转向架侧梁焊接残余应力的研究

岳子波

摘 要：焊接是转向架侧梁材料的主要连接方法，其具有操作简单、连接快速以及节约钢材等优点，被广泛地应用于转向架侧梁的连接过程中。但是在实际的焊接过程中，转向架侧梁的焊接质量会受到多种因素的影响，当没有将这些不利因素控制在合理范围内，就会导致转向架侧梁的焊接质量发生不同程度的降低，甚至导致其焊接质量不合格，无法满足安全生产的要求。文本针对转向架侧梁焊接残余应力及焊接变形控制技术进行分析。

关键词：转向架侧梁;焊接残余应力;焊接变形

焊接是转向架侧梁行业中常用的连接技术，由于其具有非常优良的性能，在转向架侧梁的连接中得到了非常广泛的应用。但是在转向架侧梁实际的焊接过程中，会受到多种因素的不利影响，如果没有对其采取有效的控制措施，就可能导致焊接完成后的转向架侧梁中存在一定的残余应力，甚至可能导致焊接变形的发生，进而影响转向架侧梁的焊接质量。

1 残余应力分类及产生原因

焊接残余应力是指工件中存在的内部应力，焊接后在没有外力的情况下实现相互平衡。机械加工和强化过程都会产生残余应力，例如焊接、冷拉、弯曲、切割、轧制、喷丸、铸造、锻造和金属热处理。残余应力通常是有害的，例如，由于热处理、焊接或切割不当后的残余应力，零件会翘曲或扭曲，甚至开裂。在工程机械中，有许多焊接结构部件。在焊接过程中，焊缝处的金属被迅速加热和冷却。远离焊缝的温度变化小，温度梯度大，导致塑性变形不均匀，产生热应力。同时，焊缝区金属结构的转变会导致相变应力，使焊缝区承受残余拉应力，焊缝区承受远离焊缝区的残余压应力。由于每个零件的温度不同，焊接件平行于焊接轴线的横截面中的应力称为纵向残余应力，垂直于焊接轴线的应力称为横向残余应力。

2 残余应力的影响

残余应力通常是有害的。残余应力和工作应力叠加加固后，会影响结构构件的疲劳强度和使用寿命。随着应力的逐渐释放，结构构件将缓慢变形，影响结构构件的尺寸稳定性。同时，残余应力也会加剧结构构件的应力腐蚀速度。当残余应力方向与工作应力方向相反时，残余应力将增强结构构件的疲劳强度和使用寿命，并起到应力强化的作用。

3 转向架侧梁焊接残余应力的控制方法

3.1 热处理消除法

热处理是一种非常常用的残余应力控制方法，通过对转向架侧梁的焊接处采取退火处理措施，提高焊接处的受热温度，其加热温度越高所需要的保温时间也越长。在热处理的过程中，要对其加热温度进行科学合理的有效控制，避免加热温度过高，导致转向架侧梁焊接表面发生过度的氧化现象，进而造成转向架侧梁的内部组织结构发生变化，导致其整体性能发生不同程度的降低。通过采取有效的退火处理措施，转向架侧梁内部的残余应力会因为焊接残余应力松弛而释放出去，进而有效消除转向架侧梁内的残余应力。

3.2 锤击消除法

锤击消除法是指通过对转向架侧梁的焊接部位进行锤击处理，进而在锤击的外力作用下延展转向架侧梁的焊接部位，这就能够在一定的程度上抵消焊接后所产生的热胀冷缩残余应力，进而有效改善转向架侧梁内部的残余应力状况，提高转向架侧梁的整体性能。在对转向架侧梁进行锤击时，要确保转向架侧梁的焊接位置处受力均匀，避免对同一焊接位置处进行过度的锤击，进而影响锤击效果。此外，严禁对转向架侧梁的焊接根部、盖面焊缝以及焊缝的坡口边缘进行锤击处理，避免造成不良后果。

3.3 基于固态相变理论的焊接残余应力控制方法

通过建立V型坡口厚板多道焊的熱-冶金-力学三维耦合计算模型，运用焊接专业有限元软件SYSWELD计算并分析了其焊接温度场和焊后残余应力与变形;同时，采用热力学模型研究了相变对焊接变形的影响。基于固态相变理论的焊接残余应力控制方法能够将焊接残余应力的产生原因由多元化转化为一元化，方便了对焊接残余应力的预测及控制。通过测出的焊接应力与该试样的金相组织进行对比，预测出焊接组织固态相变与应力分布及大小的关系，在此基础上，采取相变的方法对焊接残余应力进行科学合理的调节，进而能够有效降低残余拉伸应力，甚至可以产生残余压缩应力，从而避免残余应力的形成。

4 转向架侧梁焊接变形的控制措施

4.1 合理选择焊缝位置

第一，该转向架侧梁焊接过程中，焊缝位置要与转向架侧梁截面呈对称状态，也可使其靠近转向架侧梁截面的中性轴，以有效降低转向架侧梁焊接变形程度。第二，施工人员要合理选择焊缝坡口形状及其尺寸，避免不必要的焊缝，以促使焊缝面积有效减少，从最大程度地降低转向架侧梁焊接变形程度。第三，还可采用小刚性节点形式，避免焊缝太过集中而出现双向与三向相交现象，以减小焊缝应力，防止焊缝交叉情况的出现。第四，设计人员不要将焊缝位置选择在高应力区域，以免由于应力过大而出现焊接变形。第五，施工人员应尽可能不采取仰焊操作方式，以免加大转向架侧梁焊接难度从而确保转向架侧梁焊接质量。

4.2 施工环节的焊接变形控制

首先在进行转向架侧梁焊接之前，施工人员要综合分析各节点构造、焊缝种类等方面，同时合理选用刚性固定法、反变形法等焊接方法，并有效设定焊接顺序。其次在具体焊接施工过程中，施工人员可采用对称焊接的方式来焊接焊缝。在转向架侧梁刚度较小的情况下，先焊的焊缝很容易发生焊接变形，因此应均匀布设焊缝位置。在转向架侧梁截面形状较为对称的情况下，通过对称焊接有效防止焊接变形现象的出现。如果焊缝不对称，就对焊缝相对较少的一侧进行焊接，之后再焊接另一侧。另外施工人员可采用发变形法，来处理焊接后出现的角变形。该方法是在实际焊接前，先将构件可能出现的焊接变形方向与大小确定下来，并尽可能使焊接操作满足设计要求。

5 结束语

在转向架侧梁焊接时，若转向架侧梁中出现温度分布不均状况，就很容易产生较多的焊接残余应力，从而导致转向架侧梁焊接部位出现变形问题，并最终对转向架侧梁的实际性能造成不良影响。因此，转向架侧梁焊接人员应采取合理策略，以有效降低转向架侧梁焊接残余应力，全面控制焊接变形问题。

参考文献

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