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提升焊接转向架安全性能的建议

提速客车转向架(CW-1(2)、206KP〔WP〕SW160、209HS)构架大部分都是由钢板焊接而成，对焊缝性能方面的质量要求极高。转向架构架受到动载荷相当大，构架的损坏绝大多数是由于焊缝处的疲惫裂痕引起，因而焊缝是构架耐久性的薄弱环节。在转向架构架的制定制造时，必须重视提升焊缝的疲惫强度。通过对四个厂的评估发现，目前转向架构架焊接工艺还不能完全满足制定要求，构架焊缝的质量较差，焊缝的疲惫强度普遍偏低，直接影响到构架的寿命。就提升焊接转向架疲惫强度方面提出以下个人观点和建议：
一、提升焊接构架的制定质量，降低构架的制造难度
在焊接构架的制定时，工艺人员应积极配合制定人员，使焊缝的制定更合理，焊接工艺性更好。同时制定人员应参加焊接工艺评审和评定工作，以验证焊接工艺能否达到制定要求。从而使焊接接头的制定和焊缝布局更趋合理。
1、构架焊缝的制定和构架焊接应注意以下几个问题：
⑴应保证构架上的作用力均匀分布，避免不必要的应力集中；
⑵受力大的部位和拉应力区，尽量不布置焊缝，对不可避免的焊缝应尽量布置在低应力区或受压应力区；
⑶拉应力区的角焊缝应制定成双角焊缝或单边V型焊透焊缝 ，压应力区的焊缝制定成单边V型焊缝；
⑷对截面变化较大的部位应采用较大的过渡半径，去除棱边和沟槽等，避免急剧的截面过渡；
⑸侧梁、横梁制定时，应尽量减少焊缝，上、下盖板对接等焊缝，应采纳为全焊透焊缝，并要注明焊缝的探伤方法和标准；
⑹当不同板厚进行对接接头制定时，应对厚板部分进行削平处理，并对焊缝进行打磨处理，使焊接处圆滑过渡；
⑺构架主要焊缝的表面质量要保证，要通过优化焊接工艺和焊后焊缝表面处理工艺，改善焊缝表面的几何形状，减少焊缝表面的应力集中和表面缺陷；
⑻提升构架的焊缝质量，消除焊缝表面和内在的缺陷。
2、为了提升构架的疲惫强度，在焊接构架制定和构架生产时还应注意：
⑴优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；
⑵采纳角焊缝时，最好采纳双面焊缝，避免使用单面焊缝；
⑶角焊缝焊接时，特别是侧梁、横梁、摇枕等角焊缝应尽量采纳船形位置进行焊接，实现理想的凹型焊缝；上、下盖板等部位的端面焊缝，焊接时尽量采纳不等腰焊缝；
⑷采纳带有搭接盖板的搭接接头，尽量不用偏心搭接；
⑸将焊缝制定在低应力区，高应力区尽量不制定焊缝；
⑹构架焊接时，应尽量降低焊缝表面的应力集中；减少构架的焊接变形和残余应力；严格控制焊接线能量，保证焊缝力学性能达到制定要求；严格执行焊接工艺，尽量减少焊接缺陷；
⑺容易产生疲惫的焊缝部位应首先焊接，以有利于焊接残余应力的释放，避免应力集中。
二、强化转向架用材料的研究和选用
1、强化构架原材料的选用工作。
⑴目前，提速客车普遍采纳16Mn、16MnR、Q345B等材料，这些材料的力学性能和焊接性能较为稳定。但是这些材料的化学成份变化较大，低温冲击韧性较差，对焊接构架的疲惫强度影响较大，这一点戚所已通过试验得到证实。为了提升转向架构架的疲惫寿命，建议铁道部组织相关单位对转向架材料进行研究，选用一种强度适当、韧性好、焊接性能好。疲惫强度高的材料取代目前的16 Mn〔或16MnR〕材料，戚所的初步研究说明，我国现有的材料Q345E〔相当于16Mq、14MnNbq〕材料，力学性能和疲惫强度都优于16Mn材料。为了使这一材料尽快应用于构架生产上去，应加大研究的力度和深度，为构架的制定提供科学的依据。
