超声冲击技术消除转向架构架焊接残余应力试验方案分析

应之丁　高立群　范庆锋

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.中国中车株洲电力机车有限公司，412001，株洲∥第一作者，副教授）

超声冲击技术消除转向架构架焊接残余应力试验方案分析

应之丁1高立群1范庆锋2

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.中国中车株洲电力机车有限公司，412001，株洲∥第一作者，副教授）

摘 要为消除转向架构架焊接接头残余应力，尝试应用超声冲击法消除焊接接头残余应力。给出了采用超声冲击测试转向架构架焊接接头残余应力试验方案，测试超声冲击前后工艺条件下，焊接接头残余应力的变化特征和规律。对超声冲击前后焊接接头的微观组织和常规力学性能进行了检查测试。结果表明，超声冲击后焊缝区强度有所提高。

关键词转向架构架；焊接接头；残余应力；超声冲击

First-author＇s address Institute of Rail Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China

转向架构架焊接残余应力直接影响焊接结构的承载能力和服役寿命［1］。传统消除转向架焊接残余应力的方法包括锤击法、火焰矫正法等。近年来，超声冲击处理技术发展飞速。其核心技术是：将超声波换能器的谐振转换为超声频冲击脉冲，对焊缝表面进行振动冲击和能量输入，使焊缝与母材的过渡区实现平滑过渡，从而改善焊件的应力集中状况［2-4］；新调整焊接残余应力场，把应力集中处的拉应力转变为压应力，以此来提高金属表面层的强度和接头的疲劳强度。但是，由于焊缝部位的表面状态有一定的随机性，超声冲击的能量输出不稳定，导致产品批量加工中会出现一些问题。焊接过程中的质量是否稳定跟机器的配置有很大的关系［5］。

本文对SMA 490 BW耐候钢焊接接头进行超声冲击处理，并对超声冲击处理前后以及不同冲击工艺对耐候钢焊接接头残余应力消除情况进行研究。

1　转向架构架焊接试验

1.1转向架构架焊接材料

试验转向架构架是用材料为SMA 490 BW的耐候钢焊接而成的，采用Φ1.2 mm CHW-550 CNH焊丝。SMA 490 BW耐候钢应满足的力学性能参数见表1。

表1　JISG 3114―2004中焊接结构用耐大气腐蚀热轧钢材的力学性能

1.2转向架构架试样制备

选取尺寸为600 mm×200 mm×8 mm的SMA 490 BW耐候钢板材，长边开Y型坡口，角度为单边30°、钝边1 mm。焊接前使用专用打磨工具清除坡口附近的金属氧化物等污染物，并用丙酮擦拭坡口附近区域。

采用MAG（80﹪Ar＋20﹪CO2混合气体保护焊）焊接方法、双层焊。经反复调试后，获得最佳焊接工艺参数，如表2所示。

表2　焊接工艺参数

1.3 转向架构架试验方案

为保证被测试部位的焊接残余应力分布大体一致，在焊接试件的中心部位上选择5个相邻区域（编号依次为A、B、C、D、E）进行试验（见图1）。每个区域分别测试14点，测试布点图如图2所示。图中，焊缝宽14 mm，焊缝上各测试点间隔距离为2 mm。其中，点5、6、7、8、9、10位于焊缝区域；点4、11位于焊趾上；点3、12位于热影响区；点1、2、13、14位于母材上。

图1　试件超声冲击测试布点区域

图2　残余应力测试点示意图

以焊机试件焊缝平面的纵向残余应力σx为研究对象，测试各区域超声冲击处理前（焊接后）、处理后的应力变化。超声冲击试验前测试各区域的σx，然后分别对A、B、C、D、E 5个区域施以不同的激励电流进行超声波冲击。其激励电流分别为：A区1. 4 A，B区1.6 A，C区1.8 A，D区2.0 A，E区2.2 A。冲击速度为400 mm∕min左右。冲击完成后，再次对5个区域的σx进行测试并记录。

2　转向架构架超声冲击试验效果评价

图3　A区超声冲击处理前后残余应力对比

图4　B区超声冲击处理前后残余应力对比

图5　C区超声冲击处理前后残余应力对比

图6　D区超声冲击处理前后残余应力对比

2.1超声冲击试验数据测试与分析

A、B、C、D、E 5个区域超声冲击处理前后残余应力对比如图3～7所示（d为测试点距焊缝中心的距离）。可见，超声冲击处理前，焊接接头焊缝、热影响区和母材的纵向残余应力为较大的拉应力，且应力起伏较大、分布不均。超声冲击处理后，不同大小的激励电流对焊接接头残余应力消除效果有较大差异。其中，当激励电流为2.0 A（D区）时，经过超声冲击处理后，接头各区域应力都转变为压应力，且应力起伏较小，分布均匀，对残余应力的消除效果最佳。

