（车辆工程专业论文）焊接转向架典型焊接结构疲劳性能与焊接工艺研究.pdf

摘要 转向架是铁道车辆走行部的关键构件，承担着车体重量和轨道振 动带来的循环载荷作用，其抗疲劳性能直接影响到列车的行驶安全。 焊接转向架刚度大、焊缝数量多且分布复杂，其中主要承力焊缝大都 为t 型角焊缝，如构架侧梁立板与盖板之间的焊缝、横梁套管与侧梁 立板之间的焊缝、定位座与侧梁盖板之间的焊缝等。通常，角焊缝的 疲劳强度远低于相应的对接焊缝的疲劳强度。对于熔透型t 字角焊缝 来说，疲劳破坏一般启裂于接头的焊趾部位，如果能改善焊趾处的启 裂性能，将有效改善焊接接头的疲劳强度，提高焊接转向架运行可靠 性和使用寿命。 本文以转向架典型的焊接结构为研究对象，采用不同工艺参数对 常见转向架焊接接头方式进行了焊接、力学实验、金相分析等集合 实验分析研究，从实验方法、焊接工艺参数、焊缝形式的多种组合及 不同材料、不同板厚等完成了系列化工艺研究，其研究成果已经成功 应用于转向架焊接工艺设计。 关键词转向架，焊接结构，焊缝，疲劳性能，工艺方法，可靠性 a b s t r a c t b o g i ei st h ek e yc o m p o n e n to f r a i lv e h i c l e ，b e a r i n gt h eb o d yw e i g h t a n dt h ev i b r a t i o no ft h ec y c l i cl o a d i n gc a u s e db yt h et r a c k ，i t sa n t i - f a t i g u e p r o p e r t i e si sad i r e c ti m p a c to nt h es a f e t ) ro ft r a i nt r a v e l t h ew e l d i n go f b o g i e i sc h a r a c t e r i z e da s b i gs t i f m e s s ， l o t so fw e l d sa n dc o m p l e x d i s t r i b u t i o n a m o n gt h e s ew e l d s ，m o s to f t h el o a d sw e r ec a r r i e db yt - t y p e f i l l e tw e l d s ，s u c ha st h ew e l d sb e t w e e nt h e 仔a m es i d ep l a t ea n dt h ec o v e r b o a r d ，b e a m sc a s t i n ga n ds i d ep l a t e ，p o s i t i o n i n gs e a ta n dt h es i d eb e a m c o v e rb o a r de t c t y p i c a l l y t h ef a t i g u es t r e n 酉ho ff i l l e tm u c hl o w e rt h a n t h ec o r r e s p o n d i n gf i a t i g u es t r e n 舀ho fb u t tw e l d s i ng e n e r a l ，t h ef a t i g u e c r a c ki n i t i a t i o ni nt h ew e l dt o ef o rt h ep e n e t r a t i o n - t ) ，p et - f i l l e t i fw ec a i l i m p r 0 v et h ea n t i c r a c ki n i t i a t i o np e r f o m a n c eo nt h ew e l dt o e ，w ew i l l i m p r o v et h ef a t i g u es t r e n 舀ho fw e l d e dj o i n t se f f e c t i v e l y ，a n di m p r o v em e r e l i a b i l i t ya n d l i f eo fw e l d e db o g i e s i nt h i sp 印e r t h ee f r e c t so ft h ew e l d i n g p r o c e s sf a c t o r so nt h eb o g i e s c o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a lp r o p e n i e sa n df 撕g u ep e r f o m a n c ew e r em a i n l y s t u d i e d ，i 1 1 c l u d i n gt h ep u 打t ) ra n dr a t i oo ft h em i x t u r es h i e l dg a s ，w e l d i n g m a t e r i a l s ，w e l d i n gp a r a m e t e r s ，w e l dg r o o v ef o 肌，w e l ds u r f a c et i e a t m e n t s t a t u s ，a sw e l la st h es u r f a c es h a p eo ft h ew e l d t h er e s u l t sw i l lp r o v i d e t h ee x p e r i m e n t a ld a t af o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h eb o g i ew e l d e d f 锄eo f h i g h s p e e dp a s s e n g e r c a r k e yw o i s b o g i e ，w e l d i n gs t m c t u r e ，w e l d i n gl i n e ，f a t i g u e p e r f o r m a n c e ，p r o c e s st e c l l l l i c s ， r e l i a b i l i t y u 中南人学。l ：稃硕十学何论文第一章绪论 1 1 选题的意义与课题来源 第一章绪论 在我国七十年代木，高速客车焊接转向架焊接接头在承受强烈振动和冲击载荷的作 用下发生疲劳断裂，给企业造成了巨大的经济损失。 转向架是铁道车辆上最重要的部件之一，它直接承载车体重量，保证车辆顺利通过 曲线。铁道车辆转向架长期以来一直采用铸钢构架和摇枕作为重要承载传递装置，但随 着铁道高速化的发展，对转向架提出了高速及轻量化的要求l l 】。特别是高速转向架取消 了摇枕，采用空气弹簧结构，需求高强度结构的附加气室，而利用在焊接结构的构架中 增加的密封附加气室，较好的满足了列车制动的需求，且焊接构架可以根据需要选用高 强度并具有良好的焊接性能的材料，相应地减薄板厚，实现轻量化要求，因此焊接转向 架在高速列车中得到了广泛应用。构架作为转向架重要承载传递装置，直接影响到列车 的安全行驶，特别在高速运行状态下，强烈的振动和冲击载荷作用在构架上，构架的疲 劳性能和可靠性尤为重要【2 】。构架作为转向架的重要部件是承载和传力元件，也是转向 架上其它部件的安装定位基础，在传统的构架设计中往往只考虑在静强度条件下有足够 的强度与刚度。然而构架在实际的运行当中由于长期承受振动交变载荷，容易在焊接接 头等变截面结构比较薄弱处产生应力集中现象，这些应力集中区在交变应力作用下容易 产生裂纹，当裂纹加剧并扩散到一定程度时将威胁运输安全，甚至将出现严重的事故造 成重大的经济损失p j 。因此在对焊接构架的疲劳分析的基础上合理改进构架结构，以防 患于未然，具有重大的工程实用价值。如何提高转向架焊接构架的疲劳强度、提高使用 寿命就成为目前工程生产中突出的问题1 4 j ，故，研究转向架的焊接工艺是保障转向架品 质的必要技术手段。 本课题来源于四方机车车辆股份公司焊接转向架的工程需要，该课题的研究为高速 客车转向架焊接构架的设计与制造提供详尽的实验数据和科学的试验研究方法。 1 2 铁道客车转向架技术及其发展现状 转向架技术属于轨道交通装备制造业特有的技术领域。转向架直接参与轮轨相互作 用，是决定列车走行性能最关键的部件【5 1 。各国的高速列车都有特定型号的转向架，既 要与其总体模式相兼容，又要提供更高的乘车安全性，使列车的牵引和制动，减震降噪， 载荷的传递与分配导向及曲线通过性能和运行平稳性能达到良好的统一。各国提高列车 l 中南大学_ 程硕十学位论文第一章绪论 走行性能的研究都以开发转向架为先掣6 1 。“稳定性是评转向架走行性能最重要的指标， 车辆一旦失稳，轮对对钢轨产生严重的横向冲击，轻则毁坏车轮和钢轨，导致车体严重 振动，重则造成轨距扩大、车辆脱轨的行车事故。速度越高，研制满足“稳定性”要求的 转向架越难【7 】o 图l l2 5 t 型客车焊接转向架 图卜22 0 6 g 铸钢转向架 2 中南人学t 程硕十学位论文第章绪论 近年来，同本一直致力于开发第3 代高速转向架，其目标运营速度为 3 0 0 k m l 】一3 5 0 k n l 1 1 还研制出了旋转车轮转向架和带主动悬挂的转向架。与此同时，同本 铁路东海客运公司开发的3 0 0 x 高速车。3 0 0 x 采用了d t 2 0 5 转向架，其结构与3 0 0 系 相似，最高运行速度为3 5 0 k n l l l 。在转向架构架方面，无论是其结构还是工艺方面与欧 洲都有所不同i 引。日本是最早使用空气弹簧的国家，并首创利用调节空气弹簧中的阻尼 孔的大小来代替二系垂向液压转向架，同时也是最早采用无摇枕转向架的国家之一。高 速转向架的轻量化一直是开发新型转向架所追求的目标，日本的高速转向架及车体在减 重方面自始至终处于世界领先地位【9 j 。 德国从1 9 9 1 年开通了i c e 系列高速列车，其转向架一系悬挂采用了双圆簧和单向 双层拉板定位，中央悬挂由摇动台，摇枕、摩擦旁承和中心销组成【。为了保证其可靠 性，中央悬挂仍采用钢圆簧，摇枕的纵向定位采用橡胶缓冲座，在构架的两侧设有磨耗 板，牵引力的传递采用中心销模式。