（光学工程专业论文）转向架副构架焊接接头残余应力测定与焊接仿真分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路运输事业的快速发展，为满足铁路货物运输高速、重载的要求，提 高公司铁路货车产品竞争力，公司在引进国外先进转向架技术的基础上，研制了铁道 货车新型转k 7 型转向架。由于转k 7 型转向架铸造u 型副构架的特殊结构特点，结合 目前公司铸造工艺技术，u 型副构架的制造工艺采取把副构架整体分为两个鞍、一个 臂共三段进行分段铸造，然后通过机械加工，采用焊接方式把鞍、臂对接焊接在一起， 形成完整的u 形副构架，最后进行后期的机械加工。因此，采用合理的焊接工艺，确 保副构架焊接接头质量的可靠性，对铁路运输安全尤为重要。 本论文对焊接残余应力的产生机理和常用的焊接残余应力消除与调整方法进行了 阐述，并采用专业仿真分析软件s y s w e l d 对转向架副构架进行了焊接仿真分析，计算 分析了焊接过程中不同状态下焊接温度场分布、焊接残余应力场分布及副构架焊接在 不同拘束状态下的焊接变形，根据仿真计算数据及曲线图，对副构架焊接接头进行了 分析；采用加拿大p r o t o 公司的i x r d 残余应力测试仪对副构架焊接接头在焊接状态和 振动时效状态下分别进行焊接残余应力测定，测定了焊缝表面周围处的焊接应力分布， 并进了两种状态下焊接残余应力的对比分析，阐述了振动时效对降低副构架焊接接头 残余应力的现实意义。 研究分析结果表明，采用专业仿真分析软件s y s w e l d 分析的副构架焊接接头残余 应力分布和变化趋势与x r d 应力测试的残余应力分布数据基本匹配，通过制定合理的 焊接工艺，采用机械振动法能够降低焊接残余应力，基本能满足产品的安全性需求。 为转向架副构架焊接接头质量安全性评估提供了一定的参考价值。 关键词：焊接仿真分析；焊接残余应力；振动消除应力；x 射线衍射法 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ne n t e r p r i s eh a saf a s td e v e l o p m e n ti nc h i n a ，t os a t i s f yt h eh i g h s p e e d ，h e a v yl o a dr a i l w a yc a r g ot r a n s p o r tr e q u i r e m e n t s ，i m p r o v er a i l w a yf r e i g h tp r o d u c t c o m p e t i t i v e n e s s ，i nt h ei n t r o d u c t i o no ff o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g yo nt h eb a s i so ft h e s t e e r i n gr a c k ，d e v e l o p e dar a i l w a yf r e i g h tc a rm o d e lo fz h u a nk 7t y p eb o g i e a so fk 7b o g i e s i d ef r a m ec a s t i n gt y p eus p e c i a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o m b i n e dw i t ht h ec u r r e n t c o m p a n yf o u n d r yt e c h n o l o g y ，ud e p u t yf r a m em a n u f a c t u r i n gp r o c e s st a k e sas i d ef l a m ei s d i v i d e di n t ot w os a d d l e ，at o t a lo ft h r e es e c t i o n ss e c t i o nc a s t i n ga r m ，t h e nt h r o u g h m e c h a n i c a lp r o c e s s i n g ，w e l d i n gt h es a d d l e ，a r md o c k i n gw e l d e dt o g e t h e r ，f o r mac o m p l e t eu s h a p e ds i d ef l a m e ，f i n a l l ya f t e rm e c h a n i c a lp r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，t h er a t i o n a lw e l d i n g p r o c e s s ，e n s u r et h a tt h es i d ef r a m ew e l d i n gj o i n tq u a l i t yr e l i a b i l i t y ，t h es a f e t yo fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t t h es t u d yo nw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sg