动车组转向架构架焊接工艺评定分析与讨论

宫 平，常 力

（长春轨道客车股份有限公司转向架制造中心，吉林长春130062）

动车组转向架构架焊接工艺评定分析与讨论

宫 平，常 力

（长春轨道客车股份有限公司转向架制造中心，吉林长春130062）

在动车组转向架焊接制造过程中，焊接工艺评定是强制性执行条款，因此，对于动车组转向架焊接工作者来说，焊接工艺评定工作具有重要意义。以CRH3型车和CRH5型车动车组转向架构架为例，结合EN 15085体系相关标准，分析和讨论动车组转向架构架焊接工艺评定的目的、意义和一般程序，以及焊接工艺评定的注意事项和评定过程中一些争议问题的解释，结合实际对动车组转向架构架焊接工艺评定给出一些意见和建议。

动车组；转向架构架；焊接工艺评定

0 前言

高速动车组转向架是动车组的重要部件之一，具有支撑车体质量、引导车辆沿轨道运行、承受并传递车体至轮对、轮轨至车体间的各种载荷及作用力的作用。构架是转向架的关键部件，高速动车组转向架构架为钢制焊接结构。根据EN15085-4要求，一定质量等级的焊缝需要根据ISO 15609系列标准编制焊接工艺规程（WPS），而每个焊接工艺规程都需要根据相应焊接工艺评定标准进行证明，即针对不同质量等级的焊缝应进行相应的焊接工艺评定。由此可见，焊接工艺评定是制定焊接工艺规程（WPS）和验证焊接工艺的重要工作，也是控制转向架构架焊接质量的重要步骤和环节。在此以CRH3型车和CRH5型车动车组转向架构架为例，结合EN 15085体系相关标准，分析和讨论高速动车组转向架构架焊接工艺评定的一般程序和特点、焊接工艺评定的注意事项、以及焊接工艺评定过程中一些争议问题的处理和解释，最后结合实际对高速动车组转向架构架焊接工艺评定给出意见和建议。

1 焊接工艺评定的目的和意义

焊接工艺评定的根本目的是制定焊接工艺规程，最终目的是保证产品焊接质量，提高企业经济效益。

焊接工艺评定的目的有以下几方面含义：（1）评定焊接制造企业是否有能力焊出符合标准和产品技术条件要求的焊接接头；（2）验证制定的焊接工艺规程的正确性；（3）为进一步编制焊接工艺文件提供依据。

焊接工艺评定是验证焊接工艺正确与否的一项科学试验工作，从焊接工艺评定的目的可见其意义重大，只有做好焊接工艺评定工作，才能保证产品质量和安全运行，这是企业焊接工艺管理的基础工作，也是焊接质量控制的重要环节。

2 动车组转向架构架焊接工艺评定

2.1 动车组转向架构架结构特点

CRH3型车动车转向架构架为H型焊接结构，主要由横梁、侧梁、横侧梁连接座和纵向梁组成。侧梁采用四块板箱型结构，横侧梁连接座采用锻件变截面设计，一端与横梁钢管对接组焊，另一端与侧梁组焊成箱形结构，两个横梁钢管之间的纵向梁组成采用一体化设计，横跨两个横梁钢管[1]，如图1所示。

图1 CRH3型动车转向架构架[1]

CRH5型车转向架构架为H型焊接结构，主要由横梁、侧梁和横侧梁连接座（横梁支座）组成。侧梁为下凹形状，侧梁的横侧梁连接座采用锻件变截面设计，一端与横梁钢管对接组焊，另一端与侧梁上盖板和下盖板组焊成箱形结构[2]，如图2所示。

图2 CRH5型动车转向架构架[2]

2.2 动车组转向架构架焊缝类型

CRH3型车转向架构架是以符合EN10025-5标准要求的改良型耐候钢S355J2W+N为主；CRH5型车转向架构架是以符合EN10025-2标准要求的非合金结构钢S355J2G3为主。二者的转向架构架的焊缝都以8～16 mm中厚度钢板对接焊缝、填角焊缝、对接和填角的组合焊缝为主，如图3所示，同时也包含3 mm以下薄板搭接填角焊缝、管-板接头组合焊缝以及斜T型接头组合焊缝等，如图4所示。

图3 动车组转向架构架主要接头形式

图4 动车组转向构架特殊接头形式

2.3 动车组转向架构架焊接工艺评定程序

焊接工艺评定的前提是产品结构分析，此部分工作应在设计图纸工艺性审核过程中部分完成。产品结构分析中重要工作之一是焊接接头分析统计，焊接接头统计应包括接头形式、坡口形式、焊缝形式、母材规格类型和焊缝质量等级等信息。完成焊接接头分析统计工作后，需为每条焊缝制定唯一的焊接工艺规程（WPS），即开始编制和评定WPS的工作流程，开始进入焊接工艺评定程序。对于动车组转向架构架，焊接工艺评定的程序依焊缝质量等级不同而有所差异。动车组转向架构架的焊接工艺评定流程如图5所示，可见不同质量等级焊缝的评定流程和标准有所不同。