为了进一步改善m d 5 3 0 型转向架的动力学性能， 压a n 公司在9 0 年代初研制成功带轮对耦合副构架的转向架和采用碳纤维轻型构架的独 立旋转车轮转向架，2 台高速转向架均采用了空气弹簧【l 。 我国铁路客车从2 0 世纪5 0 年代的2 l 型客车发展到现在的2 5 型客车，不论是在车 体钢结构，车内装饰，车内设备，还是转向架方面均取得了长足的进步，科技含量越来 越高。客车最高运行速度从5 0 年代的1 0 0 逐步提高到1 2 0 ，1 6 0 ，直至2 0 0 ，客车最高 试验速度从7 0 年代末的1 6 0 逐步提高到1 8 7 ，2 1 2 6 ，2 3 9 7 ，3 2 1 5 。客车运行速度之所 以能不断提到，试验速度不断被刷新，关键在于技术先进，参数匹配，性能优良，运用 安全可靠的客车转向架。在这5 0 多年中，先后研发的转向架与相应客车相继投入运用： 与2 l 型客车相对应的转向架有1 0 1 型，1 0 2 型等；与2 2 型客车相对应的转向架有2 0 2 型，2 0 6 型，2 0 9 型等；与2 5 a ，2 5 g ，2 5 b 型客车相对应的转向架有2 0 9 t 型，2 0 9 改 型，2 0 9 p k 型，2 0 6 k 型，2 0 6 g 型等；与2 5 z 型准高速客车及2 5 k 型快速客车相对应 的转向架有c w 2 型2 0 6 k p 型，2 0 6 w p 型2 0 9 h s 型等，；与2 5 t 型提速客车相对应 的转向架有c w _ 0 0 k 型，s w _ 2 2 0 k 型，与b s p 2 5 t 型提速客车相对应的转向架有 a m 9 6 型，s n 2 0 型；时速2 0 0 及以上速度的客车转向架( 含动力分散型) 有以下几 种【1 2 j ：( 1 ) 由长春客车厂研制的时速2 5 0 试验型高速客车转向架；( 2 ) 由四方厂研制 的时速3 0 0 试验型铰接式高速客车转向架；( 3 ) 由于1 9 9 8 年6 月郑武线时速2 0 0 综合 试验和时速2 0 0 电动车旅客列车组的c 心o o ，s w _ 0 0 ，p w _ o o 型转向架； ( 4 ) 用于时速2 0 0 的“先锋”号动力分散型电动车组的动力转向架和非动力转向架；( 5 ) 用 于时速2 7 0 的“中华之星”号动力集中型电动车组的拖车c w 一3 0 0 型和s w 一3 0 0 型转向 中南人学工程硕士学位论文 第一章绪论 架等5 类，9 种型号转向架n 引。 图卜3 客车落成的焊接转向架 图卜42 0 6 g 客车落成的铸钢转向架 在这5 0 多年中，特别是近1 0 年来，我国铁路客车转向架技术进步是十分显著的， 在充分肯定这些年来的成绩的同时，回顾发展过程中曾出现的问题，也是十分必要和有 4 中南火学工程硕士学位论文第一章绪论 益的，特别是开通动车组以来，由于转向架焊接接头发生疲劳断裂，造成了大量的经济 损失。因此深入研究改善焊接结构及接头疲劳性能的工艺方法是提高转向架运行可靠 性，延长其使用寿命的一项关键技术n 。 1 3 焊接构架焊缝结构特点及提高可靠性的措施 焊接转向架的焊接构架是铁道车辆走行部的关键构件，属典型的重载焊接结构，承 担着车体重量和轨道振动带来的循环载荷作用，其抗疲劳性能直接影响到列车的行驶安 全。焊接转向架焊接构架刚度大、焊缝数量多且分布复杂，其中主要承力焊缝大都为t 型角焊缝，如构架侧梁立板与盖板之间的焊缝、横梁套管与侧梁立板之间的焊缝、定位 座与侧梁盖板之间的焊缝等。通常，角焊缝的疲劳强度远低于相应的对接焊缝的疲劳强 度。对于熔透型t 字角焊缝来说，疲劳破坏一般启裂于接头的焊趾部位，如果能改善焊 趾处的启裂性能，将有效改善焊接接头的疲劳强度，提高焊接转向架运行可靠性和使用 寿命。 目前，国内外对提高焊接结构疲劳强度主要采取以下几方面措施： ( 1 ) 改善焊接工艺，减少或消除焊接缺陷，特别是各类裂纹缺陷； ( 2 ) 改善焊趾部位几何形状，降低应力集中系数： ( 3 ) 调整焊接接头残余应力场，形成残余压缩应力状态。 图卜5 焊接构架组成图 中南大学：j ：程硕士学位论文第一章绪论 1 4 研究目标、内容及方法 图卜62 0 6 g 铸钢构架图 为有效地提高焊接转向架的抗疲劳性能，杜绝焊接转向架产生此类质量问题，拟通 过工艺试验的方式进行焊缝疲劳性能研究，并提出有效的结构与工艺改进方案。 本论文研究内容如下： 1 保护气体混合比例及纯度对接头疲劳性能的影响； 2 焊接材料对接头疲劳性能的影响； 3 焊接工艺参数对接头疲劳性能的影响： 4 焊缝表面处理( t i g 重熔) 对接头疲劳性能的影响； 5 焊缝坡口形式对接头疲劳性能的影响； 6 焊接表面形状对接头疲劳性能的影响。 研究中使用的主要方法有： 1 理论研究与试验研究； 2 通过系列工艺试验及性能试验来确定相关的技术参数，在保证结构强度的基础 上，采用新技术、新工艺、新材料，优化焊接接头的结构形式，以达到提高焊缝 的抗疲劳强度性能的目的； 3 通过对技术参数的分析比较，确定提高焊缝疲劳性能的有效方法。 