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提高焊接轉向架安全性能的建議

作者:孫周明  來源:戚墅堰機車車輛工藝研究所 
評論: 更新日期:2021年07月06日

提速客車轉向架(CW-1(2)、206KP(WP)SW160、209HS)構架大部分都是由鋼板焊接而成,對焊縫性能方面的質量要求極高。轉向架構架受到動載荷相當大,構架的損壞絕大多數是由于焊縫處的疲勞裂紋引起,因而焊縫是構架耐久性的薄弱環節。在轉向架構架的設計制造時,必須重視提高焊縫的疲勞強度。通過對四個廠的評估發現,目前轉向架構架焊接工藝還不能完全滿足設計要求,構架焊縫的質量較差,焊縫的疲勞強度普遍偏低,直接影響到構架的壽命。就提高焊接轉向架疲勞強度方面提出以下個人觀點和建議:

一、提高焊接構架的設計質量,降低構架的制造難度

在焊接構架的設計時,工藝人員應積極配合設計人員,使焊縫的設計更合理,焊接工藝性更好。同時設計人員應參與焊接工藝評審和評定工作,以驗證焊接工藝能否達到設計要求。從而使焊接接頭的設計和焊縫布局更趨合理。

1、構架焊縫的設計和構架焊接應注意以下幾個問題:

⑴應保證構架上的作用力均勻分布,避免不必要的應力集中;

⑵受力大的部位和拉應力區,盡量不布置焊縫,對不可避免的焊縫應盡量布置在低應力區或受壓應力區;

⑶拉應力區的角焊縫應設計成雙角焊縫或單邊V型焊透焊縫 ,壓應力區的焊縫設計成單邊V型焊縫;

⑷對截面變化較大的部位應采取較大的過渡半徑,去除棱邊和溝槽等,避免急劇的截面過渡;

⑸側梁、橫梁設計時,應盡量減少焊縫,上、下蓋板對接等焊縫,應采用為全焊透焊縫,并要注明焊縫的探傷方法和標準;

⑹當不同板厚進行對接接頭設計時,應對厚板部分進行削平處理,并對焊縫進行打磨處理,使焊接處圓滑過渡;

⑺構架主要焊縫的表面質量要保證,要通過優化焊接工藝和焊后焊縫表面處理工藝,改善焊縫表面的幾何形狀,減少焊縫表面的應力集中和表面缺陷;

⑻提高構架的焊縫質量,消除焊縫表面和內在的缺陷。

2、為了提高構架的疲勞強度,在焊接構架設計和構架生產時還應注意:

⑴優先選用對接焊縫,盡可能少用角焊縫;

⑵采用角焊縫時,最好采用雙面焊縫,避免使用單面焊縫;

⑶角焊縫焊接時,特別是側梁、橫梁、搖枕等角焊縫應盡量采用船形位置進行焊接,實現理想的凹型焊縫;上、下蓋板等部位的端面焊縫,焊接時盡量采用不等腰焊縫;

⑷采用帶有搭接蓋板的搭接接頭,盡量不用偏心搭接;

⑸將焊縫設計在低應力區,高應力區盡量不設計焊縫;

⑹構架焊接時,應盡量降低焊縫表面的應力集中;減少構架的焊接變形和殘余應力;嚴格控制焊接線能量,確保焊縫力學性能達到設計要求;嚴格執行焊接工藝,盡量減少焊接缺陷;

⑺容易產生疲勞的焊縫部位應首先焊接,以有利于焊接殘余應力的釋放,避免應力集中。

二、加強轉向架用材料的研究和選用

1、加強構架原材料的選用工作。

⑴目前,提速客車普遍采用16Mn、16MnR、Q345B等材料,這些材料的力學性能和焊接性能較為穩定。但是這些材料的化學成份變化較大,低溫沖擊韌性較差,對焊接構架的疲勞強度影響較大,這一點戚所已通過試驗得到證實。為了提高轉向架構架的疲勞壽命,建議鐵道部組織相關單位對轉向架材料進行研究,選用一種強度適當、韌性好、焊接性能好。疲勞強度高的材料取代目前的16 Mn(或16MnR)材料,戚所的初步研究表明,我國現有的材料Q345E(相當于16Mq、14MnNbq)材料,力學性能和疲勞強度都優于16Mn材料。為了使這一材料盡快應用于構架生產上去,應加大研究的力度和深度,為構架的設計提供科學的依據。