e n e r a t i n gm e c h a n i s ma n dc o m m o nw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s se l i m i n a t i o na n da d ju s t m e n tm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h eu s eo f p r o f e s s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r es y s w e l do nb o g i es i d ef l a m ew e l d i n gs i m u l a t i o na n a l y s i s ， c a l c u l a t i o na n da n a l y s i su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n si nt h e w e l d i n gp r o c e s sw e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l d ，w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds i d ef r a m ew e l d i n gi nw e l d i n g d e f o r m a t i o no fd i f f e r e n tr e s t r a i n tc o n d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nd a t aa n dt h ed i a g r a m o fc u r v e s ，t h es i d ef r a m ew e l d e dj o i n tw e r ea n a l y z e d ；t h ec a n a d i a nc o m p a n yp r o t oi x r d r e s i d u a ls t r e s st e s t e rf o rs i d ef l a m eo fw e l d e dj o i n t si nw e l d i n gc o n d i t i o na n dv i b r a t i o na g i n g c o n d i t i o na r er e s p e c t i v e l yw e l d e dr e s i d u a ls t r e s sm e a s u r e m e n t ，d e t e r m i n a t i o no fw e l d s u r f a c es u r r o u n d i n gt h ew e l d i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o n ，a n di nt h et w os t a t et h ew e l d i n gr e s i d u a l s t r e s sa n a l y s i s ，e l a b o r a t e dt h ev i b r a t i o na g i n go nl o w e rs i d ef l a m eo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ，u s i n gp r o f e s s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r es y s w e l da n a l y s i s o fs i d ef l a m eo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o nt r e n da n dx r ds t r e s st e s t f o rr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n d a t am a t c h i n g ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fr e a s o n a b l e w e l d i n gp r o c e s s ，u s i n gm e c h a n i c a lv i b r a t i o nm e t h o dc a nr e d u c et h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 c a l lb a s i c a l l ym e e tt h ep r o d u c ts a f e t yd e m a n d f o rt h eb o g i es i d ef l a m ew e l d i n gj o i n tq u a l i t y s a f e t ya s s e s s m e n tp r o v i d e sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：t