6 中南人学厂稃硕十学何论文第：二章改善客乍转向架疲哆，性能的方法 第二章改善客车转向架疲劳性能的方法 本章节中，我们首先对影响客车转向架疲劳性能的因素和改善客车转向架疲劳性能 的方法进行分析，然后结合四方目前客车转向架焊接构架的生产实际，制定相应的改善 方法。 2 1 影响焊接结构疲劳性能的因素 2 1 1 接头类型 焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、t 形接头和搭接接头，在接头部位 由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。 对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头 形式。具有余高的对接接头，应力集中主要发生在焊趾处。具有永久垫板的对接接头由 于垫板处形成严重的应力集中，降低了接头的疲劳强度，疲劳裂纹一般从焊锋和垫板的 结合处产生，其疲劳强度与不带垫板的最差外形对接接头的疲劳强度相等【l5 1 。 十字接头或t 形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。在这种承力接头中，由于在 焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中 系数高，因此十字或t 形接头的疲劳强度要低于对接接头。对未开坡口的用角焊缝连接 的接头和局部熔透焊缝的开坡口接头，当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在 两个薄弱环节上，即基本金属与焊缝趾端交界处或焊缝上i i6 1 。对于开坡口焊透的的十字 接头，断裂一般只发生在焊趾处，而不是在焊缝处。焊缝不承受工作应力的t 形和十字 接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要受力板交界处的应力集中，t 形接头具有较高的 疲劳强度，而十字接头的疲劳强度较低。提高t 形或十字接头疲劳强度的根本措施是开 坡口焊接，并加工焊缝过渡处使之圆滑过渡i ln 。 搭接接头的疲劳强度是很低的，这是由于力线受到了严重的扭曲。采用所谓“加强” 盖板的对接接头是极不合理的，由于加大了应力集中影响，采用盖板后，原来疲劳强度 较高的对接接头被大大地削弱了。对于承力盖板接头，疲劳裂纹可发生在母材，也可发 生在焊缝，另外改变盖板的宽度或焊缝的长度，也会改变应力在基本金属中的分布，因 此将要影响接头的疲劳强度，即随着焊缝长度与盖板宽度比率的增加，接头的疲劳强度 增加，这是因为应力在基本金属中分布趋于均匀所致【1 8 】。 由于焊接结构中的对接接头和t 形接头的疲劳性能较好，因此，在焊接转向架的构 中南人学一i ：稃硕+ 学位论文第：二章改善客乍转向架疲劳性能的方法 架焊接接头中大量采用的是对接接头和t 型接头，故也是本试验中研究的重点接头结 构。 2 1 2 焊缝形状 无论是何种接头形式，它们都是由两种焊缝连接的，对接焊缝和角焊缝。焊缝形状 不同，其应力集中系数也不相同，从而疲劳强度具有较大的分散性。 对接焊缝的形状对于接头的疲劳强度影响最大。( 1 ) 过渡角的影响y 锄a g u c h i 等 人建立了疲劳强度和基本金属与焊缝金属之间过渡角( 外钝角) 的关系。试验中w ( 焊缝宽 度) 和h ( 高度) 变化，但l l w 比值保持不变。这意味着夹角保持不变，试验结果表明，疲 劳强度也保持不变。但如果w 保持不变，变化参量h ，则发现h 增加，接头疲劳强度降 低，这显然是外夹角降低的结果。( 2 ) 焊缝过渡半径的影响s a n d e r 等人的研究结果表明 焊缝过渡半径同样对接头疲劳强度具有重要影响，即过渡半径增加( 过渡角保持不变) ， 疲劳强度增加i i9 。 角焊缝的形状对于接头的疲劳强度也有较大的影响。当单个焊缝的计算厚度a 与板 厚b 之比a b o 7 时，一般断于基本金属。但是 增加焊缝尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内有效。因为焊缝尺寸的增加并不能改变 另一薄弱截面即焊趾端处基本金属的强度，故充其量亦不能超过该处的疲劳强度【2 0 1 。 因此，通过工艺的改进，制造出合适的焊缝形状，对于提高焊缝的疲劳性能具有非 常重要的意义，是本课题研究的方向之一。 2 1 3 焊接缺陷 焊趾部位存在有大量不同类型的缺陷，这些不同类型的缺陷导致疲劳裂纹早期开裂 和使母材的疲劳强度急剧下降( 下降到8 0 ) 【2 1 1 。焊接缺陷大体上可分作两类：面状缺 陷( 如裂纹、未熔合等) 和体积型缺陷( 气孔、夹渣等) 。面缺陷对疲劳强度的影响较大， 带裂纹的接头比占同样缺陷面积比率带有气孔的接头，疲劳强度下降较多，前者约为后 者的8 5 。未熔合缺陷有时为表面缺陷，有时为内部缺陷，可以是局部性质的，也可以 是整体性质的。未熔合虽然只有5 ，但疲劳强度显著降低，而且随未熔合面积的增大， 疲劳强度降低的快慢并不一样，这主要是应力集中程度不同的结果【2 2 】。 体缺陷对疲劳强度的影响较小，因为大多数体缺陷都是埋藏的，但是如果缺陷露出 表面或接近表面时，其疲劳强度的降低要比深埋的明显。如果体缺陷中的夹渣形成尖锐 刻槽，则影响也相当大。