⑵加強鑄鋼材料的研究。SW-160構架部分零部件采用鑄鋼件,減少了焊縫數量,提高了構架的可靠性,但目前鑄鋼件大部分采用ZG230-450,該種材料性能較差。B級鋼材料化學成份易控制,可焊性好,低溫沖擊值較高,疲勞強度較高,建議提速客車采用B級鋼鑄件取代目前的ZG230-450。同時還要不斷研究開發高強度、可焊性好的鑄件。為高速車焊接構架的生產做好技術準備。

⑶要加強桿件類材料的研究。目前,提高客車桿件類材料大部分采用Q235A、45#鋼、40Cr調質鋼等材料,在過去的使用過程中,都發生了不同的質量問題,影響了鐵路的行車安全。建議部里組織相關單位對桿件類材料的力學性能、熱處理工藝、探傷工藝和焊接工藝進行研究,并制定相關標準,盡快提高桿件類零部件的質量。

2、加強構架新材料的研究。

為了適應高速列車運行要求,必須研究新的輕型高強度材料,以達到減輕重量提高疲勞強度的目的,建議部里組織相關單位對低合金高強鋼、細晶粒結構鋼、不銹鋼等材料應用到轉向架上的可行性進行研究。同時,還要重點研究這些鋼的缺口敏感性,為開發高質量的焊接構架提供理論依據。

3、制訂材料采購技術標準,確保材料質量達到設計要求。

我國目前的材料標準要求較低,部分材料的性能、成份波動較大,給構架生產帶來很大困難,為此建議:⑴制訂嚴格的材料技術標準,鐵道部組織定點廠家生產;⑵各工廠要對進廠材料進行復驗,并將復驗報告存檔;⑶對重要零部件材料采用超聲波探傷檢查;⑷對構架原材料應進行預處理,防止表面生銹,影響材料質量。

三、加強構架疲勞強度的研究

為了確定CW-1(2)、SW-160、206KP、209HS等轉向架的疲勞壽命,建議鐵道部組織相關單位對以上提速車轉向架的材料、制造工藝、焊接工藝、焊后焊縫表面處理工藝、構架焊后時效處理工藝進行研究,并優化各種工藝。根據優化的工藝各工廠焊接3-4臺轉向架構架,進行疲勞強度對比試驗,根據試驗結果進一步的優化相關工藝,并制訂相關技術標準,用于指導生產。在疲勞試驗過程中,要深入研究材料缺陷、焊接缺陷、應力集中等對疲勞強度的影響。為此,在試驗前后,必須對構架主要受力部位(包括主要受力焊縫)進行探傷檢查,試驗完成后,對構架的主要部位進行解剖分析,檢查焊縫金相、焊接缺陷擴展情況等。同時,還要對關鍵零部件(受力桿件等)進行壽命的試驗。

四、焊后焊縫表面處理工藝的研究

焊接構架的破損主要是焊縫的殘余應力集中造成,而焊縫表面的應力集中又與其表面幾何形狀有關,因此提高焊縫疲勞強度的有效方法是改善焊縫表面的幾何形狀。目前,生產提速客車的四個工廠大多數采用焊縫打磨工藝,個別工廠也采用了TIG重熔工藝來改善焊縫表面的形狀,取得了一定的效果,但都未對打磨工藝、TIG重熔工藝進行研究,因此,焊縫表面處理的質量難以保證。國外目前采用較多的工藝有:焊縫表面打磨處理工藝,焊縫表面TIG重熔處理工藝,焊縫表面噴丸強化處理工藝,焊縫表面進行超聲沖擊處理,焊縫表面高壓水射流處理工藝等,戚所已對打磨處理工藝、TIG重熔處理工藝等進行了試驗驗證,取得了較好的效果。建議:部里組織相關單位,對焊縫表面處理工藝進行系統研究,并將研究結果應用到構架的生產中去。

1、焊縫表面打磨處理工藝。

焊縫表面打磨工藝分為整體打磨、局部打磨。焊縫表面整體打磨,就是對焊縫表面進行整體磨光,主要用于對接焊縫的打磨;局部打磨是用砂輪打磨焊趾附近區域,以改變焊縫表面的形狀;焊縫打磨可以改善焊縫表面的幾何形狀,徹底消除表面缺陷,因而,可大幅度提高焊縫的疲勞強度。但焊縫表面打磨工藝效率較低。