h es i m u l a t i o na n a l y s i so fw e l d i n g ；w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ；v i b r a t i o nt o e l i m i n a t es t r e s s ；xr a ym e a s u r e m e n tm e t h o d 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 随着我国社会主义市场经济的不断发展，铁路运输行业竞争越来越激烈，这就要 求铁路运输向“重载、高速”迈进，以满足货主对铁路货运快捷、重载、安全、可靠 等越来越高的要求。大力研制大轴重、高速和性能可靠的新型转向架，在相同条件下， 以提高铁路运输能力，适应我国铁路运输发展的需要，具有时代的紧迫性和发展的必 然性【1 1 。 由于重载列车的轴重增加了，造成车辆对轨道动、静两个方面较大的作用力。为 了减少对轨道的损伤，应研制和改进转向架的结构和性能，减少因增加轴重而对轨道 的破坏作用。因此需要在加大轴重的同时降低轮轨间的相互作用，减轻曲线上轮轨间 的运行阻力和磨耗，提高综合运输效益。只有这样，通过改善和提高转向架的动力学 性能，提高其运用安全性，实现重载和提速来提高铁路运输的经济效益。正是基于此， 中国南车集团眉山车辆有限公司引进了南非先进、成熟的s c h e f f e l 转向架技术进行了 转k 7 型转向架【2 的研制，以改善车辆动力学性能和运行品质。 由于转k 7 型铸造转向架副构架的特殊结构特点，结合目前公司铸造工艺技术， 副构架采取分为鞍、臂三段分段铸造，并采用焊接方式把三段鞍、臂连接在一起，形 成完整的u 形副构架。因此，通过采用合理的焊接工艺，确保焊接质量的可靠性，对 铁路运输安全尤为重要。 焊接残余应力与变形是由焊接时不均匀加热引起，它影响着产品的焊接质量和使 用性能，焊接结构破坏事故大多是由焊接残余应力所引赳3 卜 5 1 。特别是在承受动载荷 的焊接结构中，焊接残余应力在机械振动的工况下会发生重新分布，残余应力的峰值 大小和分布将会影响焊接构架的尺寸精度、结构强度以及安全可靠性【6 1 。文献7 1 中研 究认为焊接残余压应力对焊接结构承载可靠性有利，而拉应力对焊接结构产生不利影 响，因此准确测试焊接结构残余应力对于控制转向架副构架残余变形、优化焊接工艺、 评估其安全可靠性具有重要的意义【8 1 。 机械振动消应力法能够使焊接结构残余应力的峰值降低，使残余应力重新分布【9 】 【l o 】。目前国内外采用x 射线衍射法( x r d ) 1 1 1 3 1 对焊接转向架副构架残余应力的研 究还很少。由于x r d 法计算理论成熟、测试方法可靠、测试精度较高，能够满足残 余应力测试要求，因此，采用x r d 法对焊接转向架副构架焊接态、机械振动态残余 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 应力无损测试，研究对比机械振动前后副构架焊接残余应力大小和分布，并采用有限 元法( s y s w e l d 专业分析软件) 对副构架焊接态焊接残余应力分布及焊接变形进行 仿真分析，对副构架焊接接头质量评估有较大使用价值。 1 2 本论文研究的内容、目的和方法 本论文研究的主要内容是针对转k 7 型转向架副构架进行焊接仿真分析，对副构 架焊接温度场、焊接应力分布及焊接变形数据进行分析，并采用x 射线衍射法对己进 行焊接的副构架在两种状态下进行焊后焊缝表层焊接残余应力的测赳1 4 】 ”】，即焊后 进行振动时效的副构架和焊后未进行振动时效的副构架，根据测定数据进行对比分 析。研究目的是通过仿真分析及实物焊接应力测定对副构架焊接工艺进行验证，掌握 振动时效对副构架焊接残余应力的降低情况。本论文使用的方法主要是使用焊接专业 分析软件s y s w e l d 进行仿真分析，采用加拿大p r o t o 公司的i x r d 残余应力测试仪 对副构架焊接接头进行焊接残余应力测定。 1 3 课题研究中使用的软件和应力测定方法 1 3 1 焊接仿真分析软件s y s w e l d e s i 集团的焊接模拟仿真解决软件起源于法国核工业巨头法玛通公司，当初是为 了解决焊接过程中的变形和应力分布而发展起来的，现经过2 0 多年的发展，在核工 业方面已经积累了丰富的经验和案例，已在全球成为热处理、焊接和焊接装配过程模 拟的领先技术方案，其能够全面考虑材料特性、设计和工艺过程，是包含强大的网格 划分、完善的材料数据库、简单易用的焊接热处理专家向导等的专业的成熟的焊接 模拟仿真全面解决方案，是迄今为止世界上唯一整合了各种焊接方法的有限元模拟仿 真解决方案，是世界上应用的成熟、广泛、专业的焊接模拟仿真软件，是融合了前端 可行性评估，几何和过程优化，及详细的过程验证于一个软件系统。 s y s w e l d 是一款专门用于进行焊接和热处理模拟分析的软件。它的焊接模拟分 析包括有网格划分，焊接向导，解算器及一些必要的模块；集前后处理、解算功能于 一体。 s y s w e l d 能够引导工程师实现： ( 1 ) 评估工件残余变形 ( 2 ) 将残余应力降至最小及分布情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 3 ) 判断工件微观组织的分布和含量 ( 4 ) 研究几何、材料和过程参数的敏感性 ( 5 ) 优化焊接和热处理工艺过程 ( 6 ) 优化焊接装配过程中的焊接顺序等工艺过程 1 3 2x 射线法测定焊接残余应力原理 x 射线衍射法( x r d ) 是一种常用的测试金属表面残余应力的无损检测法。