方厂、浦镇厂、唐山厂采用该工艺，而且三个工厂对热处理的效果都不做检查，也无法进行检查。退火可以消除构架的焊接残余应力，但这种工艺无法改变焊缝的几何形状，而且温度过高，容易引起构架的局部软化，温度过低，消除应力的效果不够明显。因此，部里应制定构架退火处理标准，以规范构架退火工艺。2、振动时效消除残余应力，长客厂、浦厂、唐山厂采用该工艺，而且三个工厂做的试验不同，选用的设备、规范参数也不相同，三个工厂对处理的效果不做检查，振动时效可以部分地降低残余应力的峰值，但如果工艺规范参数选择不当，可能会产生新的残余应力，达不到消除应力的效果。因此，部里应制定振动时效的标准。3、构架表面喷丸处理工艺研究。要研究喷丸强化工艺对构架表面残余应力和疲劳强度的影响，并对喷丸工艺进行优化，确定最佳的丸粒直径、空气压力、喷丸速度、工件移动速度等参数。六、优化转向架焊接工艺，不断提高焊接工艺水平通过四个厂的评估，虽然四个工厂这几年焊接设备的水平在不断提高，四个工厂也都进行了不少焊接机械手，但普通存在焊接工艺较落后的现象，从而导致了构架焊接质量较差，疲劳强度低，影响了提速车的行车安全。因此，建议各工厂要进一步优化焊接工艺，不断提高焊接工艺水平，转变焊工的质量意7识和观念，提高构架的焊接质量和疲劳强度。建议各工厂要做好以下几个方面的工作。1、进一步提高构架组对的质量。组对质量的好坏，直接影响到焊缝的焊接质量。从四个工厂的情况来看，四方厂构架组对质量较好，其它三个工厂构架组对质量较差，普遍存在组对间隙不均匀，坡口钝边大，工作表面质量差，点焊不规范，点焊缝有开裂和气孔等现象。有些工厂组装胎位精度差，构架组对精度不高，难以满足焊接要求。建议各工厂要重视组对质量，从基本抓起，否则焊接质量难以提高。对于关键的受力焊缝，建议采用氩弧焊进行组对点焊和根部打底焊，这种工艺在国外高速构架的焊接中已被采用。2、进一步优化转向架构架的焊接工艺，不断提高焊接工艺水平。⑴目前四个工厂在构架焊接中已普遍采用富氩保护焊，焊接质量比原来有所提高。但所选用的焊丝为国产CO2焊丝，焊缝性能较差，建议各工厂选用富氩焊专用焊丝，以进一步提高焊缝的力学性能。⑵采用药芯焊丝可以实现理想的凹型焊缝，减少焊接缺陷，提高焊缝内在质量，进一步提高焊缝的疲劳强度，但目前各工厂都没有使用药芯焊丝。建议各工厂尽快应用。⑶在焊接接头设计、坡口设计、焊接工艺设计等方面，各工厂应吸收国内外先进经验，不断地进行试验验证，提高焊接工艺水平。同时，各工厂尽快淘汰老的焊机。购置性能较好的焊机，不断提高焊接设备的自动化水平。减少人为因素对焊接质量的影响。⑷加强机械手焊接工艺的研究。四个工厂都引进了国外的焊接机械手焊接构架，但焊缝的焊接质量普遍不高，机械手的优点没有得到充分发挥。建议各工厂要加大对机械手焊接工艺研究的力度。同时，还要研究焊接顺序对焊接变形的影响。尽量减少焊接变形和焊接残余应力。对主要受力焊缝和外观要求较8高的焊缝，建议采用手工焊打底（或TIG焊打底），中间层采用富氩焊，表面