图5 动车组转向架构架焊接工艺评定程序

2.4 工艺评定的注意事项

焊接工艺评定是验证所拟定焊接工艺正确性的工作程序，同时也是焊接制造企业的能力考核和认证要求，因此对于从事动车组转向架焊接制造的工艺人员来说，应理解评定的目的，认识评定的意义，掌握评定的流程，在合理、合法、优质、高效的条件下完成评定工作。

2.4.1 接头设计

焊接工艺评定是具有针对性的试验工作，试件接头设计时首先要满足当前车型结构的要求。在满足当前要求的情况下，应尽可能考虑增大其覆盖范围，并尽量避免与已经生效的焊接工艺评定报告覆盖范围相重叠。

2.4.2 焊工要求

焊接工艺评定目的是验证所制定焊接工艺的正确性，因此进行焊接工艺评定时要求焊工或操作工技能熟练以排除人为因素的干扰，注意必须由本单位的焊工或操作工进行操作。

2.4.3 制定pWPS

预焊接工艺规程（pWPS）是用来指导焊接工艺评定试验的，也是生成焊接工艺评定报告（WPQR）的重要依据，因此制定pWPS时应注意各工艺参数的准确性和合理性，避免随意编造，导致焊接工艺评定工作失败或焊接工艺评定报告失真，从而无法通过评定，或即使通过评定，但与实际工艺不符，使依据生成的WPQR编制的WPS不符合生产实际，从而无法保证产品质量。

2.4.4 定位焊

定位焊在转向架焊接制造中起着非常重要的作用，能够同时反映部件的组对质量和焊接质量。在制定pWPS时应注意，若定位焊为最终焊缝的组成部分，则pWPS中应包含定位焊的工艺说明，在接下来的WPQR和WPS编写中也应包含定位焊工艺说明。

2.4.5 试验与检验

试件接头不同试验的种类也不同，如全熔透的对接焊缝要进行外观、内部和表面裂纹3项无损检测，同时进行拉伸、弯曲、冲击、硬度和低倍金相5项破坏性试验；而角焊缝只需进行外观和表面裂纹2项无损检测，以及硬度和低倍金相2项破坏性试验。

无论是无损检测还是破坏性试验，其操作程序均有法可依，即依据指定标准进行，这就要求正确理解标准含义和正确应用标准进行试验。以CRH5型车转向架构架中的S355J2钢板对接焊缝为例，根据EN 10025-2规定厚度3～40 mm的钢板其延伸率应大于等于22％，再根据ISO 15614-1中7.4.3规定延伸率大于等于20％的母材其弯曲角度为180°，由此确定弯曲试验的弯曲角度为180°。对于弯曲角度还需注意，弯曲试验的弯曲角度是试件在试验机上加载时达到的角度，试件卸载后从弯曲试验机上取下时会有一定的回弹，导致试件永久变形的实际弯曲角度不足180°，为正常现象，不需再进行任何操作。

试件接头不同试验的种类也不同，如全熔透的对接焊缝要进行外观检测（VT）、内部检测（RT或UT）和表面裂纹（MT或PT）检测3项无损检测，进行横向拉伸、横向弯曲、冲击、硬度和低倍金相5项破坏性试验；而角焊缝只需进行外观检测（VT）和表面裂纹（MT或PT）检测2项无损检测，以及硬度和低倍金相2项破坏性试验。

2.4.6 WPQR编制

焊接工艺评定报告一般由焊接试验详细内容、试验结果和无损检测报告、金相检验报告等部分组成，其中焊接试验详细内容部分体现了具体焊接工艺，其余部分则属于证明类的文件资料。因此，焊接试验详细内容部分编写应注意对原始数据的记录和整理，尤其是焊接电流、电弧电压等焊接工艺参数的编写。焊接工艺评定报告（WPQR）中记录的电流、电压和焊接速度应是试件施焊时焊接电流、电弧电压和焊接速度的实测值，基本是一个定值，而不应该是一个范围[3]。

2.4.7 制定WPS

对于已经生效的WPQR，在满足ISO 15614-1第8章规定的每个条件或因素的前提下，可以根据该WPQR制定相应的WPS，如果其中一个条件或因素不满足第8章要求，就需要新的焊接工艺评定。第8章中有些条件或因素是否超出认可范围很明显，如母材组别和焊接方法等；而有些条件或因素是否超出认可范围则需要分析或计算进行判断。如对于MAG焊φ（Ar）80％+φ（CO2）20％的气体配比，按照ISO 15614-1中规定，φ（CO2）应不超过评定试验用量的10％，即允许混合气体中φ（CO2）最高达到22％（20％±20％×10％），注意这个22％是CO2的名义百分比含量，即生产厂家在气瓶标识上注明的气体配比和含量。