⑵强化铸钢材料的研究。SW-160构架部分零部件采纳铸钢件，减少了焊缝数量，提升了构架的可靠性，但目前铸钢件大部分采纳ZG230-450，该种材料性能较差。B级钢材料化学成份易控制，可焊性好，低温冲击值较高，疲惫强度较高，建议提速客车采纳B级钢铸件取代目前的ZG230-450。同时还要不断研究开发高强度、可焊性好的铸件。为高速车焊接构架的生产做好技术准备。
⑶要强化杆件类材料的研究。目前，提升客车杆件类材料大部分采纳Q235A、45#钢、40Cr调质钢等材料，在过去的使用过程中，都发生了不同的质量问题，影响了铁路的行车安全。建议部里组织相关单位对杆件类材料的力学性能、热处理工艺、探伤工艺和焊接工艺进行研究，并制定相关标准，尽快提升杆件类零部件的质量。
2、强化构架新材料的研究。
为了适应高速列车运行要求，必须研究新的轻型高强度材料，以达到减轻重量提升疲惫强度的目的，建议部里组织相关单位对低合金高强钢、细晶粒结构钢、不锈钢等材料应用到转向架上的可行性进行研究。同时，还要重点研究这些钢的缺口敏感性，为开发高质量的焊接构架提供理论依据。
3、制订材料采购技术标准，保证材料质量达到制定要求。
我国目前的材料标准要求较低，部分材料的性能、成份波动较大，给构架生产带来很大困难，为此建议：⑴制订严格的材料技术标准，铁道部组织定点厂家生产；⑵各工厂要对进厂材料进行复验，并将复验报告存档；⑶对重要零部件材料采纳超声波探伤检查；⑷对构架原材料应进行预处理，防止表面生锈，影响材料质量。
三、强化构架疲惫强度的研究
为了确定CW-1〔2〕、SW-160、206KP、209HS等转向架的疲惫寿命，建议铁道部组织相关单位对以上提速车转向架的材料、制造工艺、焊接工艺、焊后焊缝表面处理工艺、构架焊后时效处理工艺进行研究，并优化各种工艺。依据优化的工艺各工厂焊接3-4台转向架构架，进行疲惫强度对比试验，依据试验结果进一步的优化相关工艺，并制订相关技术标准，用于指导生产。在疲惫试验过程中，要深入研究材料缺陷、焊接缺陷、应力集中等对疲惫强度的影响。为此，在试验前后，必须对构架主要受力部位〔包括主要受力焊缝〕进行探伤检查，试验完成后，对构架的主要部位进行解剖分析，检查焊缝金相、焊接缺陷扩大状况等。同时，还要对关键零部件〔受力杆件等〕进行寿命的试验。
四、焊后焊缝表面处理工艺的研究
焊接构架的破损主要是焊缝的残余应力集中造成，而焊缝表面的应力集中又与其表面几何形状有关，因此提升焊缝疲惫强度的有效方法是改善焊缝表面的几何形状。目前，生产提速客车的四个工厂大多数采纳焊缝打磨工艺，各别工厂也采纳了TIG重熔工艺来改善焊缝表面的形状，取得了一定的效果，但都未对打磨工艺、TIG重熔工艺进行研究，因此，焊缝表面处理的质量难以保证。国外目前采纳较多的工艺有：焊缝表面打磨处理工艺，焊缝表面TIG重熔处理工艺，焊缝表面喷丸强化处理工艺，焊缝表面进行超声冲击处理，焊缝表面高压水射流处理工艺等，戚所已对打磨处理工艺、TIG重熔处理工艺等进行了试验验证，取得了较好的效果。建议：部里组织相关单位，对焊缝表面处理工艺进行系统研究，并将研究结果应用到构架的生产中去。
1、焊缝表面打磨处理工艺。
焊缝表面打磨工艺分为整体打磨、局部打磨。焊缝表面整体打磨，就是对焊缝表面进行整体磨光，主要用于对接焊缝的打磨；局部打磨是用砂轮打磨焊趾四周区域，以改变焊缝表面的形状；焊缝打磨可以改善焊缝表面的几何形状，彻底消除表面缺陷，因而，可大幅度提升焊缝的疲惫强度。但焊缝表面打磨工艺效率较低。
2、焊缝表面氩弧〔TIG〕重熔处理工艺。