2、焊縫表面氬弧(TIG)重熔處理工藝。

對焊縫表面焊后采用氬弧重熔處理,可以改善焊縫表面的幾何形狀,使其光滑圓順,從而大幅度地提高焊縫的疲勞強度,同時,重熔處理還細化了焊縫組織晶粒,提高了抗裂性能。TIG重熔處理工藝大多數用于長大角焊縫的表面處理,但生產效率比打磨工藝要高的多。TIG重熔工藝分為焊縫整體重熔和焊趾局部重熔兩種。為了提高TIG重熔工藝的質量和效率,建議采用自動TIG重熔處理工藝。

3、焊縫表面噴丸強化處理工藝。

噴丸處理是以壓縮空氣為動力,將丸粒噴射到焊縫表面及其周圍,使焊縫表面產生壓應力;而且焊縫表面和焊趾變得光滑圓順。從而提高了焊縫的疲勞強度。噴丸處理工藝主要用于構架修理補強后焊縫的表面處理。

4、焊縫表面進行超聲波沖擊處理工藝。

該工藝是比較先進工藝,目前,國內有些高校正在進行研究試驗,試驗表明,該工藝具有效率高,提高疲勞強度明顯等優點。

5、高壓水射流處理工藝。

該工藝是將具有100Mpa以上壓力并帶有磨料的高壓水高速噴向焊縫的焊趾周圍,使表面進行磨光加工產生壓應力,改善焊縫表面幾何形狀,達到提高焊縫疲勞強度的目的。但該裝置結構復雜,設備購置費較高。

以上幾種工藝對提高焊縫疲勞強度有很大好處,建議部里組織相關單位對以上工藝進行深入研究,并不斷優化工藝,制定相關技術標準,最終將該工藝應用到構架的生產中去。

為了使以上工藝得到很好的應用,各工廠應根據試驗研究的情況,焊接2-3個焊接構架進行疲勞對比試驗,對工藝進行進一步的驗證。

五、構架焊后時效處理工藝的研究

建議部里組織相關單位對構架焊后時效處理工藝進行深入研究,目前四個客車廠采用的是退火消除殘余應力、振動時效消除殘余應力和噴丸處理工藝。但各工廠對目前采用的工藝都沒有進行大量的試驗驗證。有些采用國外熱處理工藝,有些采用高校制定的振動時效工藝,由于對時效處理的結果無法檢查,因此,不能判斷目前各工廠采用時效工藝到底效果如何。各種工藝都有其局限性,如果工藝不合理,有些可能達不到預期效果,有些可能會產生新的缺陷。

1、退火消除殘余應力,四方廠、浦鎮廠、唐山廠采用該工藝,而且三個工廠對熱處理的效果都不做檢查,也無法進行檢查。退火可以消除構架的焊接殘余應力,但這種工藝無法改變焊縫的幾何形狀,而且溫度過高,容易引起構架的局部軟化,溫度過低,消除應力的效果不夠明顯。因此,部里應制定構架退火處理標準,以規范構架退火工藝。

2、振動時效消除殘余應力,長客廠、浦廠、唐山廠采用該工藝,而且三個工廠做的試驗不同,選用的設備、規范參數也不相同,三個工廠對處理的效果不做檢查,振動時效可以部分地降低殘余應力的峰值,但如果工藝規范參數選擇不當,可能會產生新的殘余應力,達不到消除應力的效果。因此,部里應制定振動時效的標準。

3、構架表面噴丸處理工藝研究。

要研究噴丸強化工藝對構架表面殘余應力和疲勞強度的影響,并對噴丸工藝進行優化,確定最佳的丸粒直徑、空氣壓力、噴丸速度、工件移動速度等參數。

六、優化轉向架焊接工藝,不斷提高焊接工藝水平

通過四個廠的評估,雖然四個工廠這幾年焊接設備的水平在不斷提高,四個工廠也都進行了不少焊接機械手,但普通存在焊接工藝較落后的現象,從而導致了構架焊接質量較差,疲勞強度低,影響了提速車的行車安全。因此,建議各工廠要進一步優化焊接工藝,不斷提高焊接工藝水平,轉變焊工的質量意識和觀念,提高構架的焊接質量和疲勞強度。建議各工廠要做好以下幾個方面的工作。

1、進一步提高構架組對的質量。

組對質量的好壞,直接影響到焊縫的焊接質量。從四個工廠的情況來看,四方廠構架組對質量較好,其它三個工廠構架組對質量較差,普遍存在組對間隙不均勻,坡口鈍邊大,工作表面質量差,點焊不規范,點焊縫有開裂和氣孔等現象。有些工廠組裝胎位精度差,構架組對精度不高,難以滿足焊接要求。建議各工廠要重視組對質量,從基本抓起,否則焊接質量難以提高。

