轨道车辆转向架构架典型焊接接头的研究

王晨  叶京星  王克臻  李致文

摘  要：众所周知，铁道车辆转向架的质量好坏，将直接影响到车辆的乘座舒适度、安全性，因此对其可靠性提出了严格的要求。焊接构架作为转向架部位关键部件之一，其焊接质量的高低对于动车组产品质量的影响至关重要。本文进行了相关的资料查询，结合相应焊接接头的结构分析，并联系实际生产过程中对焊接街头的处理方式，对如何降低焊接接头应力集中，改善接头受力状况，提高接头的承载能力做了简单的经验分享，以供在进行类似结构的焊缝处理时参考使用。

关键词：焊接构架；焊接接头；结构分析；应力集中

中图分类号：         文献标识码：B

前言

转向架的构架强度评价有：（1）以运行试验获得的实际应力为基础，研究负载条件与设计方法;（2）调查实际转向架运行的损伤形态，以进行强度评价。而在实际的生产及运用中常常采取，根据实际运行情况，考虑到转向架各焊接部位的应力分布，采用了断裂力学的方法，即重点考虑在实际可能的运行条件下，焊接缺陷对结构稳定运行的影响。

另外，金属疲劳破坏过程分为三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展、断裂，其中应变集中是裂纹萌生的主要原因[1]。裂纹的扩展是在裂纹萌生后在交变载荷的作用下损伤的积累，当达到一定程度后就引起了断裂。所以如何延迟裂纹萌生的时间，控制裂纹萌生的因素显得尤为重要。本文以分析典型接头的应力集中情况入手，结合焊缝缺陷对强度的影响，简单讨论如何提高焊缝的抗疲劳强度。

1  焊接接头的特点

焊接作为一种广泛使用的连接方式，一方面因为焊接接头具有承载多向性、结构多样性及加工经济性的优点，另一方面，焊接接头几何上的不连续性将引起应力集中，同时焊接热源高温瞬时的不均匀加热造成焊接残余应力的存在及各区域因金属组织的差异造成的力学性能力、物理性能和其他性能的不均匀，最终导致焊接接头成为结构上的薄弱环节。焊缝残余应力和热影响区的性能在最终热处理后会有所改善，但是焊缝几何外形造成的工作应力集中情况却无法改善。而一个结构的疲劳特性主要决定于它所包含的应力集中程度，所以必须从接头的工作应力分布情况出发来分析，确定处理措施，并实现提高接头的疲劳强度[2]。

2  焊缝典型结构分析

2.1  对接接头

从受力角度看，对接接头是一种理想的接头形式，受力状况良好，加上接头的几何外形变化较小，应力集中程度小。它的应力集中主要是由焊缝的余高引起，对于双面焊透和单面焊双面成形的接头，它的应力集中只出现在焊趾位置，如图1所示。

图1  对接接头工作应力分布情况

2.1.1  不同受力情况分析

（1）当外力垂直于焊缝作用时，可以看出，余高（h）越高、焊缝与母材过渡越急剧（R减小、θ增加），接头的应力集中越严重。所以，减小对接接头余高，对焊趾部位进行处理使圆滑过渡于母材能有效地减小应力集中。当使用打磨、机械加工等方法使母材与焊缝平齐时最为理想，常用于重要受力部位。

在转向架构架中弹簧筒盖板与侧梁上盖板间的连接，箱形横梁、端梁与侧梁间的连接、侧梁多块腹板或盖板间的对接等，均采用了焊后磨平的方式来提高焊缝的承载能力。

（2）外力作用沿焊缝长度方向时，如图2所示。焊接后，焊缝区附近承受拉应力，当外力作用时与焊接残余应力叠加先达到σs，焊缝区域屈服产生塑性变形。

图2 焊接残余应力分布图

在这种受力情况下，焊后的一些表面缺陷将成为影响焊缝强度的因素，如焊缝表面的鳞纹也会成为产生应力集中的原因。鳞纹越粗大越不均匀应力集中越严重，如果没有其它焊接缺陷，在外力作用下裂纹将优先在截面起伏最严重（通常为焊接鳞纹粗大且不均匀位置）产生。所以对焊缝的表面成形进行控制是减小应力集中的一方面。