对焊缝表面焊后采纳氩弧重熔处理，可以改善焊缝表面的几何形状，使其平滑圆顺，从而大幅度地提升焊缝的疲惫强度，同时，重熔处理还细化了焊缝组织晶粒，提升了抗裂性能。TIG重熔处理工艺大多数用于长大角焊缝的表面处理，但生产效率比打磨工艺要高的多。TIG重熔工艺分为焊缝整体重熔和焊趾局部重熔两种。为了提升TIG重熔工艺的质量和效率，建议采纳自动TIG重熔处理工艺。
3、焊缝表面喷丸强化处理工艺。
喷丸处理是以压缩空气为动力，将丸粒喷射到焊缝表面及其四周，使焊缝表面产生压应力；而且焊缝表面和焊趾变得平滑圆顺。从而提升了焊缝的疲惫强度。喷丸处理工艺主要用于构架修理补强后焊缝的表面处理。
4、焊缝表面进行超声波冲击处理工艺。
该工艺是比较先进工艺，目前，国内有些高矫正在进行研究试验，试验说明，该工艺具有效率高，提升疲惫强度显然等优点。
5、高压水射流处理工艺。
该工艺是将具有100Mpa以上压力并带有磨料的高压水高速喷向焊缝的焊趾四周，使表面进行磨光加工产生压应力，改善焊缝表面几何形状，达到提升焊缝疲惫强度的目的。但该装置结构复杂，设备购置费较高。
以上几种工艺对提升焊缝疲惫强度有很大好处，建议部里组织相关单位对以上工艺进行深入研究，并不断优化工艺，制定相关技术标准，最终将该工艺应用到构架的生产中去。
为了使以上工艺得到很好的应用，各工厂应依据试验研究的状况，焊接2-3个焊接构架进行疲惫对比试验，对工艺进行进一步的验证。
五、构架焊后时效处理工艺的研究
建议部里组织相关单位对构架焊后时效处理工艺进行深入研究，目前四个客车厂采纳的是退火消除残余应力、振动时效消除残余应力和喷丸处理工艺。但各工厂对目前采纳的工艺都没有进行大量的试验验证。有些采纳国外热处理工艺，有些采纳高校制定的振动时效工艺，由于对时效处理的结果无法检查，因此，不能判断目前各工厂采纳时效工艺到底效果如何。各种工艺都有其局限性，如果工艺不合理，有些可能达不到预期效果，有些可能会产生新的缺陷。
1、退火消除残余应力，四方厂、浦镇厂、唐山厂采纳该工艺，而且三个工厂对热处理的效果都不做检查，也无法进行检查。退火可以消除构架的焊接残余应力，但这种工艺无法改变焊缝的几何形状，而且温度过高，容易引起构架的局部软化，温度过低，消除应力的效果不够显然。因此，部里应制定构架退火处理标准，以规范构架退火工艺。
2、振动时效消除残余应力，长客厂、浦厂、唐山厂采纳该工艺，而且三个工厂做的试验不同，选用的设备、规范参数也不相同，三个工厂对处理的效果不做检查，振动时效可以部分地降低残余应力的峰值，但如果工艺规范参数选择不当，可能会产生新的残余应力，达不到消除应力的效果。因此，部里应制定振动时效的标准。
3、构架表面喷丸处理工艺研究。
要研究喷丸强化工艺对构架表面残余应力和疲惫强度的影响，并对喷丸工艺进行优化，确定最正确的丸粒直径、空气压力、喷丸速度、工件移动速度等参数。
六、优化转向架焊接工艺，不断提升焊接工艺水平
通过四个厂的评估，虽然四个工厂这几年焊接设备的水平在不断提升，四个工厂也都进行了不少焊接机械手，但一般存在焊接工艺较落后的现象，从而导致了构架焊接质量较差，疲惫强度低，影响了提速车的行车安全。因此，建议各工厂要进一步优化焊接工艺，不断提升焊接工艺水平，转变焊工的质量意识和观念，提升构架的焊接质量和疲惫强度。建议各工厂要做好以下几个方面的工作。
1、进一步提升构架组对的质量。
组对质量的好坏，直接影响到焊缝的焊接质量。从四个工厂的状况来看，四方厂构架组对质量较好，其它三个工厂构架组对质量较差，普遍存在组对间隙不均匀，坡口钝边大，工作表面质量差，点焊不规范，点焊缝有开裂和气孔等现象。有些工厂组装胎位精度差，构架组对精度不高，难以满足焊接要求。建议各工厂要重视组对质量，从基本抓起，否则焊接质量难以提升。
