B型地铁构架焊接残余应力X射线衍射法测量

2014-08-05张世欣邓小军王明岩张占岭马传平

电焊机 2014年5期

张世欣，邓小军，王明岩，张占岭，马传平

(1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000;2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都 610031)

0 前言

转向架作为机车车辆的主要部件之一，对行车安全起着至关重要的作用。构架又是转向架的重要承载和传力构件，同时也是转向架上其他部件的安装定位基础，它不仅要支撑车体、电机和各种零部件，还要传递车体与轮对之间横向、垂向和纵向的各种力［1］。为了保证转向架构架有足够的强度、刚度和抗疲劳能力，减轻自重，实现低动力作用，目前绝大部分转向架构架采用焊接形式。但是，由于焊接过程是一个局部不均匀的加热过程，不均匀的温度场会导致受约束的热变形和塑性变形，不可避免的产生残余应力。残余应力不仅影响构架外观尺寸精度和尺寸稳定性，还会降低焊接构架的疲劳强度，对构架的疲劳强度和疲劳寿命均有很大的影响［2－4］，特别是应力集中和高残余应力叠加的焊接接头，往往因此产生相当高的应变循环，若材料的韧性储备不足，就有可能开裂。同时，由于组织性能的变化，还有可能提高裂纹的扩展速率［2］，产生安全隐患，影响机车运行安全可靠性。工厂一般采用构架整体热处理工艺消除焊接残余应力，并在热处理后采用整体喷丸工艺在构架表面产生一定的残余压应力，以提高其抗疲劳破坏的能力。测定并掌握构架焊接后、热处理后及喷丸后的残余应力分布规律十分必要。

裂纹是构架上最为危险的缺陷，其直接原因是构架残余应力过大，裂纹从构架薄弱环节起裂并扩展，最终导致构架的失效。大部分裂纹最开始是由表面萌生，继而扩展。针对构架浅表层因应力过大造成的变形和起裂，X射线衍射法以其无损、便捷和数据稳定等特性成为研究构架浅表层残余应力分布规律的最佳选择。结合X射线衍射残余应力检测方法，可以在较短时间内获得构架在多种状态下的残余应力分布情况，为优化构架不同处理工艺提供测试技术的支持。本研究利用X射线衍射法对同一B型地铁构架相同部位的三种处理状态(焊态、热处理态和喷丸态)的表面残余应力进行测试，研究不同处理状态下构架残余应力的大小和分布规律，为工厂优化B型地铁构架的焊接工艺、热处理工艺和喷丸工艺提供参考。

1 测试基本原理

当一束X射线照射入晶体材料表面时，将发生衍射现象，其衍射角2θ、晶面间距d和波长λ满足布拉格公式2dsinθ=nλ。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。当由应力引起晶面间距d发生变化后，衍射角2θ也会相应发生变化。X射线应力仪可准确地测试晶面间距的变化量，从而根据弹性力学方程，利用式(1)～式(3)计算出某一方向的应力［5］

式中 K为应力常数

M为实验测定

式中 E为材料的弹性模量;μ为泊松比;φ为所测应变方向与试样表面法线的夹角;θ0为φ=0时的衍射半角。

2 测试方法

残余应力测试采用加拿大Proto公司生产的iXRD便携式残余应力仪，选用铬靶。铬靶测试参数为 CrKα，Fe(211)晶面，2θ=156.40°，Fe粉校准，φ2 mm准直管，多曝光模式，管电压20 kV，管电流4 mA，曝光时间2 s，曝光次数12次。测试前先对焊缝测点进行表面平整及砂纸打磨，以去除氧化皮和结构表面锈层，由粗而细均匀打磨，满足表面粗糙度低于 10 μ m［6］的测试要求。然后采用8818－V2型电解抛光机进行抛光，电解抛光液为NaCl饱和溶液，电解抛光完毕后逐点进行测量。

测试对象为B型地铁构架，主要由横梁和侧梁两大部分焊接而成，焊接后要进行热处理，热处理完成后进行喷丸处理，三种处理状态依次进行。构架焊态侧梁、横梁测点共97个测点，退火态和喷丸态测点与焊态相同。

3 测试结果及分析

焊态、退火态和喷丸态构架的各测点的残余应力如图1～图5所示，其中σx为平行于焊缝方向的应力，σy为垂直于焊缝方向的应力。

图1 构架侧梁立面焊态、退火态和喷丸态纵向残余应力

由图1可见，构架侧梁立面上下两道长焊缝经过退火处理，纵向应力的峰值得到削弱，纵向应力的分布得到均匀化，但均匀化程度相对较低。大部分的应力值由压应力转变为应力值较小的拉应力或压应力，应力值为－150～150 MPa。而经过喷丸处理的纵向应力值均呈现压应力，应力分布得到均化，但是应力值与焊态应力值相差不大。

图2 构架侧梁顶面焊态、退火态和喷丸态纵向残余应力

图3 构架侧梁顶面焊态、退火态和喷丸态横向残余应力

图4 构架横梁焊态、退火态和喷丸态纵向残余应力

图5 构架横梁焊态、退火态和喷丸态纵向残余应力

由图2和图3可知，构架侧梁顶面经过退火处理后纵向应力的峰值得到削弱，纵向应力的分布得到均匀化，应力值为－50～50 MPa。而横向残余应力由原来的压应力转变为应力水平较低的拉应力，应力值0～100 MPa。经过喷丸处理后，构架侧梁顶面的横向残余应力都变成较为均匀的压应力，应力值－300～150 MPa。

由图4可知，构架横梁对称结构的测试点60～72与测试点81～89经过退火处理后，纵向应力的峰值得到削弱，纵向应力的分布得到均化，但是整体压应力水平降低，部分测试点由压应力转向应力水平较低的拉应力，应力值－75～75 MPa，但是对于69、70、71三点退火后，应力值增加到200 MPa。经过喷丸处理后，压应力值变得均匀，大部分在－200 MPa左右。喷丸处理后增加的附加压应力值并不明显，可能是此处结构架复杂，不利于获得良好的喷丸效果。

而图5中构架横梁对称结构的测试点73～80与测试点90～97，经过退火处理后测试点90～97纵向应力的变化很小，应力值为50～150 MPa，只有97点应力值接近250 MPa;测试点73～80经过退火处理后，拉应力值整体降低，为－75～75 MPa之间。经过喷丸处理后，测试点90～97获得较为均匀的压应力，应力值－200～－100 MPa;测试点73～80经过喷丸处理后产生的压应力值并不均匀，应力值－300～－50 MPa。但同时可以看出喷丸产生的附加压应力较大。