球状夹渣和气孔对疲劳强度的影响较小。 由此可知，减少焊接缺陷是提高焊接结构的疲劳性能的有效手段，而通过选用与焊 接母材相匹配的焊接材料，选择先进的焊接工艺方法，选用最佳的焊接工艺参数，就可 中南人学啊犟硕+ 学位论文 第二：章改善客7 f 转向架疲劳性能的方法 大幅降低产生焊接缺陷的概率，从而达到提高焊缝的疲劳性能的目的，是本课题研究的 重点。 2 2 改善焊接结构疲劳性能的方法 焊接接头疲劳裂纹萌生和启裂的位置一般存在于焊根和焊趾两个部位，如果焊根部 位的疲劳裂纹启裂危险被抑制，焊接接头的危险点则集中于焊趾部位【2 5 l 。目前，各种用 于改善和提高焊接接头疲劳强度的工艺方法主要为了解决：消除焊接缺欠特别是开口 缺陷；改善焊趾部位的几何形状、降低应力集中系数；调节焊接残余应力场，产生 压缩应力场。通过许多国内外科研工作者和焊接工程技术人员的不懈努力和工作，创造 出许多改善焊接接头疲劳强度的工艺方法1 2 6 j 。以下做以简单介绍： 1 ) 焊接过程优化方法 此法主要采用最优的焊接工艺，在焊接过程中通过控制焊接缺陷的产生、改善几何 形状、优化焊接顺序、焊趾冶金处理、焊趾几何形状来提高焊接结构疲劳强度有极大的 益处，同时对焊接结构的静载强度、焊接接头的冶金性能等各方面都有极大的益处。 2 ) 改善焊趾几何形状降低应力集中的方法 t i g 熔修 t i g 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。 由于焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对其承受动载能力的要求越来越高， 因此发展及推广应用改善焊接接头疲劳性能的新技术对推动焊接结构的应用意义重大。 相对而言，国内外最新发展起来的超声冲击技术以及使用低相变点焊接材料来提高焊接 接头疲劳强度的方法是焊接结构疲劳性能改善技术与工艺的重要研究方向【2 9 1 。 结合四方目前客车转向架焊接构架的结构特点，在本试验中重点进行焊接过程优化 方法、改善焊趾几何形状降低应力集中的方法( t i g 熔修) 等方面的研究工作，即采用 模拟结构试件，以工艺试验的方式，确定提高焊缝疲劳性能及焊接工艺性能的保护气体 的最佳混合比例；选择能有效提高焊缝疲劳性能的焊接材料；选择适合我公司产品结构 与材料的最佳工艺参数；研究焊接接头结构对焊缝疲劳性能的影响，选择合理的基本结 构形式；研究开发提高结构疲劳性能的表面处理工艺；研究焊缝结构对焊缝疲劳性能的 影响，选择合理的焊缝断面形式；并通过对以上试验结果的对比分析，制定相应的改善 方法。 9 中南人学t 稗硕十学位论文 第三章试验方案 第三章试验方案 客车转向架焊接构架采用的材料通常为s t 5 2 3 、q 3 4 5 c 、q 3 4 5 e 等低合金结构钢， 焊接性能较好，板厚在1 2 r i u i l 1 4 n u n 之间，焊缝接头形式通常为对接接头和t 形接头， 坡口角度通常分3 0 0 、4 5 0 、5 5 0 三种形式。在本方案中拟采用板厚为1 4 i m n 的s t 5 2 3 作为试验的结构材料，制作模拟结构试件，并根据铁标及铁路客车转向架焊接构架的制 造、检验技术条件的规定要求，进行相应的接头质量检验、接头的机械性能试验、接头 的疲劳性能的试验等，并通过试验结果的分析对比，研究保护气体混合比例及纯度、焊 接材料选配、焊接工艺参数、焊缝坡口形式、焊缝表面处理( 打磨、t i g 重熔) 状态、 焊缝表面形状等因素对焊接接头常规力学性能和疲劳性能的影响规律，为高速客车转向 架焊接构架的设计与制造工艺的改善提供实验数据。 3 1 试验及检验方法 3 1 1 接头质量检验 接头质量检验的目的是考察接头外观和内部的焊接缺陷情况，进而评定所用焊接工 艺是否合理以及提出改进措施。 用肉眼或低倍放大镜检查焊缝成形、表面裂纹及气孔以及未焊透等宏观缺陷，微观 检验采用4 x 型金相显微镜，检查焊缝、熔合区及热影响区是否存在内部裂纹、气孔、 夹杂以及未熔合等。焊接缺陷，同时观察分析接头各区的显微组织，以此评价焊接工艺 条件的影响。超声波探伤检查按g b “3 4 5 8 9 标准、磁粉检验按j b 厂r 6 0 6 1 9 2 标准的规 定进行。 3 1 2 常规力学性能试验 根据g b 2 6 4 9 8 9 焊接接头机械性能试验取样方法的规定进行取样并加工成试样， 分别进行拉伸、弯曲和冲击试验，评定焊接接头的强度、塑性和冲击韧性【3 0 1 。 ( 1 ) 拉伸试验根据g b 2 6 5 1 8 9 焊接接头拉伸试验方法的规定进行拉伸试验。每 组取三个试样，拉伸试验在w e 3 0 液压式万能试验机上进行。拉伸试样形状及尺寸见 图3 1 。 l o 中南人学 ：程硕十学位论文 第一章试验方案 图3 1 拉伸试样 ( 2 ) 弯曲试验按照g b 2 6 5 3 8 9 焊接接头弯曲及压扁试验方法进行横向弯曲试验， 采用正弯和背弯两种试样，每组试样取两个。弯曲试验在w e 3 0 液压式万能试验机上 进行。弯曲试样形状及尺寸见图3 2 。 图3 2 弯曲试样 ( 3 ) 冲击试验根据g b 2 6 5 0 8 9 焊接接头冲击试验方法的规定进行冲击试验，试样 采用v 型缺口，缺口开在焊缝区和熔合区，考察该部位在不同环境温度下的冲击韧性。 