高速列车焊接转向架构架材料及性能研究进展

（四川西冶新材料股份有限公司，四川 成都 611730）

0 前言

我国轨道交通事业进入迅速发展期，特别是高速列车由于其快速、安全、节能环保、运载量大等优点，得到了广泛应用。在轨道装备业制造中，车体由转向架支撑，具备转向和制动功能，确保动车组在轨道上安全平稳地运行[1]。转向架直接与轮轨相互作用，是决定列车走行性能最为关键的部件[2]。作为轨道交通高速列车车体承载的关键构件，转向架构架的焊接生产质量对列车品质和行车安全都具有十分重要的意义[3]。转向架构架焊接技术一直是研究的热点和重点，其中材料和焊接工艺是决定制造水平的关键因素。

在焊材方面，进口材料主要有奥地利BOHLER公司NiCu1－IG和林肯公司JM－55Ⅱ焊丝；国内仅大西洋焊材公司有转向架焊丝。转向架构架结构复杂，焊接质量不稳定的问题较为突出。从焊材在主机厂实际使用结果来看，主要体现在焊接过程中飞溅较大，小电流过渡稳定性还有待提高，容易出现气孔、夹渣等，在角焊缝、环形焊缝部位容易出现咬边等缺陷，易造成应力集中，成为疲劳源。在腐蚀性能研究方面国内文献很少，疲劳性能的研究主要集中在评估方法和工艺研究方面，从焊接材料方面来改善接头疲劳性能也无相关文献报道。因此，加强高速列车材料、工艺以及结构可靠型研究，准确估计力、振动、加速度、温度、气候等服役环境因素，采用新材料、新技术、新工艺来保障焊接构架的接头性能显得尤为迫切。

1 转向架材料研究现状

1.1 转向架用钢现状

转向架构架母材和焊接接头应具有良好的力学性能、疲劳强度和耐蚀性。我国早期铁路车辆转向架采用普通碳钢如Q235、A3钢[4]，随着对列车运行速度和运载能力要求的提高，对转向架焊接构架的材质性能提出了更加苛刻的要求。目前，转向架焊接构架常用材料为Q345E、S355系列钢、SMA490系列钢等。为研制更高速的东北新干线列车，日本JR东海公司于2002年开始360 km/h的Fastech360试验列车的研发，分为 E954、E955两种型号，于2005年和2006年进行线路试验，最高试验速度达到398 km/h。E954型试验列车的转向架型号为DT9039，构架钢材型号为SMA490。

在低合金和耐候钢方面[5－7]，S355J2W耐候钢是按照欧洲标准EN10025生产的一种低合金耐候结构，具有良好的耐候性、力学性能和焊接性。法国国营铁路的现代化车辆的焊接转向架钢材型号为P275NL1；德国铁路客车转向架钢材型号为S355J2W；我国在CRH3转向架的基础上自主创新研制了CRH380BL高速列车转向架，其线路最高试验速度达到487 km/h。该转向架所用材料为S355J2W+N型结构钢，国内外典型转向架转向架钢板主要性能指标如表1所示。

表1 国内外典型转向架母材力学性能要求

我国相继研制了诸如16Mn、Q345E、14MnNbq、16MnNbq等转向架所用的钢材牌号，如表2所示。和谐号系列动车组采用的转向架类型及构架材料如表3所示。

表2 国内不同系列客车焊接转向架构架材料牌号

表3 CRH系列高速列车转向架用板材

国内高速列车欧系车转向架使用钢材主要牌号为S355J2W+N、S355J2G3，化学成分与力学性能相当于国产耐候钢牌号09CuPCrNi－A，355J2W+N钢是具有耐大气腐蚀性能的改良型耐候结构钢，正火状态供货，是国产CRH380BL动车组转向架结构的主要材料。S355J2W耐候钢主要应用于CRH3转向架构架侧梁及侧梁与横梁的连接处，典型成分如表4所示。

