焊接转向架典型焊接结构疲劳性能与焊接工艺研究

李鑫

摘 要：随着交通运输产业的兴起，铁路运输行业的地位与作用与日突出，转向架作为铁道车辆行走的核心部件之一，不仅承担着车辆行驶的重量级轨道的振动荷载，而且关系到列车行驶的稳定性与安全性。面对此，做好转向架焊接与安装施工十分重要，本文从影响焊接转向架结构疲劳性的相关因素入手，着重分析了其焊接工艺。

关键词：铁道；转向架；焊接；疲劳性

二十世纪，我国铁路运输领域因为焊接转向架接头在承受强烈振动和重力荷载双重作用下发生疲劳断裂的问题不在少数，给企业和社会带来巨大的经济损失。转向架作为铁道交通中的重要组成部分，一直以来都是采用铸钢构件焊接而成，但随着铁路运输事业的迅速发展和高铁时期的到来，传统的铸钢转向架已经无法满足社会发展需要，高速、轻型化的转向架已成为未来发展的主要方向。面对这种社会发展趋势，做好转向架焊接疲劳性分析及焊接工艺就显得格外重要。

1 转向架焊接疲劳性能分析

近些年来，随着高铁事业的发展，转向架逐渐由原来的铸钢构件、摇枕组合转变为取消摇枕，采用空气弹簧结构，这种转向架一定程度上满足了列车行驶舒适度和行驶速度要求，但也为焊接工艺提出了新的挑战。在新的转向架焊接中，由于采用了焊接性能良好、质地薄的材料，如何控制焊接疲劳特性就显得尤为重要。

1.1 焊接结构疲劳问题产生的原因

焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：① 客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；② 早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③ 工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④ 焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大； ⑤ 焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。

1.2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素

疲劳事故的频繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，使一些场合不得不放弃使用焊接结构，甚至怀疑焊接结构能否适用于承受动载的工程实际，故而焊接结构的抗疲劳问题引起国内外有关专家和工程技术人员，尤其是国际焊接学会疲劳专业委員会的普遍关注。在大量疲劳试验与工程实践的基础上，焊接结构抗疲劳设计规范不断出台，如英国桥梁疲劳设计规范BS5400、欧洲钢结构协会的疲劳设计规范、日本的钢桥设计规范、美国铁路桥梁以及高速公路设计规范、国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的疲劳设计规范IIW.DOC-639-8l以及我国的钢结构设计规范GB-17-88。就目前的工作而言，造成转向架焊接疲劳问题的主要因素包含有：静载强度、接头类型、焊缝形状、焊接缺陷等因素。由于文章字数限制，这里我们就不一一阐述了。

2 转向架焊接疲劳问题的改善工艺

一般来说，在转向架焊接的过程中，焊接接头产生焊接疲劳最为严重，通常都是在焊根和焊趾两个位置发生，一旦焊根部位的疲劳裂纹启裂的危险被抑制，焊接接头的危险点则集中于焊趾部位。许多方法可以用于提高焊接接头的疲劳强度，① 减少或消灭焊接缺欠特别是开口缺陷；②改善焊趾部位的几何形状降低应力集中系数；③调节焊接残余应力场，产生残余压缩应力场。

2.1 改善焊趾几何形状降低应力集中的方法

2.1.1 TIG熔修

国内外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接头的疲劳强度，这种方法是用钨极氩弧焊方法在焊接接头的过渡部位重熔一次，使焊缝与基本金属之间形成平滑过渡。减少了应力集中，同时也减少了该部位的微小非金属夹渣物，因而使接头部位的疲劳强度提高。

熔修工艺要求焊枪一般位于距焊趾部位0.5～1.5mm处，并要保持重熔部位洁净，如果事先配以轻微打磨效果更佳。重要的是重熔中发生熄弧时，如何处理重新起弧的方法，因为这势必影响重熔焊道的质量，一般推荐重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm处，最近国际焊接学会组织欧洲一些国家和日本的一些焊接研究所，采用统一由英国焊接研究所制备的试样进行了-些改善接头疲劳强度方法有效性的统一性研究，证实经该方法处理后该接头的2×106循环下的标称疲劳强度提高58%，如果将得到的211MPa的疲劳强度标称值换算成相应的特征值（K指标）为144MPa。它己高出国际焊学会的接头细节疲劳强度中的最高的FAT值。

2.1.2 机械加工

若对焊缝表面进行机械加工，应力集中程度将大大减少，对接接头的疲劳强度也相应提高，当焊缝不存在缺陷时，接头的疲劳强度可高于基本金属的疲劳强度。但是这种表面机械加工的成本很高，因此只有真正有益和确实能加工到的地方，才适宜于采用这种加工。而带有严重缺陷和不用焊的焊缝，其缺陷处或焊缝根部应力集中要比焊缝表面的应力集中严重的多，所以在这种情况下焊缝表面的机械加工是毫无意义的。如果存有未焊透缺陷，因为疲劳裂纹将不在余高和焊趾处起始裂，而是转移到焊缝根部未焊透处。在有未焊透缺陷存在的情况下，机加工反而往往会降低接头疲劳强度。

2.2 调整残余应力场产生压缩应力的方法

2.2.1 预过载法

假如在含有应力集中的试样上施加拉伸载荷，直到在缺口处发生屈服，并伴有一定的拉伸塑性变形，卸载后，载缺口及其附近发生拉伸塑性变形处将产生压缩应力，而在试样其它截面部位将有与其相平衡的低于屈服点的拉伸应力产生。受此处理的试样，在其随后的疲劳试验中，其应力范围将与原始未施加预过载的试样不同，即显著变小，因此它可以提高焊接接头的疲劳强度。研究结果表明，大型焊接结构（如桥梁、压力容器等）投入运行前需进行一定的预过载试验，这对提高疲劳性能是有利的。

2.2 挤压法

局部挤压机制与点状加热方法相同，即均是靠压缩残余应力提高接头疲劳强度。但是其作用点是不同的，挤压位置应位于需要产生残余压缩应力的位置。高强钢试样采用挤压法其效果比低碳钢更为显著。

结束语

总之，焊接转向架的焊接构架作为铁道运输的关键部件，其不仅承担着铁道车辆的重量以及震动带来的荷载，还影响列车行驶安全。因此，在焊接的过程中，我们要采用科学、严谨的焊接工艺，改善焊接接头处的疲劳强度，提高焊接转向架运行的可靠性以及使用寿命，为我国铁路事业的发展提供有力的设备基础。

参考文献

[1]陶传琦.焊接转向架典型焊接结构疲劳性能与焊接工艺研究[D].中南大学，2010.

[2]兰东琳.客车转向架典型焊接接头疲劳性能及其影响因素研究[D].北京交通大学，2007.

[3]邹定强，申宏伟.提速转向架焊接接头疲劳强度及宏微观分析[C]//中国铁道学会提速机车车辆材料工艺学术研讨会，2009.endprint