焊接质量对转向架构架使用寿命的影响
文章编号:1007-6077(2001) 01-0042-04
焊接质量对转向架构架使用寿命的影响
[法国]Bernard LAFAIX
摘 要:机械焊接结构的转向架的质量问题多由焊接缺陷引起。本文探讨了铁路车辆转向架构架的侧板和腹板上出现焊接缺陷的原因。消除这些缺陷的办法是采用厚钢板(12mm ) 进行局部补强或整体补强, 取消管状横梁。对转向架构架的焊修工艺作了详细介绍。
关键词:铁路车辆; 转向架; 构架; 焊接生产; 修理中图分类号:U 279. 4 文献标识码:B
1 引言
安装在1978年～1979年制造的XR6000型内
燃拖车上的Y 232型转向架构架于1992年初在底板上出现了裂缝。
横梁与纵梁相接的四个角上产生的局部裂缝, 首先是由腹板—底板接合处的焊透缺陷引起的, 并逐步演变成疲劳裂纹。本文旨在阐述焊接接头的设计对焊接的难度、构架使用寿命以及对维修构架所需费用产生的影响。
机械焊接转向架构架的批量生产, 采用的是全嵌角焊接方式, 这样对接合处的耐疲劳强度造成许多不利因素(参见图1)
。
于线路状况较差(曲线半径小、道岔多、线路状态不佳) 要想保证地区性快车正常运营还是很艰难的, 这种型式拖车, 曾有三次订货:
——XR6000型, 1978年～1979年制造, ——XR6100型, 1984年～1986年制造, ——XR 6200型, 1987年～1990年制造。3 Y 232型构架的构造
转向架构架由两个侧架和两个双中梁组成。侧架和中梁均为箱形结构, 都是用厚度为7m m 的A 42FP 钢板焊接而成(参见图3)
。
图2
新焊接接头
图1 原焊接接头
实际上, 使焊接接头四周的焊缝保持一致是相当困难的, 这会导致焊接结构变形, 并且还会出现焊不透或过度焊透等焊接缺陷。
为避免出现这类缺陷, 近年来法国国营铁路公司逐步采用一种封根局部嵌角焊接方法(参见图2) 。这样焊接就容易得多了。2 Y 232型转向架简介
XR6000型拖车采用铝合金制成, 被称为“中央高原拖车”, 装用Y232型转向架, 使用动车牵引。虽然拖车的轴重相对较小, 只有十几吨左右。但是, 由
图3 构架总体图
此外, 构架还带有几个铸件(2个转向架——车
体牵引座、4个制动装置支座、轴箱定位杆座等) 。
1992年初, 在使用过程中检查出第一例构架裂纹。因此, 很快建立了一个能够及时发现构架故障的监测系统。
检测结果表明:第一批投入运营的转向架在运行1×106～1. 5×106km 后, 有40%出现了一条或几条裂缝; 而已运行3×105～6×105km 的第二批
和第三批拖车转向架尚未发现任何裂缝。
根部, 逐渐扩展到根部附近60mm 处(参见图6)
。
图6 产生裂纹的位置
通过转向架构架模型可以看出, 在垂直负荷作用下, 这个位置应力最大, 其它作用力所产生的应力可忽略不计。因此计算时只考虑垂直方向的作用力就可以了。图7为原构架下底板的应力分布情况, 图8为构架侧架外侧腹板应力分布情况。
由此可见,
下底板圆角处所受的应力最大。
图4 裂缝的分布(裂纹总数)
裂纹出现在侧架的下底板上, 位于管状横梁和侧架腹板之间, 靠近两者相接的圆弧中部位置, 必需
指出的是, 1、4、5处比2, 3, 6和7处出现裂纹的频率还高(参见图4) 。
这种不对称性产生的原因是转向架—车体在每根横梁上的牵引座铸件的成对角线布置(参见图5)
。
图7
底板内的应力分布
图8 外侧腹板内的应力分布
同时, 横梁两侧边缘的应力值也大。图8表明侧架箱形结构外侧应力不太大, 侧架箱形结构腹板颈部边缘应力最大。
经过研究, 找到了几种解决方法, 主要有:
——使用厚度为12m m 的钢板进行局部补强;
图5 转向架的布置
——使用厚度为12m m 的钢板进行整体补强; ——取消管状横梁。
图9为改造后的应力分布情况。可以看出, 容易产生裂缝的部位应力值降低了25M Pa 。增加底板厚度可获得很好的效果。
尽管从应力方面看未见有很好的效果, 但还是采取了取消管状横梁和采用封底焊两项措施。实际上, 这种办法对转向架构架“损伤”最小。
4 产生裂纹的原因
从图中可以看出, 在完全焊透的底板和腹板的连接焊缝上, 存在很多焊接缺陷, 尤其是未熔合、焊透过度、有焊滴等。
在裂纹还未扩展到整个底板之前, 裂纹起初是
