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焊趾TIG熔修后激冷处理对接头残余应力及疲劳强度的影响

朱平  
【摘要】:随着我国高速铁路的快速发展,高速列车转向架已经全部由铸钢件转变为钢板焊接构架。随着运行速度的提高,客车转向架零部件损坏的数量也有所增加,构架焊接接头的疲劳破坏也逐渐突出,转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一,列车在高速行驶过程中,转向架焊接构架承受着强烈的振动和冲击载荷作用,构架的抗疲劳性能及其可靠性直接影响列车的安全行驶,而焊接接头是构架的薄弱环节,接头疲劳性能的优劣也制约着转向架的安全使用寿命,因此深入研究改善焊接接头疲劳强度的工艺方法是十分必要的。 结构的疲劳强度,在很大程度上决定于结构中的应力集中情况和残余应力的性质及分布,降低应力集中或调整残余应力场都将使疲劳强度得到提高。传统的焊趾TIG熔修工艺可以改善焊缝的过渡角,降低应力集中,提高焊接接头及结构的疲劳强度。然而TIG熔修并不能对残余应力场的性质及分布产生根本的改变,因此其提高疲劳强度的程度有限。本试验在焊趾TIG熔修处理后,在一定温度下对焊趾处施以一定强度的冷源,进行激冷处理,一方面可以改善焊趾处的成形,使焊缝向母材平滑过渡,降低应力集中;另一方面通过激冷处理调节了残余应力的分布,使疲劳强度进一步提高。 通过ABAQUS软件进行数值模拟计算,分别模拟焊态下,焊趾TIG熔修态下及焊趾TIG熔修后激冷处理态下的焊接残余应力场分布,分析TIG熔修及激冷处理对焊趾处残余应力的影响。通过计算得出,对于高速列车转向架用Q345-C对接及T型角接头,在TIG熔修后450℃进行激冷处理,可以消除纵向及横向拉伸残余应力,当激冷处理温度为550℃和650℃时,纵向及横向残余应力均呈现为压缩应力,且压应力随激冷温度的提高而增大。双向压缩的应力分布有利于接头疲劳强度的提高。 采用盲孔法对三种状态下的焊趾进行应力测试,得到结果为,在焊态及焊趾TIG熔修处理态下,焊趾处为拉伸残余应力,分别在350℃、450℃、550℃和650℃进行激冷处理,随着激冷处理时试板温度的提高,拉伸应力呈现降低趋势直至转变为压缩应力,由拉伸应力转变为压缩应力的激冷临界温度为450℃。测试结果与数值模拟计算结果相符。 采用三点弯曲法对三种状态下的试件进行疲劳试验,与焊态下相比,焊趾TIG熔修和550℃激冷处理都可以使T型接头疲劳强度提高,其中焊趾TIG熔修处理使疲劳强度提高了61%,而激冷处理使接头的疲劳强度提高了294%,焊趾TIG熔修后进行激冷处理,可以大幅度提高接头的疲劳强度。 通过冲击试验,得出当激冷温度高于650℃时,缺口位于焊趾的试样冲击功值有一定程度的下降,为了防止接头产生脆化倾向,激冷处理的临界上限温度为650℃。 通过拉伸、弯曲、硬度及金相试验可以得出,激冷处理不会使焊接接头的强度、韧性等力学性能下降。


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