关于关键的受力焊缝，建议采纳氩弧焊进行组对点焊和根部打底焊，这种工艺在国外高速构架的焊接中已被采纳。
2、进一步优化转向架构架的焊接工艺，不断提升焊接工艺水平。
⑴目前四个工厂在构架焊接中已普遍采纳富氩保护焊，焊接质量比原来有所提升。但所选用的焊丝为国产CO2焊丝，焊缝性能较差，建议各工厂选用富氩焊专用焊丝，以进一步提升焊缝的力学性能。
⑵采纳药芯焊丝可以实现理想的凹型焊缝，减少焊接缺陷，提升焊缝内在质量，进一步提升焊缝的疲惫强度，但目前各工厂都没有使用药芯焊丝。建议各工厂尽快应用。
⑶在焊接接头制定、坡口制定、焊接工艺制定等方面，各工厂应汲取国内外先进经验，不断地进行试验验证，提升焊接工艺水平。同时，各工厂尽快淘汰老的焊机。购置性能较好的焊机，不断提升焊接设备的自动化水平。减少人为因素对焊接质量的影响。
⑷强化机械手焊接工艺的研究。四个工厂都引进了国外的焊接机械手焊接构架，但焊缝的焊接质量普遍不高，机械手的优点没有 得到充分发挥。建议各工厂要加大对机械手焊接工艺研究的力度。同时，还要研究焊接顺序对焊接变形的影响。尽量减少焊接变形和焊接残余应力。对主要受力焊缝和外观要求较高的焊缝，建议采纳手工焊打底〔或TIG焊打底〕，中间层采纳富氩焊，表面采纳机械手药芯焊丝盖面工艺，这样可提升焊接生产效率，使焊缝外观质量有较大提升。
⑸重视弧坑处理工作。目前 ，四个工厂对弧坑的处理都不重视，普遍存在弧坑裂痕、气孔等缺陷，对构架的疲惫强度有较大影响。建议各工厂在编制工艺文件时，对引弧端和弧坑处理要有明确规定。
七、建立焊接工艺评审和焊工考核制度，提升构架焊接质量
从四个工厂状况来看，普遍对工艺评定工作不够重视，有些工厂甚至没有开展此项工作。焊工考核四个工厂虽然都在进行。大多是形式主义，没有取得较好的效果。四方厂在焊工的培训考核方面做工的较好，构架的焊接质量较好，该厂经验值得推广。
1、建立焊接工艺评定制度。
焊接工艺评定可以在产品研制阶段验证实工艺能否满足制定要求。同时，依据工艺评定结果编制焊接工艺文件。为了使焊接工艺文件更趋有用、合理，便于焊工操作，建议编制焊接工序管理图代替产品图纸指导生产。〔可参照四方厂经验〕
2、强化焊工培训和考核工作。
强化焊工的培训和考核，定期组织焊工参加培训和资格考试，依据考核结果对焊工进行技能分级管理，使主要焊缝由高等级焊工焊接，同时，要依据产品状况制定准确的焊接技术额，促进焊工提升技术水平，保证构架的焊接质量达到制定要求。
3、对构架焊缝进行质量等级分类〔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类〕，并制定不同等级焊缝的检验方法和检验标准。
建议构架的制定师对构架的所有焊缝进行等级分类，依据构架焊缝受力状况的不同进行分类，主要受力焊缝为Ⅰ类，要求采纳超声波探伤，焊缝不同意有未焊透、未熔合、裂痕等缺陷；次要受力焊缝为Ⅱ类，要求采纳磁粉探伤，表面不得有裂痕、气孔，咬边等缺陷；一般焊缝为Ⅲ类，要保证焊角尺寸，焊缝表面没有缺陷，不用探伤检查。
工艺人员依据构架焊缝的等级，选派不同的焊工进行焊接，这样就可以保证每条焊缝的焊接质量达到制定要求，也使构架的焊接质量有了保证。
八、强化学术交流、技术交流和技术攻关，不断提升提速转向架的制造水平。保证提速车转向架的质量达到制定要求。
建议铁道部和南北集团公司定期组织学术研讨会、技术经验交流会，不断提升各工厂的技术水平。同时，还应对各厂的共性问题组织联合攻关小组，充分发挥科研院所的作用和积极性，使科研更好地为生产服务，加快科技成果转化为生产力的速度。