表4 S355J2W钢化学成分典型值%

1.2 转向架焊材研究现状

在国产转向架焊丝合金及力学性能研究方面，国内研究机构及相关文献均很少。金属所陆善平[8]等人对转向架焊丝合金成分进行了探索，主要研究200 km时速的列车转向架材料和焊缝金属，设计了5种不同成分的焊接材料，并采用富氩气体保护焊工艺对S355J2G3钢板进行焊接工艺试验，研究微量合金元素Ti在焊态和焊后退火态下对焊缝金属组织和焊接接头性能的影响。大连交通大学王君杰[9]采用韩国产焊丝SM－70焊接转向架专用Q345E钢；孟阳辉[10]采用冶金方法研制与09CuPTiRe钢匹配的抗低周疲劳性能达到14MnNb焊接接头水平的耐候钢焊丝。

近年来，随着我国列车速度的不断提高，对转向架焊接构架的冲击性能提出了更高要求。白志范[11]等人采用H08MnSiCuCrNiⅡ焊丝，利用焊接机器人对S355J2W钢进行MAG焊，分析焊接接头的显微组织和力学性能。卢峰华[12]等人采用G424G3Si1焊丝对S355J2W+N耐候钢进行MAG焊，分析接头的力学性能和显微组织。

在焊材研发及制造企业中，国内仅有大西洋和林肯锦泰公司有轨道机车转向架焊丝。林肯锦泰公司转向架焊丝对应牌号为JMTM－55Ⅱ，大西洋焊丝对应牌号为CHW－55CNH，典型成分和性能分别如表5和表6所示。从主机厂实际使用结果来看，转向架构架结构复杂，焊接质量不稳定的问题较为突出。主要体现在：焊接过程中飞溅较大，小电流过渡稳定性有待提高；容易出现气孔、夹渣等问题，往往容易成为疲劳源；在角焊缝、环形焊缝部位容易出现咬边等缺陷，需要进行二次补焊，易造成应力集中，成为疲劳源。

表5 转向架典型焊丝实测化学成分%

表6 转向架典型焊丝熔敷金属力学性能

在进口焊材的应用方面，CRH3高速列车转向架构架曾采用富氩混合气体保护焊，焊丝NiCu1－IG由奥地利BOHLER公司提供，成分如表7所示，属于Ni－Cu系耐候焊丝，微合金元素控制不明确，国内尚无相应的焊接材料牌号。目前国内典型的高速动车组制造企业主要选用林肯的JMTM－55Ⅱ焊丝。在有轨电车转向架构架的焊接中，成都某公司选用了瑞典ESAB耐腐蚀焊丝OK AristoRod 13.26在有轨电车转向架构架中进行焊接试验，焊接工艺仍在探索中。焊材化学成分如表8所示，力学性能结果没有相应报道。

表7 NiCu1-IG焊丝化学成分%

从转向架焊接材料的使用效果来看，进口焊材NiCu1－IG与母材S355J2W为高强匹配。焊接接头的冲击韧性结果表明，焊缝金属是接头的薄弱环节，热影响区的冲击韧性均高于焊缝金属。ESAB焊丝OK AristoRod 13.26低温冲击韧性较好，－40℃冲击功为70～80 J。林肯公司JMTM－55Ⅱ和大西洋公司的CHW－55CNH转向架焊丝总体而言力学性能优异，－40℃低温冲击功保持在100 J以上，力学性能完全满足设计要求。

另外，我国南北气候温差大，铁道车辆服役的环境温度差异大，气候变化复杂，所用钢种及焊材应具备较好的耐腐蚀性和疲劳性能，还需考虑极低温度下的冲击韧性，特别要求－60℃冲击功保持在优良水平，以保证高寒地区车辆的行车安全和大修周期。特别是在俄罗斯等严酷气候条件的国家及地区修建高铁，更需要开发适应广域环境的、操作性能优良的、高寒高韧性新型焊接材料。

2 焊接转向架性能研究现状

高速列车转向架是高速列车最主要的部件之一，其性能与列车的安全性、可靠性、舒适性、环保性密切相关。目前我国正处于客车高速发展阶段，随着客车车速的不断提高，各种垂向、纵向、横向载荷及疲劳问题较为复杂，导致转向架出现疲劳损伤和断裂的几率升高，进一步提高转向架构架的焊接接头性能对列车安全行驶有着至关重要的作用。