产生于箱形结构的内部, 位于焊透过度部位的焊缝
以除去油漆及可能存在的锈蚀痕迹。
采用等离子切割, 在侧架的箱形结构腹板上切割4个120×125mm 的椭圆形开口(参见图10) 。
在距上盖板40m m 处, 将4个管状横梁用氧气切割去除(参见图11) 。
将准备好的转向架放到专用焊接胎位上, 准备
图9
改造后的底板应力分布
进行焊接。
磨去原有焊缝的焊透部分, 并进行磁粉探伤。如有裂纹, 则在底板上凿一个3m m 的半圆槽(参见图12)
。
图12 内部准备
图10
侧架腹板上的开槽
重新进行磁粉探伤, 确认裂纹是否完全除去。然后, 焊敷两道焊道, 同时对底板侧的根部焊缝实施T IG 重熔, 以提高该焊接接头的疲劳强度(参见图13) 。
如裂纹没有被完全除去, 焊接人员可通过磁粉探伤, 沿信号线从外面凿一个半圆槽(参见图14) ,
然后进行焊接并磨平焊接处。
图11 研究后的不同的改造情况
5 修理工序
打开侧架腹板
↓
氧气切割管状横梁
↓
开口的加工
↓
修复裂纹
↓
修复底板
↓
修复侧架腹板
↓
将完全拆卸的转向架构架进行表面喷丸处理,
图13
内焊道的布置
图14 外部修理
接着修复底板:采用M AG 焊从外部用两道焊道焊接钢片, 底层焊道的根部从内部采用T IG 焊重熔。这种方法不需从侧架箱形结构里面将接口磨平, 因而更受焊接人员的青睐。
第一道焊缝使用T IG 焊焊接椭圆形开口。填充焊采用M AG 焊。焊缝无需磨平。
无缝隙直板的预制, 可显著减少变形。为有效利用激光焊接, 法国国营铁路公司已决定将激光焊接应用到10台批生产的转向架上(底板的补强板和椭圆形开口) 。目前, 激光器已经用于转向架侧架的切割开口, 在钢板上开槽, 无填充金属的焊接。7 结论
Y232型转向架的实例表明:在应力集中部位考虑到生产中焊接成功的难度以及由此引起的焊接缺陷, 是非常有益的。
图15 接合处的局部消除应力处理
最后在上盖板上将半圆槽焊接好, 以确保侧架箱形结构的密封性能。
然后, 转向架要进行局部消除应力处理:即对侧架—摇枕的两个接合处进行局部消除应力处理(参见图15) 。
对这种修理来说, 向上凸起的变形可以忽略不计:与基准面相比, 垂直方向可以有3～4m m 的变形, 而另两个方向上则不能有丝毫的变形。6 激光的使用
尽管这种情况目前不用担心, 但法国国营铁路公司的维修人员在维修过程中仍重视出现的焊接结构变形问题。从ZAT 的狭窄通道经过的激光以及
最初的维修在1992年底完成, 至今结果令人满意, 但是在使用10年后就出现最早裂纹的情况下, 要确定维修是否有效还为时过早。
维修中采用这种方法, 往往很难控制变形, 激光焊接技术的使用, 在这个领域内开辟了令人瞩目的前景。
最后, 成本过高的问题不容忽视, 例如焊修Y232型转向架就需40h 左右。与常规检修作业相比, 成本高的原因在于多余的拆除、搬运以及维修本身。
译自法国《1998, №3, 12～16So uder 》
陈 琳 李佰和译 王其利校
收稿日期:2000-08-12
・简 讯・
可调式MIG/MA G 焊机
焊接薄板和中等厚度板时, 要求有高质量且无需补焊的焊接技术。用户常常采用经济的M IG/M AG (MSG ) 脉冲电弧焊工艺。
为了在脉冲电弧焊时获得可控而不间断的熔滴过渡及一定的熔滴量, 采用恒流/恒压调节(调制方式为脉冲U /I) 。然而, 这种调节方法针对接触管电阻的变化则效果不佳。其结果是产生断续现象的焊接飞溅物。
为了改善这一状况, 人们便尝试借助所谓的“协同表”来优化调制方式。然而, 这种众所周知的技术却未能取得任何成果, 因为这种“内部调节”就象在脉冲U /I 的调制方式下一样不存在。
因此, 德国Dalex 公司在其新型“可调M IG ”焊
机上进一步发展了脉冲I/I 的调制方式, 并通过4个比例调节器将其与电弧长度调节结合起来。反之,
电弧长度与电弧压力成正比。因此, 后者可视作电弧长度的调节值。借助“电弧微调”调节器, 其大部分安装在送丝机上, 用户可手动修正目标值——电弧长度或电弧电压。目标值可按焊接部分的“U-Ziel(目标) ”参数校准。
今后, 用户在难焊的条件下, 如焊接薄铝板, 板厚变化大或在仰/俯焊接时, 均能获得符合要求且无飞溅物的高质量焊缝。
译自瑞士《1999, №21, 64Technica 》
吴云兴译 张孝仁校