應(yīng)之丁　高立群　范慶鋒

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.中國(guó)中車株洲電力機(jī)車有限公司，412001，株洲∥第一作者，副教授）

超聲沖擊技術(shù)消除轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接殘余應(yīng)力試驗(yàn)方案分析

應(yīng)之丁1高立群1范慶鋒2

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.中國(guó)中車株洲電力機(jī)車有限公司，412001，株洲∥第一作者，副教授）

摘 要為消除轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭殘余應(yīng)力，嘗試應(yīng)用超聲沖擊法消除焊接接頭殘余應(yīng)力。給出了采用超聲沖擊測(cè)試轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭殘余應(yīng)力試驗(yàn)方案，測(cè)試超聲沖擊前后工藝條件下，焊接接頭殘余應(yīng)力的變化特征和規(guī)律。對(duì)超聲沖擊前后焊接接頭的微觀組織和常規(guī)力學(xué)性能進(jìn)行了檢查測(cè)試。結(jié)果表明，超聲沖擊后焊縫區(qū)強(qiáng)度有所提高。

關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)向架構(gòu)架；焊接接頭；殘余應(yīng)力；超聲沖擊

First-author＇s address Institute of Rail Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接殘余應(yīng)力直接影響焊接結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命［1］。傳統(tǒng)消除轉(zhuǎn)向架焊接殘余應(yīng)力的方法包括錘擊法、火焰矯正法等。近年來，超聲沖擊處理技術(shù)發(fā)展飛速。其核心技術(shù)是：將超聲波換能器的諧振轉(zhuǎn)換為超聲頻沖擊脈沖，對(duì)焊縫表面進(jìn)行振動(dòng)沖擊和能量輸入，使焊縫與母材的過渡區(qū)實(shí)現(xiàn)平滑過渡，從而改善焊件的應(yīng)力集中狀況［2-4］；新調(diào)整焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，把應(yīng)力集中處的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，以此來提高金屬表面層的強(qiáng)度和接頭的疲勞強(qiáng)度。但是，由于焊縫部位的表面狀態(tài)有一定的隨機(jī)性，超聲沖擊的能量輸出不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品批量加工中會(huì)出現(xiàn)一些問題。焊接過程中的質(zhì)量是否穩(wěn)定跟機(jī)器的配置有很大的關(guān)系［5］。

本文對(duì)SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭進(jìn)行超聲沖擊處理，并對(duì)超聲沖擊處理前后以及不同沖擊工藝對(duì)耐候鋼焊接接頭殘余應(yīng)力消除情況進(jìn)行研究。

1　轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接試驗(yàn)

1.1轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接材料

試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是用材料為SMA 490 BW的耐候鋼焊接而成的，采用Φ1.2 mm CHW-550 CNH焊絲。SMA 490 BW耐候鋼應(yīng)滿足的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1　JISG 3114―2004中焊接結(jié)構(gòu)用耐大氣腐蝕熱軋鋼材的力學(xué)性能

1.2轉(zhuǎn)向架構(gòu)架試樣制備

選取尺寸為600 mm×200 mm×8 mm的SMA 490 BW耐候鋼板材，長(zhǎng)邊開Y型坡口，角度為單邊30°、鈍邊1 mm。焊接前使用專用打磨工具清除坡口附近的金屬氧化物等污染物，并用丙酮擦拭坡口附近區(qū)域。

采用MAG（80﹪Ar＋20﹪CO2混合氣體保護(hù)焊）焊接方法、雙層焊。經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，獲得最佳焊接工藝參數(shù)，如表2所示。

表2　焊接工藝參數(shù)

1.3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架試驗(yàn)方案

為保證被測(cè)試部位的焊接殘余應(yīng)力分布大體一致，在焊接試件的中心部位上選擇5個(gè)相鄰區(qū)域（編號(hào)依次為A、B、C、D、E）進(jìn)行試驗(yàn)（見圖1）。每個(gè)區(qū)域分別測(cè)試14點(diǎn)，測(cè)試布點(diǎn)圖如圖2所示。圖中，焊縫寬14 mm，焊縫上各測(cè)試點(diǎn)間隔距離為2 mm。其中，點(diǎn)5、6、7、8、9、10位于焊縫區(qū)域；點(diǎn)4、11位于焊趾上；點(diǎn)3、12位于熱影響區(qū)；點(diǎn)1、2、13、14位于母材上。

圖1　試件超聲沖擊測(cè)試布點(diǎn)區(qū)域

圖2　殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)示意圖

以焊機(jī)試件焊縫平面的縱向殘余應(yīng)力σx為研究對(duì)象，測(cè)試各區(qū)域超聲沖擊處理前（焊接后）、處理后的應(yīng)力變化。超聲沖擊試驗(yàn)前測(cè)試各區(qū)域的σx，然后分別對(duì)A、B、C、D、E 5個(gè)區(qū)域施以不同的激勵(lì)電流進(jìn)行超聲波沖擊。其激勵(lì)電流分別為：A區(qū)1. 4 A，B區(qū)1.6 A，C區(qū)1.8 A，D區(qū)2.0 A，E區(qū)2.2 A。沖擊速度為400 mm∕min左右。沖擊完成后，再次對(duì)5個(gè)區(qū)域的σx進(jìn)行測(cè)試并記錄。