2.1 焊接构架工艺研究现状

转向架构架是车辆结构中较为复杂的部分，通常采用焊接结构。转向架结构的焊接工艺以前采用焊条电弧焊[13]，现在主要采用MAG焊。MAG焊接质量稳定可靠、适用范围广，目前的研究范围已经相当广阔且深入。因此，国内外许多学者将目光投向了研究转向架构架焊接新工艺，以期解决转向架焊接过程中出现的问题。

周得刚[14]等人采用TIG焊对转向架焊接构架用钢的焊接进行了焊接工艺评定，试验结果表明，Q345C钢采用TIG焊接具有较好的抗裂性能。姚鹏[15]等人基于超威弧特性对转向架用S355J2W耐候钢进行工艺试验研究，优化焊接参数，得到焊缝成形符合要求的对接和T型接头，测定的力学性能也符合标准。超威弧与传统喷射过渡MAG电弧相比，其存在的问题是只有当焊接电流足够大时，其深熔特性才更为显著，因而导致超威弧焊接工艺参数可选范围存在局限性。刘爽、李业雄和高丹丹分别对转向架用S355J2W耐候钢进行了激光－MAG复合焊工艺试验，优化了焊接参数，获得较为理想的焊接接头，焊缝熔透好、无咬边等焊接缺陷，接头力学性能和抗疲劳性能也都符合要求，基本解决了转向架构架焊接接头根部未焊透问题。中车青岛四方股份的吴向阳[16]采用等离子－MAG复合热源焊接技术焊接S355J2W耐候钢，与MAG焊相比，等离子－MAG复合焊接头的晶粒尺度有所减小，焊接接头的抗拉强度有所提高，冲击韧性也得到改善，其焊接接头的疲劳强度有所提高。

2.2 焊接构架疲劳性能研究现状

随着列车运行速度的提高和振动程度的加剧,车辆的承载状况变得十分恶劣，严重影响转向架的使用寿命。焊接接头固有的焊接缺陷使得高速列车疲劳失效的大部分发生在焊缝位置[17]。在以往的铁道车辆运行中，焊接构架显现出许多疲劳可靠性方面的问题。如提速客车转向架209HS和CW－2等在投入正式运营前虽已通过有限元强度分析和疲劳试验,但在运营中依然出现焊缝开裂、吊杆座和减振器座开裂、侧梁立板撕裂等问题，严重危及行车安全[18]。高速列车结构的设计和制造虽然充分考虑了强度和安全系数问题，并分阶段进行了室内试验和线路试验，但传统方法中，列车处于正常载荷水平，结构部件也处于正常工作状态。疲劳是一个长期累积的过程，在传统方法的基础上，还需分析列车的疲劳强度，才能得到与实际情况相近的列车疲劳寿命[19]。

国内外对构架疲劳的试验标准包括TB/T2368、UIC515、UIC615、EN 13749、JISE4207、JISE4208等，各种标准定义的载荷、工况和考核准则均不一样；疲劳分析方法也包括各个标准（包括IIw、BS、EN、JIS等)，涉及到S-N曲线法、热点应力法、裂纹扩展法等[19]；董平沙[20]研究了一种主S-N曲线法（DONG法）；所有这些方法或标准中也只有日本标准JIS E4207根据断裂力学的裂纹扩展法对焊根处的疲劳寿命做出详细规定，其他标准只是简单地将焊根疲劳失效归类到某一类接头类型中。

高速列车转向架在疲劳性能和疲劳评定方法方面主要通过多体动力学仿真和有限元仿真分析方法相结合进行研究。Mika Backstorm对不同焊接接头形式的多轴疲劳损伤进行评估；Davood Younesian，Ali Solhmirzaei等人[21]分别采用时域的积累损伤法和频域疲劳分析法对MD36、MD523两种转向架的疲劳性能进行模拟分析，结合瑞利法预测不同速度和不同轨面粗糙度情况下的疲劳寿命；M.Kassner等先利用有限元建立构架模型，而后通过累积损伤法和疲劳极限法对构架上能提取名义应力的焊接结构进行疲劳仿真分析，针对焊接构架上无法提取名义应力的边界区域则采用缺口应力法来进行疲劳分析。