对于此类结构，焊接接头的处理是重要的一个方面：一是引弧、熄弧点的缺陷；二是接头覆盖不良，重新引弧焊缝未能完全覆盖弧坑，从而形成焊接接头的高低落差截面发生变化，成为裂源，如图3所示。所以对于此类焊缝，接头的处理很为重要。

图3 焊接接头处理不良开裂

焊接构架从早期的206P到220K等，如果仅考虑垂直载荷的话，那么侧梁外体两条长焊缝、箱体侧梁长焊缝在垂直载荷的作用下，上部焊缝受压，下部焊缝受拉。箱体侧梁长焊缝虽然为角焊缝，但是也可以借鉴上述分析。所以对于这些长焊缝的焊接接头都需要严格按照工艺标准进行处理：首先起弧点需要完全覆盖熄弧弧坑，然后打磨接头，使之圆滑。

2.1.2 焊接垫板结构

在一些重要受力部位如206P扣合侧梁、箱形横梁与侧梁对接焊缝等，为了保证焊缝熔透，又不烧穿根部，即不在焊缝背面形成焊瘤等缺陷，采用大间隙（一般3~6mm）加焊接垫板的结构，如图4所示。其本意是通过垫板的作用使背面焊缝与母材平齐，并且100%熔透根部，从而达到提高焊缝抗疲劳强度的目的。但是如果垫板安装时与母材间隙（G）过大，那么在背面将形成“余高”出现应力集中。而且在熔滴自重和电弧吹力等外力作用下，一般背面成形的焊缝，焊缝与母材的过渡更为急剧，由此将造成接头疲劳强度的降低。所以对于加垫板焊接的焊缝，必须严格要求垫板的安装间隙（G），一般以小于0.5mm为佳。如果焊接垫板位于箱体内部，易观察当不易调整时，间隙可以适当放宽，一般小于1.5mm，局部允许2mm。

图4  焊接垫板使用

在一些情况下，利用内部筋板的厚度起到焊接垫板的作用，它的组装要求也需要遵循上述分析。

2.1.3 不同板厚对接接头

当两块被连接板厚度相差较大时，按照GB/T985和GB/T986的要求需将厚板加工至与薄板相同时再组装焊接，如图5所示。要求L〉3(δ-δ1),其中δ〉δ1。其目的是缓和母材间焊缝过渡曲线，或者防止因板厚不同引起作用力偏心传递。结构本身因板厚不同已存在力线偏转，所以尽量的避免因焊缝加大力线偏转的程度，推荐焊缝磨平过渡。

图5 不同板厚对接焊缝

2.2  十字接头和T型接头

T型接头及十字接头是把互相垂直的或成一定角度的工件用角焊缝连接起来的接头，是一种典型的焊接接头，能够承受各种方向的力和力矩，在焊接构架上应用广泛。但是T型接头和十字接头焊缝向母材过渡急剧，接头在外力作用下力线扭曲很大，造成应力分布极不均匀。角焊缝的工作应力分布如图6所示：

                         

1-十字街头                              2-T型街头    

图6 十字（T型）接头工作应力分布

由图中可以看出角焊缝的应力集中点集中在焊缝根部和焊趾位置。

2.2.1焊趾部位的应力集中

工作焊缝接头焊根与焊趾处的应力集中系数随角焊缝的形状尺寸变化而变化，如果不计焊趾部位的缺陷，从理论上以类似的有限元计算如表1：

表1  十字接头焊趾和根部应力集中系数

从上表中1、2的对比可以清晰地看出改变焊缝的形状对根部应力集中的改善作用很小，但是对焊趾部位的应力集中却有明显的改善（达到50%左右）。这是因为随着焊缝形状的改变，圆滑了焊缝与母材的过渡形式，使力线的扭转减小，从而减小了应力集中。