2　轉(zhuǎn)向架構(gòu)架超聲沖擊試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

圖3　A區(qū)超聲沖擊處理前后殘余應(yīng)力對(duì)比

圖4　B區(qū)超聲沖擊處理前后殘余應(yīng)力對(duì)比

圖5　C區(qū)超聲沖擊處理前后殘余應(yīng)力對(duì)比

圖6　D區(qū)超聲沖擊處理前后殘余應(yīng)力對(duì)比

2.1超聲沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

A、B、C、D、E 5個(gè)區(qū)域超聲沖擊處理前后殘余應(yīng)力對(duì)比如圖3～7所示（d為測(cè)試點(diǎn)距焊縫中心的距離）?？梢姡暃_擊處理前，焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材的縱向殘余應(yīng)力為較大的拉應(yīng)力，且應(yīng)力起伏較大、分布不均。超聲沖擊處理后，不同大小的激勵(lì)電流對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力消除效果有較大差異。其中，當(dāng)激勵(lì)電流為2.0 A（D區(qū)）時(shí)，經(jīng)過超聲沖擊處理后，接頭各區(qū)域應(yīng)力都轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且應(yīng)力起伏較小，分布均勻，對(duì)殘余應(yīng)力的消除效果最佳。

圖7　E區(qū)超聲沖擊處理前后殘余應(yīng)力對(duì)比

2.2SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭微觀組織分析

采用GX 10型光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行組織形貌觀察。超聲沖擊處理前后，焊接接頭焊縫區(qū)的組織形貌如圖8所示。

圖8　超聲沖擊處理前后焊縫區(qū)組織形貌

由圖8a）可知，超聲波處理前的焊縫區(qū)微觀組織為柱狀鑄態(tài)組織，白色的片狀先共析鐵素體沿柱狀晶界分布，晶內(nèi)為針狀鐵素體，有少量黑色的珠光體，還有少量的粒狀貝氏體。由圖8b）可知，超聲沖擊處理后，焊縫區(qū)微觀組織在成分上沒有太大變化，包括鐵素體和珠光體等成分，但在形貌上有較大的差異，表現(xiàn)在超聲沖擊后晶粒變得比沖擊前更加細(xì)長(zhǎng)，尤其是白色的鐵素體最為明顯。這種形變織構(gòu)的擇優(yōu)取向?qū)μ岣吆附咏宇^的表面強(qiáng)度有較大的作用。

由于焊接過程使得試件形成局部的非均勻的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致焊件的組織、性能及應(yīng)力都出現(xiàn)不均勻性。超聲沖擊對(duì)焊接件的高頻能量輸入，對(duì)焊接件表面產(chǎn)生了高頻的機(jī)械強(qiáng)化作用，使其發(fā)生較大的塑性變形；同時(shí)對(duì)焊接件內(nèi)部的晶粒產(chǎn)生高頻振動(dòng)作用，使其微觀晶格發(fā)生畸變，而超聲沖擊持續(xù)的高頻振動(dòng)輸入致使晶格進(jìn)一步發(fā)生位錯(cuò)增值、晶界遷移等變化，最終使晶粒變得細(xì)化和均勻。

2.3SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭硬度分析

用HV-10 B型維氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)量。測(cè)試點(diǎn)布置如圖9所示，線a距離焊接接頭母材表面1 mm，從焊縫中心線向母材方向每0.5 mm測(cè)試一個(gè)點(diǎn)的硬度。SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭同一深度不同區(qū)域硬度分布如圖10所示。

圖9　硬度測(cè)試點(diǎn)布置示意圖

圖10　板厚方向同一深度不同區(qū)域硬度分布

由圖10知：超聲沖擊前焊縫區(qū)硬度高于熱影響區(qū)，焊縫區(qū)平均維氏硬度為211，整體趨勢(shì)為硬度下降；超聲沖擊后焊縫區(qū)、熱影響區(qū)硬度均有提高，但整體趨勢(shì)仍然表現(xiàn)為硬度下降，焊縫區(qū)平均維氏硬度為220，且焊接接頭整體硬度較沖擊前均勻。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）不同激勵(lì)電流下超聲沖擊對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的消除效果差異較大，綜合表面形態(tài)和殘余應(yīng)力消除效果等因素，當(dāng)激勵(lì)電流為2.0 A時(shí)，殘余應(yīng)力消除效果最佳。

（2）超聲沖擊對(duì)焊接件的高頻能量輸入，對(duì)焊接件表面產(chǎn)生了高頻的機(jī)械強(qiáng)化作用，使其發(fā)生較大的塑性變形；同時(shí)對(duì)焊接件內(nèi)部的晶粒產(chǎn)生高頻振動(dòng)作用，使其微觀晶格發(fā)生畸變，而超聲沖擊持續(xù)的高頻振動(dòng)輸入致使晶格進(jìn)一步發(fā)生位錯(cuò)增值、晶界遷移等變化，最終使晶粒變得細(xì)化和均勻。

（3）對(duì)于焊接接頭同一深度不同區(qū)域，其硬度分布為焊縫區(qū)硬度最高，熱影響區(qū)其次，整體趨勢(shì)為硬度下降。經(jīng)超聲沖擊處理后，焊接接頭整體硬度較沖擊處理前有所提高，且硬度分布較沖擊前均勻。

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Experiment Elimination Plan of Residual Stress on Bogie Frame Wlding Joint with Ultrasonic Impact Technology

Ying Zhiding，Gao Liqun，F(xiàn)an Qingfeng

AbstractTo eliminate the residual stress on bogie frame welding joints，ultrasonic impact technology is attempted. An experiment plan is proposed to test the residual stresses of welded joints before and after UIT，the variation characteristics and laws of the residual stresses.The microstructure and conventional mechanical properties of welded joints are examined by using UIT，which shows that the strength of welded joints is improved to some extent.

Key wordsbogie frame；welding joint；residual stress；ultrasonic impact technology（UIT）

中圖分類號(hào)U 270.331

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.010

收稿日期：（2015-01-19）