当x 射 线照射入晶体材料表面时，将发生衍射现象，当其衍射角0 同晶面间距d 满足布拉格 公式2 d s i n e = r ：仇 4 。由于材料由大量随机取向的晶粒组成，总会在一些位向有利的晶 粒内产生衍射现象。当由应力引起晶唾间距d 发生变化后，衍射角0 亦发生变化。x 射线应力仪可准确地晶面问距的变化量，从而根据弹性力学方程计算出应力的大小。 1 4 焊接残余应力 1 4 1 焊接残余应力的产生机理 焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的决定性因素。焊接热输入是通 过材料因素、制造工艺因素和焊接件的结构因素所构成的内拘束和外拘束度而影响热 源周围的金属运动，最终形成了焊接件内部焊接残余应力。在焊接温度场中，这些特 性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。制造工艺因素( 工艺措施、夹持状态) 和焊接件结构因素( 焊接件形状、厚度及刚度) 则更多地影响着热源周围金属运动的 外拘束度。 影响焊接残余应力产生的主要因素有材料物理特性和力学特性影响、不同类型焊 接热源的影响。 1 4 2 焊接残余应力的消除与调整方法 在焊接制造过程中，焊接残余应力不可避免的在焊接件内部产生，因此消除焊接 残余应力或通过再分布加以调整当作最终工序是很重要的。 焊接残余应力的消除或调整的基本方法，有热作用方法和机械作用方法。热作用 方法就是通常使用的退火法，或者是回火法。回火处理是通过加热调整焊件组织使二、 三类内应力得到松弛或调整的方法。遐火是通过加热促使工件金属在内应力的驱使下 蠕变使第一类残余应力同时调整或消除的方法。焊后热处理的目的是降低宏观焊接残 余应力和改善显微组织，不过焊后热处理的正面作用也是有限的，如果使用不当，则 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 不仅得不到预期效果，反而会导致工件焊接接头的品质恶化。在三维拉应力状态的情 况f ，焊接残余应力可能下降的相对较少。退火温度过高或退火时间过长，则会损坏 材料( 特别是碳锰类低合金钢) 的力学性能：碳钢和碳锰钢的抗拉强度与屈服极限最 大可降低1 0 ；而i s ov 型缺口冲击试验的转变温度可增高3 0 。c ，对于高合金钢( 特 别是含有钼和钒的高温钢) ，退火后可能会在焊接热影响区中发生沉淀硬化，从而降 低晶粒塑性，并将变形移至晶界而导致发生晶问开裂，形成再热裂纹。 机械作用方法有振动调整焊接残余应力( v s r ) 、锤击处理等方法。振动时效技 术可以降低焊接残余应力和提高构付：加工尺寸与形状的稳定性。振动调整焊接残余应 力( v s r ) 的实质简单的解释是一个伴随包辛格( b a u s c h i n g e r ) 效应的循环加载过程， 其振动引起的动应力和残余应力叠加超过材料屈服点时产生应力松弛，循环加载的包 辛格效应降低了残余应力。位错理论的解释是机械振动使位错解除了钉扎，增加了位 错密度，使位错组织形态发生了改变，从而引起焊接残余应力松弛。振动调整焊接残 余应力( v s r ) 处理i 周整焊接残余应力的效果受工件几何尺寸。材质及振动工艺的影 响较大，但振动调整焊接残余应力处理对稳定工件结构尺寸的有效性是公认的。在一 些情况下甚至比热处理更加有效。锤击处理是指用垂头轻击焊缝及其周围区域，用高 速粒子直接冲击工件表面的工艺。锤击可以降低拉仲残余应力，也可以在锤击表面诱 导处残余压应力，这是该方法主要的有效特点。此方法有7 0 余年的使用历史，但至 今由于它的操作规程主要是建立在经验和约定的基础一t ，缺乏科学依据，而且质量控 制程度较低，因此影响了锤击处理的推广和应用。 其它还有爆炸消除应力处理、过载处理和温差形变消除应力处理等，在焊接工件 上不经常使用，本章不再详细介绍。 1 5 转向架u 形副构架的焊接工艺制定 转向架u 形副构架的材质是b + 铸钢( z g 2 5 m n c r n i ) ，为了提高生产效率，决定采 用熔化极气体保护焊进行焊接。焊丝选用e r 5 5 g ，进行了b + 铸钢的熔化极气体保护 焊的焊接工艺评定，焊接工艺评定覆盖产品母材厚度12 m m 18 m m 和对接接头形式。 专门设讨了对u 形副构架组装和焊接的工装，以保汪副构架组装的尺寸精度和控制焊 接变形，利用变位机使得副构架对接接头四条边的环焊缝始终处在平焊位置进行焊 接，根据母材板厚制定了v 型坡口多层多道焊工艺，根据焊接工艺评定，焊前预热 1 0 0 1 5 0 ，焊接过程中控制焊缝层问温度不超过2 5 0 ，焊后使用石棉覆盖焊缝处 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 进行缓冷处理。 