每组取三个试样，冲击试验在j b 3 0 a 型冲击试验机上进行。冲击试样形状及尺寸见图 3 3 。 1 2 5 其身t 呵 焊缱 可 u 忿 一 2 7 5 士0 3 0 拶 。 0 扒 压了正硐 图3 3 冲击试样 l l h 中南大学t 稃硕十学位论文第二章试验方案 3 1 3 疲劳性能试验 ( 1 ) 、对接接头旋转弯曲疲劳试验 根据g b 2 6 5 6 8 1 焊缝金属和焊接接头的疲劳试验法，测定接头在旋转状态下 承受弯曲力矩时的疲劳极限。疲劳试样仍根据g b 2 6 4 9 - 8 9 焊接接头机械性能试验取样 方法的规定进行取样，旋转弯曲疲劳试样的形状和尺寸见图3 4 。疲劳试验条件如下 【1 6 j ： 试验设备：p q 6 a 型弯曲疲劳试验机； 加载方式：利用砝码进行三点弯曲加载( 锄= o ) ； 试样转速：每分钟约3 0 0 0 转； 试验环境：室温、空气干燥，无潮湿及腐蚀性气氛。 本试验采用统计方法一升降法，在3 7 级应力水平下进行，取应力增量o ：1 3 m p a ，循环基数或指定寿命n o = 1 0 7 。每组接头的试样数目为1 0 1 5 个，接头疲劳极 1 晶 以12 = 己v ，q “j = l 限o 1 按下式计算： 式中，v ，表示在第f 级应力q 下进行的试验次数，聆表示试验总次数，肌表示应力 水平的级数，循环应力比，= 一1 。 图3 4 旋转弯曲疲劳试样的形状及尺寸 ( 2 ) t 型接头三点弯曲疲劳试验 比照j b 厂r 7 7 1 6 9 5 焊接接头四点弯曲疲劳试验方法，采用常规试验法对t 型接 头进行三点弯曲疲劳试验。指定寿命选为2 1 0 6 ，测定疲劳寿命为2 1 0 6 的疲劳强度。 在应力水平从高到低的试验过程中，如果第i 个试样在应力s i 作用下未及2 1 0 6 循环发 生破坏，而第i + 1 个试样在应力s i + 1 作用下经2 1 0 6 循环越出，且两个应力差数( s i s i + 1 ) 不超过s i + i 的5 ，则s i 与s i + l 的平均值即为循环基数为2 1 0 6 的疲劳强度或 条件疲劳极限，即： 1 2 中南人学翻掣硕十学何论文 第二章试验方案 p 吉 一川) 三点弯曲加载方式如图3 5 所示。支点的跨度为1 0 0 m m ，振动频率1 0 5 1 1 0 h z 左 右，循环应力比i b 0 4 。试验过程中，当焊趾处出现宏观疲劳裂纹时，卸载停振，记录 循环次数。三点弯曲疲劳试样的形状及尺寸如图3 6 所示。每组试样加工1 0 1 3 个，其 中用于疲劳试验的有效试样个数不得少于7 8 个，其余试样用于静载弯曲破坏试验以及 备用。疲劳试验在1 0 吨程序控制高频疲劳试验机上进行。 3 - 1 。 l z 1 厂 z u 。1 叩。 图3 6 三点弯曲疲劳试样的形状及尺寸 s t 5 2 - 3 钢及其焊接接头的常规力学性能和疲劳性能试验所加工的试样数量见表 表3 1母材及接头力学性能试验所加工试样数量 1 2 + 4 1 2 + 4 1 2 + 4 1 2 + 4 1 2 + 4 1 2 + 4 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 4 4 4 4 4 4 m m m m h l i l l 3i 2 2 2 2 2 2 中南人学j r 稃硕十学位论文 第三章试验方案 1 33221 2 + 4 1 2 + 41 2 1 532 21 2 + 41 2 + 4 1 2 一 1 732 21 2 + 41 2 + 4 1 2 2 73221 2 + 4 1 2 + 41 2 2 一l o + 3 8 一 l o + 3 l o l o + 3 2 0 l o + 3 2 l l o + 3 2 2 一 1 0 + 3 2 3 一 l o + 3 2 4 一 l o + 3 2 5 一 l o + 3 2 6 一 l o + 3 2 8 一 l o + 3 s t 5 2 - 3 321 2 + 41 2 3 2 模拟结构试件 模拟结构试件的制作要求，见图3 7 、图3 8 。 试板编号： 接头类型： 试板规格： 焊接方法： 焊丝： 试板材质： 焊接位置： 试板编号： 接头类型： 试板规格： 焊接方法： 焊丝： 试板材质： 焊接位置： 撑 t 形角接接头 a 1 4 x 3 5 x 3 l o ( m m ) ；b1 4 x 1 8 0 x 3 l o ( m m ) m a g ( 由1 2 衄) s ：r 5 2 3 +s t 5 2 3 船形焊平角焊 撑 平板对接接头 1 4 x 1 0 0 x 3 l o ( m m ) + 1 4 x 1 0 0 x 3 1 0 ( m m ) m a g ( 巾1 2 咖) s t 5 2 3 +s t 5 2 3 平焊 1 4 接头简图：( 坡口角度4 5 0 ) 图3 7 接头简图：( v 型坡口：3 0 0 + 3 0 0 ) d 臼 图3 8 中南大学工程硕士学位论文第四章试验及试验结果分析 第四章试验及试验结果分析 本章以转向架焊接构架常用材料为焊接对象，采用不同的焊接工艺及焊后处理技 术，分六个方面进行了工艺试验及试验结果分析。 