图7　E区超声冲击处理前后残余应力对比

2.2SMA 490 BW耐候钢焊接接头微观组织分析

采用GX 10型光学显微镜对焊接接头进行组织形貌观察。超声冲击处理前后，焊接接头焊缝区的组织形貌如图8所示。

图8　超声冲击处理前后焊缝区组织形貌

由图8a）可知，超声波处理前的焊缝区微观组织为柱状铸态组织，白色的片状先共析铁素体沿柱状晶界分布，晶内为针状铁素体，有少量黑色的珠光体，还有少量的粒状贝氏体。由图8b）可知，超声冲击处理后，焊缝区微观组织在成分上没有太大变化，包括铁素体和珠光体等成分，但在形貌上有较大的差异，表现在超声冲击后晶粒变得比冲击前更加细长，尤其是白色的铁素体最为明显。这种形变织构的择优取向对提高焊接接头的表面强度有较大的作用。

由于焊接过程使得试件形成局部的非均匀的温度场，导致焊件的组织、性能及应力都出现不均匀性。超声冲击对焊接件的高频能量输入，对焊接件表面产生了高频的机械强化作用，使其发生较大的塑性变形；同时对焊接件内部的晶粒产生高频振动作用，使其微观晶格发生畸变，而超声冲击持续的高频振动输入致使晶格进一步发生位错增值、晶界迁移等变化，最终使晶粒变得细化和均匀。

2.3SMA 490 BW耐候钢焊接接头硬度分析

用HV-10 B型维氏硬度计对焊接接头进行硬度测量。测试点布置如图9所示，线a距离焊接接头母材表面1 mm，从焊缝中心线向母材方向每0.5 mm测试一个点的硬度。SMA 490 BW耐候钢焊接接头同一深度不同区域硬度分布如图10所示。

图9　硬度测试点布置示意图

图10　板厚方向同一深度不同区域硬度分布

由图10知：超声冲击前焊缝区硬度高于热影响区，焊缝区平均维氏硬度为211，整体趋势为硬度下降；超声冲击后焊缝区、热影响区硬度均有提高，但整体趋势仍然表现为硬度下降，焊缝区平均维氏硬度为220，且焊接接头整体硬度较冲击前均匀。

3　结语

（1）不同激励电流下超声冲击对焊接接头残余应力的消除效果差异较大，综合表面形态和残余应力消除效果等因素，当激励电流为2.0 A时，残余应力消除效果最佳。

（2）超声冲击对焊接件的高频能量输入，对焊接件表面产生了高频的机械强化作用，使其发生较大的塑性变形；同时对焊接件内部的晶粒产生高频振动作用，使其微观晶格发生畸变，而超声冲击持续的高频振动输入致使晶格进一步发生位错增值、晶界迁移等变化，最终使晶粒变得细化和均匀。

（3）对于焊接接头同一深度不同区域，其硬度分布为焊缝区硬度最高，热影响区其次，整体趋势为硬度下降。经超声冲击处理后，焊接接头整体硬度较冲击处理前有所提高，且硬度分布较冲击前均匀。

参考文献

［1］ 高光明，孙明杰.焊接残余应力的产生、影响和消除措施［J］.才智，2011（15）：225.

［2］ 陈会丽，钟毅，王华昆，等.残余应力测试方法的研究进展［J］.云南冶金，2005，34（3）：123.

［3］ 王元良，骆德阳，王一戎.我国高速列车焊接技术及其新发展［J］.电焊机，2008（8）：8.

［4］ 何家文，徐可为，李家宝.残余应力研究概况［J］.国际学术动态，1998（2）：75.

［5］ KANDIL F A，LORD J D，FRYETE A T.A review of stress measurement methods-A Guide to Technique Selection［R］. Teddington：National Physical Laboratory，2001.

Experiment Elimination Plan of Residual Stress on Bogie Frame Wlding Joint with Ultrasonic Impact Technology

Ying Zhiding，Gao Liqun，Fan Qingfeng

AbstractTo eliminate the residual stress on bogie frame welding joints，ultrasonic impact technology is attempted. An experiment plan is proposed to test the residual stresses of welded joints before and after UIT，the variation characteristics and laws of the residual stresses.The microstructure and conventional mechanical properties of welded joints are examined by using UIT，which shows that the strength of welded joints is improved to some extent.

Key wordsbogie frame；welding joint；residual stress；ultrasonic impact technology（UIT）

中图分类号U 270.331

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.010

收稿日期：（2015-01-19）