目前我国主要参照国际铁路联盟UIC、欧盟EN和日本JIS规范等标准评估车辆转向架的焊接结构架疲劳强度。缪龙秀等人[22]通过应力谱法绘制客车转向架焊接构架的应力谱，利用实际的应力谱和疲劳数据等数据深入研究恒载荷下转向架焊接构架的疲劳可靠性及寿命。王成国等人[23]采用疲劳强度数值解析法估算转向架的疲劳寿命。秦国栋等人[24]通过评估提速客车转向架焊接构架疲劳强度，在累积破坏率的基础上建立了非线性二维疲劳累积准则及疲劳可靠性分析判据，并对构件的疲劳寿命及可靠性分析进行建模。荆志勇等人[25]运用有限元法对CRH5动车组转向架进行强度分析和结构优化设计。刘肃云[26]重构得出16Mn（Q345）钢3种埋弧焊焊接接头的疲劳可靠性曲线，通过有限元分析软件获得CRH2焊接构架在疲劳组合载荷下的应力值。赵建明[27]采用逼近法确定不同类型的焊接接头试样的条件疲劳极限。陶传奇[28]采用药芯焊丝研究铁路客车转向架MAG焊接头的疲劳性能。杨亚强[29]建立了考虑焊缝形状子样的构架焊接模型，运用焊接子样的超长寿命的疲劳试验结果，评估典型焊接构架的疲劳寿命。邓锐[30]研究了焊接熔合区应力时间历程用于构架寿命评估，为大型构件焊接区寿命评估提供了新途径。

在疲劳可靠性研究方面，西南交大的卢耀辉[17]分析构架的焊接缺欠，分别采用热弹－塑性法和固有应变法对其焊接变形进行了有限元数值模拟，采用多项式转化法获得构架的应力谱，对构架进行了疲劳寿命和耐久性裂纹扩展分析，研究构架模态对疲劳寿命的影响，得到影响构架疲劳寿命的关键模态。周张义[31]则以高速货车为研究对象，包括不同结构部位疲劳设计载荷、强度评定准则和实用疲劳强度分析方法的确定，具体疲劳强度分析的实施及依据评定结果提出结构改进方案等内容进行研究，深入研究了焊接残余应力、低应力超长寿命疲劳、二轴复合应力疲劳及焊后改进工艺4类关键疲劳影响因素在强度评定中的合理修正准则，提出了工程应用的建议。王勇[32]分别采用CHW－55CNH型和JM55－Ⅱ型两种焊丝焊接成对接试板，比较两种焊丝焊接的异种钢板焊缝两侧基本性能及疲劳性能的差异。绘制S-N曲线，确定循环1×107次得疲劳极限强度。杨爽[33]对CRH3型高速列车转向架焊接构架采用不同方法进行疲劳寿命预测，并优选出结构应力法相比其他方法优势更为明显。吕任远[34]研究焊接工艺参数、保护气体比例、焊后热处理以及焊道TIG重熔等工艺对高速列车转向架ST－52钢焊接接头疲劳性能的影响，从焊接工艺角度来提高焊接接头疲劳性能。陶传奇[35]也通过研究接头设计、施工管理以及改善残余应力等焊接工艺来提高构架的疲劳强度。

2.3 焊接构架腐蚀性能研究现状

列车在运行过程中，焊接转向架往往与潮湿的空气、海气以及列车内部排泄的微生物等介质密切接触，极易发生腐蚀。因此，研究焊接转向架的电化学腐蚀机理尤为重要[36]。国际铁盟标准（UIC）规定转向架焊接构架的使用寿命为30年，或者运行里程达600万km（相当于每年20万km），而我国只规定了30年的使用寿命[37]。对于金属电化学腐蚀的研究，国内外已有诸多研究成果发表，但关于焊接转向架腐蚀研究的文献报道不多。