4 1 试验材料 制造客车转向架所用钢材为s t 5 2 3 低合金结构钢，板厚为1 4 耻n 。钢板为热轧状 态供货，原始组织为铁素体加珠光体，如图4 1 所示。钢的化学成分和力学性能分别如 表4 1 和表4 2 所示。 图4 一ls t 5 2 3 钢原始组织( 2 0 0 ) 表4 1 试验用钢的化学成分( ) 试验用钢屈服强度髑抗拉强度o b伸长率6弯曲1 8 0 0冲击功心j ) l 塑虫尘! 墅! 堑!丝兰垒竺q 兰兰2 羔：塑竺 一s 墅2 - 3 4 0 l 5 6 0 2 0合格1 2 81 0 67 35 2 焊接接头型式分别对接接头和t 型接头( 图4 2 ) 。焊接方法采用m a g 焊，焊丝 分别选用s m 一7 0 实芯焊丝和f 吼吧7 1 1 药芯焊丝，焊丝直径均为巾1 2 m i n 。 保护气体选用触斗c 0 2 混合气体和c 0 2 气体。经分析测定，不同焊丝、保护气体 以及焊接工艺参数时熔敷金属的化学成分列于表4 3 。 中南人学。1 ：稗硕十学位论文 第四章试验及试验结果分析 iy 7 一订 l b 。 平板对接接头 t 型角接接头 图4 2 焊接接头型式 表4 3 焊接熔敷金属的化学成分( ) 试板焊丝 保护气体焊接参数化学成分 塑：! 竺 丛翌堇i墨呈 l 8 0 a 什2 0 c 0 22 6 0 a0 0 6 1 1 0o 6 2o 0 1 7o 0 1 6 3s m 7 0 8 5 a 什1 5 c 0 2 2 8 v o 0 61 1 lo 6 5 o 0 1 80 0 1 5 57 5 a 什2 5 c 0 2 o 0 61 0 5o 6 0 o 0 1 7o 0 1 5 7t w e - 7 l l 8 0 a 什2 0 c 0 22 6 0 八2 8 vo 0 81 7 4o 7 0 o 0 1 8o 0 1 7 1 1 q 垡丝壁q 三兰鲤垒i q yq ：q z ! ：墨q ：鲤q ：q1 2q ：q ! ! l l 2 4 0 八2 6 v o 0 6 1 1 lo 6 3o 0 1 7o 0 1 5 1 3s m - 7 08 0 a r + 2 0 c 0 2 2 8 0 丸2 9 v o 0 6 l i l 3o 6 3o 0 2 6o 0 1 6 1 5 3 0 0 八3 0 v o 0 61 0 70 6 0 o 0 2 3o 0 1 5 一卫 三三q 垒! 型 q ：竖! ：堂q ：鲤q ：q i qq ：q ! 4 2 保护气体混合比例及纯度对接头疲劳性能的影响 本试验的目的是通过改变加斗c 0 2 混合气体的比例，研究气体配比对s t 5 2 3 钢m a g 焊接头组织与性能的影响规律，选择出适合本公司产品特性的气体混合比。焊接工艺参 数与条件见表4 4 。 表4 4 焊接工艺参数( 不同混合气体比例) 与条件 试板编号焊丝牌号 焊接参数 混合气体 电流电压焊速比例 流量接头类型 f 2f 1 2f ! 型塑! 坠2f 垒! g q 三) f 型翌i 堂 l s m 7 02 6 02 8见附录l l 8 0 a r 2 0 c 0 21 7对接接头 3s m 7 02 6 02 8见附录l 一3 8 5 a r 1 5 c 0 21 7 对接接头 兰璺丛：垫兰垒q兰墨丝堕墨! 二! z 曼! 垒尘! 兰主! 笪q 兰! z 墅垫堡鎏 4 2 1 接头质量检验 经外观检查，编号为l 、3 、5 的对接接头和编号为2 、4 、6 的t 型接头，其焊缝表 面及背面成型良好，无表面裂纹、咬边、表面气孔等缺陷。接头解剖后没有发现夹杂、 中南大学j ：程硕士学位论文 第四章试验及试验结果分析 气孔、裂纹等内部缺陷，焊缝与母材之间以及多层焊缝内的层问熔合良好。对接接头的 宏观照片见图4 3 。 1 聋对接接头 3 静对接接头 2 撑t 型接头 5 # 对接接头 图4 3 接头宏观形貌 接头的微观组织如图4 - 4 所示。焊缝组织为粗大柱状的先共析铁素体，周围区域分 布着针状铁素体以及少量珠光体。熔合区及h a z 过热区通常是接头的薄弱部位，此区 域的组织特征为：先共析铁素体沿原始奥氏体晶界析出，并向晶内生长形成针状及块状 铁素体，呈贝氏体铁素体形貌特征，此外还有部分珠光体。比较l 、3 、5 号试样，其微 观组织相差不大。 1 7 飘 中南人学1 ：稗硕+ 学位论文 第四章试验及试验结果分析 ( 1 ) 焊缝金属 ( 2 ) 熔合线附近 ( 3 ) h a z 过热区 a ) 1 # 试样 ( 1 ) 焊缝金属 ( 2 ) 熔合线附近 ( 3 ) h a z 过热区 b ) 3 群试样 1 8 ( 1 ) 焊缝金属 ( 2 ) 熔合线附近 ( 3 ) h a z 过热区 c ) 5 襻试样 图4 4 对接接头微观组织 力学性能试验主要包括拉伸试验、弯曲试验和冲击试验等，用来考核接头的强度、 塑性和冲击韧度。对接接头的常规力学性能试验结果列于表4 5 和表4 6 。 表4 5 对接接头拉伸与弯曲试验结果 试板混合气体比例屈服强度僻 抗拉强度曲伸长率弯曲1 8 0 。( d - 2 a ) 拉伸试样 塑兰! 垒堡生 ! 