對于關鍵的受力焊縫,建議采用氬弧焊進行組對點焊和根部打底焊,這種工藝在國外高速構架的焊接中已被采用。

2、進一步優化轉向架構架的焊接工藝,不斷提高焊接工藝水平。

⑴目前四個工廠在構架焊接中已普遍采用富氬保護焊,焊接質量比原來有所提高。但所選用的焊絲為國產CO2焊絲,焊縫性能較差,建議各工廠選用富氬焊專用焊絲,以進一步提高焊縫的力學性能。

⑵采用藥芯焊絲可以實現理想的凹型焊縫,減少焊接缺陷,提高焊縫內在質量,進一步提高焊縫的疲勞強度,但目前各工廠都沒有使用藥芯焊絲。建議各工廠盡快應用。

⑶在焊接接頭設計、坡口設計、焊接工藝設計等方面,各工廠應吸收國內外先進經驗,不斷地進行試驗驗證,提高焊接工藝水平。同時,各工廠盡快淘汰老的焊機。購置性能較好的焊機,不斷提高焊接設備的自動化水平。減少人為因素對焊接質量的影響。

⑷加強機械手焊接工藝的研究。四個工廠都引進了國外的焊接機械手焊接構架,但焊縫的焊接質量普遍不高,機械手的優點沒有 得到充分發揮。建議各工廠要加大對機械手焊接工藝研究的力度。同時,還要研究焊接順序對焊接變形的影響。盡量減少焊接變形和焊接殘余應力。對主要受力焊縫和外觀要求較高的焊縫,建議采用手工焊打底(或TIG焊打底),中間層采用富氬焊,表面采用機械手藥芯焊絲蓋面工藝,這樣可提高焊接生產效率,使焊縫外觀質量有較大提高。

⑸重視弧坑處理工作。目前 ,四個工廠對弧坑的處理都不重視,普遍存在弧坑裂紋、氣孔等缺陷,對構架的疲勞強度有較大影響。建議各工廠在編制工藝文件時,對引弧端和弧坑處理要有明確規定。

七、建立焊接工藝評審和焊工考核制度,提高構架焊接質量

從四個工廠情況來看,普遍對工藝評定工作不夠重視,有些工廠甚至沒有開展此項工作。焊工考核四個工廠雖然都在進行。大多是形式主義,沒有取得較好的效果。四方廠在焊工的培訓考核方面做工的較好,構架的焊接質量較好,該廠經驗值得推廣。

1、建立焊接工藝評定制度。

焊接工藝評定可以在產品研制階段驗證明工藝能否滿足設計要求。同時,根據工藝評定結果編制焊接工藝文件。為了使焊接工藝文件更趨實用、合理,便于焊工操作,建議編制焊接工序管理圖代替產品圖紙指導生產。(可參照四方廠經驗)

2、加強焊工培訓和考核工作。

加強焊工的培訓和考核,定期組織焊工參加培訓和資格考試,根據考核結果對焊工進行技能分級管理,使主要焊縫由高等級焊工焊接,同時,要根據產品情況制定準確的焊接技術額,促進焊工提高技術水平,確保構架的焊接質量達到設計要求。

3、對構架焊縫進行質量等級分類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類),并制定不同等級焊縫的檢驗方法和檢驗標準。

建議構架的設計師對構架的所有焊縫進行等級分類,根據構架焊縫受力情況的不同進行分類,主要受力焊縫為Ⅰ類,要求采用超聲波探傷,焊縫不允許有未焊透、未熔合、裂紋等缺陷;次要受力焊縫為Ⅱ類,要求采用磁粉探傷,表面不得有裂紋、氣孔,咬邊等缺陷;一般焊縫為Ⅲ類,要保證焊角尺寸,焊縫表面沒有缺陷,不用探傷檢查。

工藝人員根據構架焊縫的等級,選派不同的焊工進行焊接,這樣就可以確保每條焊縫的焊接質量達到設計要求,也使構架的焊接質量有了保證。

八、加強學術交流、技術交流和技術攻關,不斷提高提速轉向架的制造水平。確保提速車轉向架的質量達到設計要求。

建議鐵道部和南北集團公司定期組織學術研討會、技術經驗交流會,不斷提高各工廠的技術水平。同時,還應對各廠的共性問題組織聯合攻關小組,充分發揮科研院所的作用和積極性,使科研更好地為生產服務,加快科技成果轉化為生產力的速度。

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