1 6 本论文的主要工作 本论文主要对转k 7 型转向架u 型副构架采用专业仿真分析软件s y s w e l d 进行了 焊接仿真分析，计算分析了焊接过程中焊接温度场分布、焊接残余应力场分布及副构 架焊接在拘束状态和自由状态下的焊接变形情况，根据仿真计算数据及曲线图，对副 构架焊接接头焊接残余应力进行了分析总结；采用加拿大p r o t o 公司的i x r d 残余应 力测试仪对副构架焊接接头在焊接状态和振动时效状态下分别进行焊接残余应力测 定，测定了焊缝表面周围处的焊接应力分布，并进了两种状态下焊接残余应力的对比 分析，表明振动时效对降低副构架焊接接头残余应力的现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章转向架副构架焊接仿真 转向架副构架是由b + 级铸钢首先铸造成三段，然后通过两条环焊缝焊接而成【1 6 】 【2 0 1 。由于焊接将会产生残余变形，需对成形后的副构架进行变形校正。为了对焊接 变形和残余应力进行预测，并通过工艺控制达到减小焊接变形和残余应力的目的，采 用有限元法对转向架副构架的焊接过程进行了数值仿真，预测了焊接变形及焊接冷却 后工件的残余应力。本章节的计算仿真采用法国e s i 公司的焊接专业软件s y s w e l d 进 行，保证了焊接模型的专业性和可靠性。 2 1 计算模型 计算模型包括对实际结构的简化模型、对焊接热源的简化模型以及对焊接过程的 简化模型 2 1 1 。 2 1 1k 7 副构架的有限元模型 成形后的转向架副构架如图2 1 所示，图中两截面位置表示环焊缝处。 图2 - 1 转向架副构图2 - 2 有限元模型 根据计算机硬件条件在建立副构架的有限元模型时对模型进行了简化，如假设两 条环焊缝采用相同的工艺条件同时等速焊接，因此，根据结构的对称性，计算时只取 一半进行模拟，有限元模型见图2 2 。同时，为了控制计算规模，只对焊缝区进行密 集网格剖分，而从热影响区开始逐渐过渡到粗网格。在焊缝区的单元尺度为1 - 2 m m ， 而在粗网格区的单元尺度为18 m m 。 2 1 2 热源模型【2 2 计算中热源采用双椭球模型，见图2 3 ，各参数的数学表达式为： q = q 厂p _ y 2 0 1 2 e - x 2 6 2p z 2 c _ ，y 0 ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 绋= q , e - y ：口r 2 e x 2 6 2 9 一批2 ，y 0 ( 2 - 2 ) 图2 3 热源的双椭球模型 根据转向架副构架焊接工艺和副构架焊缝厚度，在s y s w e l d 中经试算调试双椭球 热源模型的参数，获得适合计算模型的参数见表2 1 。试算热源采用这些参数计算的 热源温度分布、熔池区及热影响区见图2 4 和图2 5 。 表2 - 1 热源参数 图2 - 4 热源处温度分布 虢黪燮甜l 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 蠡；= ：鬣 = - 一 ：。k - 一一蠢4 睦 图2 - 5 熔池及热影响区 2 1 3 焊缝模型 由于焊接接头的母材壁厚为1 2 m m 和1 8 m m ，需要开v 形坡口，并进行多道和 多层焊接，完全采用工艺设计的方案进行模拟，将对计算机的硬件要求非常高，如在 一个6 4 位d e l l 工作站上，计算一个具有5 万个节点1 6 万个单元3 层焊缝的焊接模拟， 需要超过1 5 0 g 的硬盘要求，计算时间约需7 天。因此，对焊缝进行了简化总共考虑 三层焊缝，焊缝区的有限元网格图见图2 - 6 ；v 形坡口用阶梯状网格模拟，见图2 7 ； 焊缝的网格剖分见图2 8 。 图2 - 6 焊缝及热影响区网格图2 7 焊缝v 形坡口 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 t 。飞 图2 - 8 焊缝网格削分 2 2 材料参数 计算中材料参数都是随温度变化的，本节给出所采用的主要的材料参数与温度变 化的曲线，见图2 - 9 至图2 1 1 。热弹塑性计算时采用等向强化弹塑性模型，屈服应力 随温度变化曲线见图2 1 2 。 图2 - 9 导热系数与温度关系曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 图2 1 0 比熟与温度的关系曲线 图2 1 1 杨氏模量与温度的关系曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 图2 12 屈服应力与温度的关系曲线 2 3 约束条件 根据焊接工艺要求，在焊接时转向架副构架有多处位置施加有约束和支撑，计算 中完全按照焊接工装上的位置实施约束，尽可能使模拟与实际一致，并在对称面上施 加对称约束，约束情况见图2 1 3 。 图2 1 3 约束情况 列 | | | 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 4 计算结果 根据转向架副构架工艺条件及其边界条件，对其进行焊接过程模拟分析，计算得 到转向架副构架温度场、应力和变形结果。 本文计算结果的图示中，有前视、后视、俯视和仰视几种视图。以图2 1 4 坐标 系为参考，前视指从外往里看( 从y 方向看) 焊缝位置，后视指从里往外看( 从y 方 向看) 焊缝位置，俯视为从上往下看( 从z 方向看) 焊缝位置，仰视为从下往上看( 从 z 方向看) 焊缝位置。 2 4 1 温度场结果 计算过程中，根据该零件焊接工艺进行分层焊接，对主要的三个大焊接层分别进 行焊接温度场结果分析。 2 4 1 1 第一焊层温度场分布 转向架副构架在第一层焊接过程中，其温度场分布结果见图2 1 4 。由图2 1 4 可 见，第一层焊接过程中，焊缝及热影响区最高温度为1 3 3 4o c 。 ( a ) 总体 c o n t o u r 5 c ir l t0 “ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( b ) 局部 图2 1 4 第一层焊接过程中的温度场分布 2 4 1 2 第二焊层温度场分布 第二层焊接过程中及焊接完毕后，其温度场分布结果见图2 1 5 和图2 1 6 。由图 可见，第二层焊接过程中，焊缝及热影响区最高温度为1 5 7 6 。第二层焊接完毕后， 最高温度1 4 4 。 ( a ) 总体 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( b ) 局部 图2 1 5 第二层焊接过程中的温度场分布 ( a ) 总体 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( b ) 局部 图2 1 6 第二层焊接完毕的温度场分布 2 4 1 3 第三焊层温度场分布 第三层焊接过程中及焊接完毕后，其温度场分布计算结果见图2 1 7 和图2 1 8 。 由图可见，第三层焊接过程中，焊缝及热影响区最高温度为1 8 7 7 。c ，第三层焊接 完毕时最高温度1 0 2 。c 。 l ( ， 睫一一 ( a ) 总体 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 ( b ) 局部 图2 1 7 第三层焊接过程中温度场分布 ( a ) 总体 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 ( b ) 局部 图2 1 8 第三层焊接完毕的温度场分布 2 4 1 4 冷却后温度场分布 转向架副构架焊接完毕后，经过1 0 0 0 s 时间的冷却，其温度场分布结果如图2 1 9 所示。从图2 1 9 可知，焊接完毕，冷却1 0 0 0 s 之后，转向架副构架温度最高为2 4 9 。c ， 接近室温。其高温度场主要分布在焊缝线附近区域。 ：， k ， 隧 图2 1 9 焊接冷却完毕后温度场分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 4 2 应力和变形结果 计算过程中，根据焊接工艺进行分层焊接，对主要的三个大焊接层分别进行焊接 应力结果进行分析。 2 4 2 1 第一焊层应力场分布 转向架副构架第一层焊接完毕后，其等效应力、第一主应力和第三主应力分布计 算结果见图2 2 0 至图2 2 2 。 ( a ) 总体 ( b ) 局部 图2 2 0 第一焊层焊接完毕后等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 c o n t o u r s w i 旧i s i f t ”， t i m 乾璃5 c e fe b “ h ”n i a 9 | r 卧- 9 t “b 5 霞 疆一 一_一一一一一一_ _ 一一一一一 ( a ) 总体 墓黧蘩繁熬黧橐渤 c o n t o u r s 0 b b 一 ( b ) 局部 图2 2 1 第一焊层焊接完毕后第一主应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 c a ) 总体 ( b ) 局部 图2 2 2 第一焊层焊接完毕后第三主应力分布 从图2 - 2 0 、图2 - 2 1 和图2 2 2 可知，第一焊层焊接完毕后，转向架副构架焊缝 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 区域最大等效应力为6 9 4 m p a ，第一主应力最大值为9 7 9 m p a ，第三主应力最大值为 5 4 5 m p a 。且最大等效应力、第一主应力和第三主应力的较大值均主要分布在焊缝区 域。 2 4 2 2 第二焊层应力场分布 转向架副构架第二层焊接完毕后，其等效应力、第一主应力和第三主应力分布计 算结果见图2 2 3 至图2 2 5 。 ( a ) 总体 ( b ) 局部 图2 2 3 第二焊层焊接完毕后等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 c a ) 总体 ：，l 矗 鬟 ( b ) 局部 图2 2 4 第二焊层焊接完毕后第一主应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 一一厂 ! c o n t o u r $ i ：l 帕m $ l r o nq ( a ) 总体 i 氛一 隧 ( b ) 局部 图2 2 5 第二焊层焊接完毕后第三主应力分布 从图2 2 3 、图2 2 4 和图2 2 5 可知，第二焊层焊接完毕后，转向架副构架焊缝 擞黧壁；昌冒曷- 鲤。 。蕊 ? 秽 垂篝 |舔囊攀藿 1 | | | 一 量w 1 | ；| i 篓妾 麓瓣一 纛聪黍鬃 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 4 页 区域最大等效应力为6 2 5 m p a ，第一主应力最大值为9 4 1 m p a ，第三主应力最大值为 6 5 5 m p a 。且最大等效应力、第一主应力和第三主应力的较大值均主要分布在焊缝区 域。 2 4 2 3 第三焊层应力场分布 转向架副构架第三层焊接完毕后，其等效应力、第一主应力和第三主应力分布计 算结果见图2 2 6 至图2 2 8 。 ( a ) 总体 ( b ) 局部 图2 2 6 第三焊层焊接完毕后等效应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 c a ) 总体 c b ) 局部 图2 2 7 第三焊层焊接完毕后第一主应力分布 翻 攘洲弭矬髓盯季葶慧誉墓薹萋 = 曷詈墨 k 圳瞪 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 i r 啊 ( a ) 总体 i ! ! ! i i ! i i i ! i i l i , i i i i i i i l i i i i i i ! ! i i i i ! ! ! c o n t o u r s ： r d # i 惴 c m 叫t 时0 ，曲m 瓣黧鬯黧 ( b ) 局部 图2 - 2 8 第三焊层焊接完毕后第三主应力分布 从图2 2 6 、图2 2 7 和图2 2 8 可知，第三焊层焊接完毕后，转向架副构架焊缝 争 驽爹 羹 鬻麓溅熏鬻 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 区域最大等效应力为5 1 6 m p a ，第一主应力最大值为1 2 8 1 m p a ，第三主应力最大值为 9 3 0 m p a 。且最大等效应力、第一主应力和第三主应力的较大值均主要分布在焊缝区 域。 2 4 2 4 冷却后应力场分布 转向架副构架焊接完毕后，经过1 0 0 0 s 时间的冷却，整个转向架副构架温度基本 达到室温，此时的等效应力、第一主应力、第三主应力以及与坐标平行的正应力 ( 0 1 1 ，0 2 2 ，g 3 3 ) 分布计算结果见图2 2 9 至图2 3 8 。 戮崭= ( a ) 总体 ( b ) 局部 图2 2 9 冷却完毕等效应力分布 ( a ) 俯视 ( b ) 前视 图2 - 3 0 冷却完毕焊缝区域各方向等效应力分布 l | l ( c ) 仰视 ( d ) 后视 图2 - 3 1 冷却完毕焊缝区域各方向等效应力分布( 续) c 0nt 口u r s d r l k i p w t ”- c u cr “6 b b _ c a ) 总体 ( b ) 局部 图2 - 3 2 冷却完毕第一主应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 ( a ) 俯视 c dn t o ur s b o p ml ”- - t i - - 9 0 0 0 蓉 ( b ) 前视 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 ( c ) 仰视 ( d ) 后视 图2 3 3 冷却完毕焊缝区域各方向第一主应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 ( a ) 总体 ( b ) 局部 图2 3 4 冷却完毕第三主应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 4 页 ( a ) 俯视 c o ) 前视 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 页 ( c ) 仰视 ( d ) 后视 图2 3 5 冷却完毕焊缝区域各方向第三主应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 隧 ( a ) 总体 豢i i 誊； | l 萋 ( b ) 局部 c 口nt o ur s s i 口o - t l 雾 霉霜 图2 3 6 冷却完毕0 1 l 应力分布 c 口n t o ur s 蒸麟 ；凌 = 詈詈昌曷 帮端 麟 溢 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 ( a ) 总体 c 0ht 0 ur5 eo q ” 曼燃j 量： 量嚣： 誉弘 除 s i d m j 船 ”“；。鬻筵 翼 ( b ) 局部 图2 3 7 冷却完毕啦2 应力分布 黼 溺 篓塑 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 c a ) 总体 ( b ) 局部 图2 3 8 冷却完毕叻3 应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 从图2 2 9 至图2 3 8 可知，焊接完毕，并经过1 0 0 0 s 冷却时问后，转向架副构架 焊缝区域最大等效应力为6 6 6 8 m p a ，第一主应力最大值为6 9 7 m p a ，第三主应力最大 压应力为5 3 4 6 m p a ，0 1 l 绝对值最大为5 3 3 4m p a ，g 2 2 最大值为6 9 7m p a ，0 3 3 最大值 为6 7 9 3m p a 。且最大等效应力、第一主应力、第三主应力、0 1 l 、6 2 2 和a 3 3 的较大值 均主要分布在焊缝区域。 选取焊缝附近区域任意两点，绘制其等效应力随时间变化情况，结果如图2 3 9 所示。 图2 - 3 9 冷却完毕0 3 3 应力分布 2 4 2 5 冷却后变形分布 转向架副构架按照图2 1 4 约束条件进行焊接完毕后，经过1 0 0 0 s 时间的冷却，整 个转向架副构架温度基本达到室温，此时变形结果如图2 4 0 所示。