垒堡垒2塑堑2垂奎笪蔓 堕型垡矍 ( 3 9 2 ) ( 5 2 6 )( 1 6 ) ( 3 9 2 ) ( 5 2 4 )( 1 6 ) 3 9 5 5 3 11 7 3 8 4 5 3 l1 3合格合格焊缝 3 8 8 5 3 21 6 - - l - - - - _ - l _ - _ i _ - _ _ i _ _ _ - - - - i i - - _ _ - _ - 1 9 缝焊格& 日格& 口 巧：2 8 o l ” 钌 够 7 7 2 强 斡 拇 缝 焊 格& 口格& 口 ：2 b 堪 3 l 7 珐轮 钇 奶昭 1 j 1 j 3 中南人学+ r 稗硕十学位论文第四章试验及试验结果分析 ( 3 8 9 )( 5 3 1 )( 1 5 ) s t 5 2 3 母材 ( 4 0 1 )( 5 6 0 )( 2 0 ) _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ - - i - _ - i l - _ - _ _ l - - _ _ - - - - _ i - l - - - _ l _ - - - _ l l i _ - l - i - _ _ - - - _ _ i h _ _ i _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ 一 表4 6 对接接头冲击韧性试验结果 试板 v 型缺u冲击功( j ) 编吁位置2 0 0 2 9 - 4 0 w m 1 3 3 ，1 4 8 ，1 3 5 1 0 7 ，1 1 2 ，9 48 9 ，7 8 4 83 5 ，1 9 ，5 5 l ( 1 3 9 )( 1 0 4 )( 7 2 )( 3 6 ) f z 1 5 7 1 5 8 1 9 6 1 4 5 ，1 8 5 ，1 4 5l o l ，1 1 0 ，3 63 9 ，6 l ，2 4 ( 1 7 0 )1 5 8 )( 8 2 )( 4 1 ) w m 1 3 8 1 3 3 ，1 2 6l o l ，1 0 8 1 0 74 5 5 9 ，1 0 64 5 。2 0 ，2 9 3 1 3 2 )( 1 0 5 ) 7 0 )( 3 1 ) f z 1 4 7 ，1 6 3 ，1 6 71 6 5 ，1 5 0 1 4 58 0 ，4 0 6 64 8 3 2 ，6 3 ( 1 5 9 )( 1 5 3 )( 6 2 )( 4 8 ) w m 1 5 8 ，1 6 6 ，1 2 4 1 1 8 ，1 0 6 ，1 1 57 3 ，8 2 ，5 65 4 ，4 0 ，1 9 5 ( 1 4 9 )( 1 1 3 )( 7 0 )( 3 8 ) f z 1 6 0 ，1 4 8 ，1 6 61 2 8 ，1 2 0 ，1 3 88 9 ，4 7 ，8 44 7 ，3 9 ，4 6 ( 1 5 8 )( 1 2 9 )( 7 3 )( 4 4 ) s t 5 2 - 3 1 2 2 ，l l6 1 4 5 1 0 4 1 0 4 ，l l o6 8 ，7 2 ，7 86 9 。2 2 ，“ 注l ：w m 一焊缝金属，f z 烙合区。( 后同) 注2 ：( ) 内为算术平均值。( 后同) 由表4 5 可见，不同混合气体比例时，m a g 焊接头的强度和塑性基本相同。拉伸 试件破断在焊缝区，表明焊缝金属的强度不及s t 5 2 3 母材金属，但与母材拉伸性能相 比，接头的平均强度系数( 曲j 曲b ) 仍可达9 4 以上。拉伸试件破断部位具有明显的 颈缩现象，属于典型的延性断裂。弯曲试样经1 8 0 0 正弯和背弯后，经检查接头完好，判 定合格。接头的冲击试验结果见表4 6 。显然，在2 9 以上，三种接头的冲击功都与母 材相近，高于工程要求的2 7 j 最低值。只有在- 4 0 下，每种接头均有一个试样焊缝区的 冲击功低于2 7 j ，但也达到了规定值( 2 7 j ) 的7 0 ，故可以判定为合格。 4 2 2 接头疲劳性能 不同保护气体比例时对接接头的旋转弯曲疲劳试验结果列于表4 7 。由表4 7 可知， 一 格& 口格a u 9 o o l 2 2 4 7 8 5 6 5 5 5 5舛眵 3 4 3 中南人学r ：稗硕十学位论文第四章试验及试验结果分析 a r + c 0 2 混合气体中，随着c 0 2 气体比例的增加，接头在循环基数为1 0 7 的疲劳极限有 所降低。但与s t 5 2 3 母材相比，接头的疲劳极限与母材疲劳极限之比仍在9 0 左右。 焊缝熔敷金属的化学成分分析结果表明，随着c 0 2 比例的增加，熔敖金属含碳量及其它 合金元素含量变化很小，所以不是引起疲劳极限略有降低的原因，而很有可能是由于电 弧气氛氧化性增强而使焊缝含氧量增加所致【3 l l 。 表4 7 不同混合气体比例时对接接头疲劳试验结果( r 一1 ) 。 试扳混合气体比例 试验循环j 衄力 循环周次疲劳极限 ( o i ) j ( o 1 ) b 坌竺查鲨f 丛坠! 婪!( 丛坐 3 3 41 0 2 5 6 1 0 6 8 0 a r + 2 0 c 0 2升降法 3 2 i 3 0 8 2 9 5 2 8 2 2 6 9 2 5 6 3 2 l 3 0 8 2 9 5 2 8 2 1