而实际上，在角焊缝接头焊趾部位沿熔合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半经小于0.015mm，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（下降达80%）。因为这些缺陷的存在一方面减小了母材受力的有效厚度，另一方面使力线传递不顺畅，加剧应力集中。同时该尖锐缺陷成的存在，相当于疲劳裂纹萌生阶段提前形成，从而使接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，变为由疲劳裂纹的扩展阶段来决定，这无疑降低了接头的疲劳强度。

使用打磨等方法改变角焊缝的形状可以减小和改善焊趾部位的应力集中，但采用打磨等方法使焊缝以圆弧形式向母材过渡，劳动量大且对技能的要求高，所以对部分打磨困难或没有必要全部打磨的焊缝可以采用打磨焊趾部位去除焊趾缺陷的方法进行处理，如图7所示。

图7 焊趾部位处理示意

在打磨焊趾时需要像图中B那样，穿入到板材表面下（一般小于0.5mm左右），以完全消除焊趾缺陷，并实现焊缝与母材的圆滑过渡。试验证明，承载焊缝采用B种过渡方式时，其疲劳强度可提高70%左右；A这种打磨方式，仅仅实现了焊缝与母材圆弧过渡，并未完全消除焊趾上的缺陷，所以疲劳强度增量只有30%左右。通过A和B形式的对比也可以发现，如果角焊缝（或其他形式焊缝）采用打磨后以R或其他形式与母材过渡，为了彻底消除焊趾部位的缺陷，在过渡点必然需要伤母材进行过渡。由于焊趾缺陷厚度小于0.5mm，所以伤母材一般以0.5mm作为限度。

减小焊趾部位的应力集中也常使用TIG重熔的方法。国内外的研究均表明，TIG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。减少应力集中，同时也减少该部位的微小非金属夹渣物和缺陷，因而使接头部位的疲劳强度提高。关于TIG重熔目前在车体生产中已经有了应用，在转向架上还处在准备阶段。

2.2.2根部应力集中

对比图5中a）、b）和表1的计算数据可以看出，角焊缝根部应力集中的根源是未焊透及组装间隙（非坡口焊情况下）的存在，所以只有开坡口消除根部间隙并焊透的方法才能有效降低根部的应力集中。同时在采用开坡口焊后立板在轴向拉力作用下，焊缝的应力将由以切应力为主转变为正应力。部分焊透的T型（十字）接头，焊缝根部的应力集中依然存在，但是当熔深较大时，作用在立板上的轴向力几乎不通过角焊缝区而直接从坡口焊缝区进行传递，见图8。另一方面在焊缝的计算厚度相同的情况下，采用焊透或者部分焊透的焊缝可以适当减小焊角尺寸。

图8  接头力线偏转示意

综上所述，对于关键部位的角焊缝，如构架环焊缝等，为了保证接头的强度应采用焊透和焊缝采用打磨等方法以圆弧形式向母材圆滑过渡，来减少根部和焊趾部位的应力集中。同时需要配备相应的检测手段，来检测焊缝内部和表面有无缺陷。需要注意的是，采用打磨的方法时应注意磨削方向应与力线方向一致，否则在焊缝中会留下与力线垂直的刻痕，它相当于应力集中源，起到降低接头疲劳强度的作用。

3  结束语

对接焊缝和角焊缝是组成焊接构架的基本焊缝，但是实际上组成构架的焊缝错综复杂，相互间的作用也很为复杂。本文只是从单条焊缝的结构特点出发结合一些简单的受力分析，从减小或改善焊缝的应力集中、受力状态方面进行了分析，所以不可避免的会存在着局限性。但是所列举的处理方法为理论分析和实验所证实，在各制造厂内广泛应用，仍然具备一定的参考价值。

参考文献

[1]林吉忠，刘淑华．金属材料的断裂与疲劳[M]北京：中国铁道出版社，1989.

[2]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，1980.