制定的WPS中，焊接电流、电弧电压和焊接速度等电特性因素最受关注。ISO 15614-1中没有直接约束焊接电流、电弧电压和焊接速度，但规定了热输入的认可范围，即当有冲击试验要求时，认可的热输入上限比试件焊接使用的热输入大25％；当有硬度试验要求时，认可的热输入下限可比试件焊接使用的热输入小25％。这就要求在制定WPS时需综合考虑焊接电流、电弧电压和焊接速度，并运用热输入公式进行计算。

式中Q为热输入（单位：kJ/mm）；k为热效率（对于MAG焊，k=0.8）；U为电弧电压（单位：V）；I为电流强度（单位：A）；v为焊接速度（单位：mm/s）

2.4.8 CRH3型车和CRH5型车评定的异同

CRH3型车和CRH5型车转向架构架焊接工艺评定在工作程序上一致，焊接方法也基本一致，均主要采用MAG焊（135或v135），但是在评定的细节上有很多差别。

（1）母材材料不同。

CRH5型车转向架材料主要为S355J2G3非合金结构钢板，根据ISO 15608的分类属于1.2组别，CRH3型车转向架材料主要为S355J2W+N改良型耐候钢板，根据ISO 15608的分类属于1.4组别，虽然分别属于不同组别，但由于强度级别一致，根据ISO15614-1表3规定，母材能够互相覆盖。

（2）填充材料不同。

CRH5型车转向架构架焊接主要填充材料为符合ASME A-5.18标准的ER70S-6；CRH3型车转向架构架焊接主要填充材料为符合EN440标准的G 42 4 M（C）G0。通过标准的对比分析，两种填充材料属于不同牌号和型号的焊丝，彼此不能互相覆盖。

（3）冲击试验温度不同。

CRH5型车转向架材料主要为S355J2G3非合金结构钢板，该钢种要求在-20℃冲击吸收功大于等于27J。CRH3型车转向架材料主要为S355J2W+N改良型耐候钢板，该钢种同样要求在-20℃冲击吸收功大于等于27J，但由于CRH3型车尤其是CRH380BL高寒动车要求能耐受-40℃的环境，因此对材料性能的要求更高，即要求在-40℃冲击吸收功大于等于27 J。

（4）焊后热处理要求不同。

CRH5型车转向架构架要求焊后整体进行去应力退火处理；CRH3型车转向架构架焊后没有热处理要求。焊接工艺评定中，焊后热处理属于重要因素，不允许随意增加或删除，即评定范围不能互相覆盖。因此，在两种钢材构架评定时应注意区别，尤其是硬度试验时，S355J2G3钢焊接接头允许的最大硬度值为320 HV10，S355J2W+N钢焊接接头允许的最大硬度值则为380 HV10。

2.5 焊接工艺评定中争议问题的理解

2.5.1 验收水平

验收水平是判定试件合格与否的重要依据。ISO 15614-1中规定，如果试件内的缺欠在ISO 5817规定的B级限值范围内，则判定焊接工艺合格，但以下缺欠如焊缝金属过多、凸度过大、焊缝厚度过大和塌陷的限值为C级。由此认为试件内缺欠不超出ISO 5817 B级范围就合格是不准确的，在EN 15085 -4中规定，质量等级为CP A的焊缝验收水平应符合EN 15085-3中的相关规定，如表1所示。

表1 有关焊缝质量等级的钢材缺欠质量等级[4]

由表1可知，质量等级为CP A的焊缝进行评定时，不允许诸如1.9（焊缝超高）和1.11（焊缝下塌）等缺欠，这与ISO 15614-1中规定的1.9和1.11等缺欠验收水平为C级相矛盾，两标准不一致时采用就高原则，因此，以EN 15085-3规定为准。质量等级为CP B的焊缝验收水平为B级，其中1.9和1.11等缺欠验收水平也为B级，同样采用就高原则，以EN 15085-3为准。质量等级为CP C1、CP C2、CP C3和CP D的焊缝，由于EN 15085-3规定的验收水平低于ISO 15614-1的规定，此处则以ISO 15614-1为准。

2.5.2 预热温度和道间温度

正常预热温度应填写焊接工艺评定试件施焊时预热温度下限值；多道焊时，道间温度则填写焊接工艺评定试件施焊时道间温度的上限值。实际上，在施焊过程中道间温度起预热作用。对于预热温度和道间温度的规定，一些行业标准之间也存在争议，如AWS D1.1/D1.1M中5.6规定，除WPS指明另有要求外，最低道间温度必须与预热温度相等；EN 1011-2中说明，最小的道间温度推荐值常被作为多道焊缝场合的预热温度，但是多道焊缝能接受的道间温度要低于这个预热温度，因为在这种场合，后续焊缝所需要的输入热量将比底部焊缝更大。对于以上规定或说明，更认同EN 1011-2的解释，即多道焊时道间温度应低于预热温度。