随着运行时间的延长，几乎所有型号的铁路车辆都存在腐蚀问题，锈蚀部位和状况主要表现在：各种形式焊接转向架的纵向拉杆座、摇动台吊座的座板和筋板处的腐蚀状况比较严重，中央悬挂部位的各座和各管卡座的焊缝部位发生的腐蚀尤为严重，部分转向架甚至出现管卡座脱落现象；其中U型转向架的腐蚀部位主要发生在构架侧梁和摇枕底部，H型转向架则发生在中央悬挂部分，尤其是摇动台[37]。文献[31，35]统计了 2009～2011 年期间因表面腐蚀造成的更换或补强的焊接转向架数目，根据统计结果可知，我国转向架的平均使用年限为16～19年，远远低于规定的报废年限，造成大量的经济损失。焊接转向架腐蚀的原因为[38]：①焊接转向架材质问题；②运行维护工作不当；③长期受到强酸或强碱等不良环境的影响；④段修中焊接转向架防腐油漆的涂装工艺存在缺陷；⑤段修中焊接转向架腐蚀问题无具体处置措施。牛义春[38]分析认为转向架腐蚀过快，应该对焊接转向架从结构、材质尤其是耐腐蚀、高强度等性能进行优化。于喜年[39]认为改进焊接工艺也是提高防腐蚀的重要方法。阴敬甲[6]研究了CRH3高速列车S355J2W转向架焊接接头的腐蚀性能，提出退火焊道耐腐蚀性能优于焊态接头。但是从焊接材料合金优化设计方面考虑提高焊接转向架耐腐蚀性能的研究尚无正式报道。

3 转向架焊接构架未来方向

自2004年开始，转向架已经发展到第三代，中国中车等中国高铁制造企业已经形成了完善的高铁标准动车组转向架的制造技术，中国第三代转向架已经由标准化、平台化、系列化、代级化、参数化发展到了谱系化。动力学未来研究已经由经验积累到经验与仿真结合。在结构强度的损伤一致性、载荷谱引申出第三学科即模态振动的引入使动力学和结构强度的界限变得模糊。可以预见的是，下一代转向架技术核心主要为机电一体化和轻量化。通过控制器和传感器调控车体转向架构架轮，使其具有自检测、自诊断、自调整、自适应的自动控制系统。

在新型材料研究方面，3D打印、铝镁等轻合金、碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）等新型材料技术的发展，必然会为综合检测、数据传输为手段的轻量化智能转向架奠定坚实的发展基础。

（1）轻量化是必由之路。

构架是安装各种零部件的载体，承受和传递垂向力、水平力和扭矩等。采用高强度、轻量化的转向架结构，以降低轮轨间动力作用。采用更高强度的构架材料，如Q690系列贝氏体钢板，可减少材料壁厚设计，有效降低构架质量。同时，开发出高强度高纯净度、满足广域环境（高寒地带、严酷极端天气）的新型焊接材料，将会不断推动转向架构架制造技术的发展。

（2）广域环境下技术相容性。

随着我国高速列车技术输出的不断拓展，中欧快铁、俄罗斯高铁、还有印尼等亚洲高铁项目的建设对列车转向架提出了更苛刻的要求。极端严寒的西伯利亚、高温潮湿的南亚地区、横跨海洋气候的中欧地带，在广域环境下列车转向架焊接需要着重考虑如何保证低温环境下（-60℃）的行车安全。在焊接材料方面，开发更高强度的贝氏体焊接材料且-60℃低温度冲击韧性优良，同时耐大气和海水腐蚀性能优良的新型焊接材料。

（3）长寿命、高可靠性研究。

开发新型优质的转向架焊接材料可提高转向架构架焊接接头的安全可靠性。通过焊材合金优化以提高焊缝耐腐蚀性能和材料焊接工艺适用性，特别是有效控制小电流焊接下焊接缺欠，以提高焊接接头疲劳性能及服役寿命。对深埋缺欠有效预防和含有缺欠的接头在服役中容许度的研究尤为必要。

（4）激光复合焊接技术。

激光作为新的焊接热源，特别是激光复合焊接技术的不断发展，必然会在工艺方面提升焊接结构的可靠性，很好地推动构件的安全性。

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