由图2 1 4 可知， 转向架副构架按照该约束条件焊接完毕，并经过一段时间冷却后，其最大变形量为 0 0 9 7 m m 。此值较小。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 0 页 ；一譬羔-，_爹誊爹爹 鬻豪 2 5 结果分析 图2 4 1 去除约束条件时焊接冷却完毕后变形分布 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 1 页 根据前面的计算结果，分析可知： ( 1 ) 转向架副构架焊接经过分层焊接，焊缝附近区域温度场在整个焊接和冷却过程 中都发生变化。但主要影响区域仅限制在焊缝附近，其他区域并未受到明显影 响； ( 2 ) 转向架副构架焊接过程中，其最大温度区域随着焊点的转移而不停的变换； ( 3 )各个焊层的最大等效应力、第一主应力和第三主应力的较大值均分布在焊接线 附近区域，而且其最大值会随着焊点而发生转移变换； ( 4 ) 整体上，随着焊层的增加，最大等效应力、第一主应力和第三主应力均呈现增 大的趋势；所有的焊接线焊接完毕后，经过一段时间冷却，最大等效应力、第 一主应力、第三主应力，包括0 1 1 、6 2 2 和6 3 3 均有所上升。因此焊后需进行消 除残余应力的处理工艺； ( 5 ) 根据计算结果分析，在焊缝区域，在平直焊缝区呈拉应力状态，而在转角焊接 区域，则呈现压应力状态； ( 6 ) 从计算分析的结果来看，转向架副构架焊接完毕，其最大变形发生在端头区域， 最大值为o 0 9 7m l t l ，因此可以认为，如果在焊接时完全按照工艺要求进行焊 接操作，并且夹具充分夹紧起到约束作用，基本可保证焊接变形在设计许可范 围。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 第3 章转向架副构架焊接接头残余应力测定 3 1 焊接接头焊接工艺及表面处理状态 3 1 1 转向架副构架制造工艺流程 ( 1 ) u 型副构架材质为b + 级( z g 2 5 m n c r n i ) 铸钢； ( 2 ) 副构架分三段( 左鞍、右鞍、臂) 铸造成型； ( 3 ) - - 个铸造矩形截面对接焊接而成； ( 4 ) 本次测试副构架：焊接后和焊接进行振动时效后分别进行测定，振动处理消除残余 应力，振动时间为2 0 m i n ； ( 5 ) 构架铸造完成后、焊接完成后全部位经过表面喷丸处理； ( 6 ) 对于已经铸焊成型的副构架的焊缝处已经打磨消除部分余高。 3 1 2 转向架副构架母材化学成分及力学性能 副构架b + 级铸钢母材化学成分及力学性能见表3 1 和表3 - 2 ： 表3 - 1 转向架副构架母材化学成分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 3 页 3 1 4 焊接顺序 为保证组对精度和焊接质量，副构架的组对、焊接在专用组对工装及焊接变位 机上进行，所有焊缝需翻转到平焊位置进行焊接。先焊接副构架顶面短焊缝，再翻转 焊台，焊接背面的短焊缝，然后翻转焊台进行长焊缝的焊接，所有焊缝每焊完一层均 进行翻转。按照此顺序依次完成焊缝各层的焊接。 3 2 试验内容及步骤 3 2 1 试验方法：用x 射线衍射法测量焊接残余应力 3 2 2 试验对象：转向架副构架b + 钢焊接接头残余应力 3 2 3 接头形式：对接接头，焊接规范以实际生产现场的工艺为准 3 2 4 试验步骤： ( 1 ) 检查：检查转向架副构架表面状况，两副副构架表面均已在厂里经过砂轮表面 打磨，焊缝表面及母材表面均非常粗糙，不适合x 射线残余应力测试条 件要求，需进一步处理； ( 2 ) 打磨：采用不同型号砂纸对焊缝、母材表面进行粗磨； ( 3 ) 抛光：采用d j p i i 型电解抛光机对焊缝、母材表面进行抛光；抛光溶液：8 0 磷酸； ( 4 ) 用硝酸酒精腐蚀焊缝及母材，露出焊缝、热影响区； ( 5 ) 采用酒精清洗焊缝及母材表面； ( 6 ) 表面布点：顶面及底面各布置两条线，一条线靠近侧面焊缝内壁壁，一条靠近 侧面焊缝外壁，每条线测试不少于10 点，然后选取十个有效点的数 据作为测试数据；内侧和外侧焊缝各布置三条线，一条线靠近顶面 焊缝，一条线靠近底面焊缝，中间取一条线： ( 7 ) 测试参数： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 4 f f 表3 - 4x 射线应力测试仪测试参数 3 2 5 标样试样测试 标样材料：f e 标样测试结果：- - 5 5 0 m p a - - e 2 0 m p a ； 标样测试结果与标样给定值基本一致。 3 3 测试布点示意图 图3 - 1 上端焊缝布点位置测试示意图 布点描述：上端焊缝对接接头处布置两条测试线，在转向架副构架的“耳朵”上由外到 内( 图中是由上至下) 分别布置线1 和线2 两条线；每条线布置1 0 个测 试点，每点间距为5 m m ；每条线测试的方向在图示中均为由左至右。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 图3 - 2 内侧面布点测试示意图 布点描述：内侧面焊缝对接接头处布置三条测试线，在转向架副构架的“耳朵”上由上 到下( 图中是由上至下) 分别布置线1 、线2 和线3 三条线；每条线布置 1 0 个测试点，每点间距为5 m m ；每条线测试的方向在图示中均为由左至 右。 布点说明：外侧面布置的测试点位置在内侧面的对面，布置方法一致，故略。 图3