2.5.3 电特性

电特性一般包括电流种类和极性、热输入、焊接电流、电弧电压、焊接速度以及熔滴过渡形式等。电特性是焊接工艺评定的重要因素，国内外各相关评定标准中都有相应说明。ISO 15614-1中对于电特性的说明主要是电流种类、极性和热输入。如8.4.7中规定，电流种类和极性认可范围仅限于试验中所用的电流种类和极性，但对于焊接方法111不要求冲击试验时，交流适合于直流。8.4.8中规定，有冲击要求时，热输入上限大于25％，重做评定；有硬度要求时，热输入下限低于25％，重做评定。

由于ISO 15614-1中没有给出焊接电流、电弧电压和焊接速度等因素的认可范围，因此，在确定已有WPQR覆盖范围上和根据已有WPQR制定WPS上容易存在争议和分歧。而一些相关行业标准在电特性上都给出了明确的认可范围，如AWS D1.1/D1.1M中规定，电流值变化超出10％，重做评定；电压值变化超出7％，重做评定；焊接速度变化超出25％（GMAW），重做评定。JB 4708中规定熔滴过渡形式从喷射弧、熔滴弧或脉冲弧改变为短路弧，或反之（GMAW），重做评定。同时，也有一些行业标准把焊接电流、电弧电压的变化定为次要因素，如ASME：2004第Ⅳ卷中规定，焊接电流、电压变化15％不需重新评定，需重新制定WPS。

通过标准对比和分析可知，根据ISO 15614-1进行的转向架构架焊接工艺评定，电流种类、极性和热输入是重要因素，因素变化超出认可范围需要重新评定；焊接电流、电弧电压和焊接速度等为次要因素，因素发生变化不需要重新评定，考虑到便于指导工人实际操作，当变化超出一定范围时，可以重新制定WPS。由于热输入由焊接方法、焊接电流、电弧电压和焊接速度共同决定，所以在根据已有WPQR制定WPS时，应综合考虑几个因素，并进行计算。而在WPQR中应具体给出每个焊道的热输入，以便于根据WPQR制定WPS，以及在应用WPS时更好地控制每道焊缝的热输入。

3 结论

（1）焊接工艺评定的根本目的是制定焊接工艺规程，最终目的是保证产品焊接质量，提高企业经济效益，评定工作应在合理、合法、优质、高效的条件下进行。

（2）以CRH3型车和CRH5型车为例，动车组转向架构架焊接工艺评定应根据符合EN 15085-3的不同焊缝质量等级按照EN 15085-4和ISO15610至ISO 15614-1系列标准进行。

（3）进行焊接工艺评定时，应认识、理解和应用评定标准，掌握与评定相关的各个标准之间的区别和联系，从本单位实际出发，确保焊接工艺评定的有效性和适宜性。

[1]刘刚，梁树林，陆海英，等.高速动车组的动车转向架构架[P].中国专利：CN201189871，2009-02-04.

[2]牛得田，刘志泰，梁树林，等.动力转向架[P].中国专利：CN201189870，2008-08-15.

[3]戈兆文，康鸿雁.执行钢制压力容器焊接工艺评定标准时的若干问题（二）[J].压力容器，2004，21（7）：1-5.

[4]EN 15085-3：2007，铁路应用—铁道车辆及部件的焊接—第3部分：设计要求[S].

Discussion and analysis on welding procedure qualification of EMU bogie frame

GONG Ping，CHANG Li
（Bogie Manufacturing Center，Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China）

In the EMU bogie welding manufacturing process,the welding procedure qualification is compulsory execution terms，therefore，to EMU bogie welding worker，welding technology evaluation work has the universal significance.Takes CRH5 and CRH3 emu bogie frame，for example，combined with the related standard EN 15085 system，this paper analyzes and discusses EMU bogie frame welding technology evaluation purpose，significance and general procedure，and welding technology assessment and evaluation of the matters needing attention in the process of the explanation of some debate，finally，gives some opinions and suggestions combining with actual EMU bogie frame of welding procedure qualification.

EMU；bogie frame；welding procedure qualification

TG457.2

A

1001－2303（2017）01－0086-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.16

献

宫平，常力.动车组转向架构架焊接工艺评定分析与讨论[J].电焊机，2017，47（1）：86-91.

2014-10-28；

2016-10-18

宫平（1978—），男，吉林长岭人，硕士，主要从事轨道客车转向架焊接工艺与技术开发工作。