提高焊接转向架安全性能的建议

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

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，