转向架焊接部件预热温度的确定方法

（长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

0 前言

转向架是列车最关键的部件之一，它承担着列车的全部载荷。转向架产品的焊接质量要求较高，绝对不允许有超标的焊接缺陷，尤其是裂纹。冷裂纹大致可分为淬硬性裂纹、低塑性脆化裂纹和延迟裂纹三种。前两种裂纹一般发生在淬硬性较大和低温时塑性较低的材质上。而转向架产品母材塑性较好，一般是延迟裂纹，这种裂纹可能在几小时、几天、甚至更长时间后才会出现。钢材的淬硬倾向、焊接接头中的氢含量及其分布、焊接接头的拘束应力状态是形成延迟裂纹的三大要素。它们共同作用达到一定程度时，在焊接接头上就形成冷裂纹。本文选取转向架构架的典型焊接接头为例，介绍了如何确定转向架部件的预热温度。

1 预热防止冷裂纹的原理

预热是防止冷裂纹的有效措施。预热时，由于在冷裂纹敏感温度区间停留时间较长，大部分氢已在高温下从焊接区逸出，降至较低温度时，残留的扩散氢不足以引起冷裂纹[1]。

2 转向架构架接头型式介绍

转向架构架都是H型焊接结构，由横梁、侧梁组成，如图1所示。构架的各部件由3～70 mm厚的钢板、锻件及极少不锈钢座组焊而成，接头形式有角焊缝、全熔透对接焊缝、不全熔透对接焊缝、不全熔透T型接头等。

图1 转向架构架示意

本文选取转向架构架中的典型接头形式——不全熔透T型接头（见图2）作为代表，分析如何通过母材的碳当量、组合厚度、焊接热输入、氢含量级别四个要素来确定预热温度。

图2 不全熔透T型接头示意

3 确定预热温度的四要素

确定钢的预热温度方法很多，如用碳当量CE[2]和图表法[3]，而本文介绍的根据碳当量、组合厚度、热输入和氢含量四要素共同确定预热温度的方法更加简洁、易懂。

3.1 碳当量CE

根据钢材化学成分与焊接热影响区淬硬性的关系，将钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量（以碳的作用系数为1）作为粗略地评定钢材冷裂倾向的一种参考指标。碳当量CE的计算公式如下[4]：

此公式不适用于含硼的钢。

3.2 组合厚度

组合厚度D为母材距焊缝轴线75 mm范围内厚度平均值的和，几种特殊形式接头组合厚度的计算公式如图3所示。

图3 组合厚度示意

3.3 热输入

熔焊时，热源以一定速度移动。一般用热输入来衡量热源的作用。计算公式为

式中 Q为热输入（单位：kJ/mm）；U为电弧电压（单位：V）；I为焊接电流（单位：A）；v为焊接速度，即电弧移动速度（单位：mm/s）；k为热效率，取决于所用焊接方法，如表1所示[5]。

表1 热效率k

3.4 氢含量

氢含量级别主要根据焊缝中所允许的扩散氢含量来决定，具体如表2所示。

表2 氢含量级别

不同的焊接方法，对应不同的氢含量级别：

碱性焊条的氢含量级别应为B级～D级；纤维素和金红石类型的焊条应为A级。

药芯焊丝和实心焊丝应为B级～D级，这取决于制造商对焊丝的分类；埋弧焊焊丝和焊剂应为B级～D级，一般选用C级。

气体保护焊的实心焊丝和TIG焊应为D级，除非有特殊要求才会使用E级。

4 确定预热温度的方法

已知碳当量、组合厚度、焊接热输入、氢含量四个因素后，就可从图4～图16所示的预热温度曲线中进行查找（只适用于碳当量在0.3%～0.7%的钢材）。

图4 碳当量不超过0．30～0．46的预热温度曲线

确定预热温度的具体步骤如下：

图6 碳当量不超过0．38～0．50的预热温度曲线

图7 碳当量不超过0．41～0．52的预热温度曲线

（1）首先应该由氢含量级别和母材的碳当量来确定所要选取的曲线。

（2）在该曲线中找出横坐标焊接热输入和纵坐标组合厚度的交点。

（3）该交点在哪个温度区间，就能确定该条件下所需的预热温度是多少。

母材1材质S355J2+N，30＜板厚≤150，最大碳当量0.47；母材2：材质S355J2W+N，最大碳当量0.45。接头形式：T型接头；板厚：d1=d2=14 mm，d3=65 mm；焊接方法：CO2气体保护焊；焊接参数：U=28 V，I=270 A，v=4.5 mm/s。组合厚度 D＝14+14+65=93；由表1可知，CO2气体保护焊的热效率k应为0.8，故热输入为1.344 kJ/mm；CO2气体保护焊的氢含量级别应选择D级。

图8 碳当量不超过0．43～0．55的预热温度曲线

图9 碳当量不超过0．45～0．57的预热温度曲线

图10 碳当量不超过0．47～0．60的预热温度曲线

图11 碳当量不超过0．49～0．62的预热温度曲线

图12 碳当量不超过0．51～0．64的预热温度曲线

图13 碳当量不超过0．53～0．66的预热温度曲线

图14 碳当量不超过0．55～0．68的预热温度曲线

图15 碳当量不超过0．60～0．70的预热温度曲线

图16 碳当量不超过0．62～0．70的预热温度曲线

母材1预热温度：将最大碳当量0.47%、组合厚度93 mm、热输入1.344 kJ/mm、氢含量D级对应到图4～图16中可知，图6就是所要选择曲线，再找到横坐标1.344 kJ/mm与纵坐标93 mm的交点，该交点20℃到50℃温度线之间，大约在48℃，如图17所示。由此可得出结论，这种焊接条件下母材1的最小预热温度为48℃。

母材2预热温度：该母材的最大碳当量0.45、组合厚度93 mm、热输入1.344 kJ/mm、氢含量D级，对应到图4～图16中，由氢含量D级、最大碳当量0.45%可知，图5就是所要选择曲线，再找到横坐标1.344 kJ/mm与纵坐标93 mm的交点，该交点交在温度线之外（如图18所示），由此可见该焊接条件下的母材2无需进行预热。

图17 确定T型接头母材1最小预热温度示意

图18 确定T型接头母材2最小预热温度示意

5 结论

介绍了根据母材碳当量、组合厚度、热输入和氢含量来对应预热温度曲线，进而确定预热温度的方法。在文中示例的接头中，同一接头两母材即使组合厚度、热输入、氢含量都一致，但由于母材2的碳当量略低于母材1的碳当量，根据预热温度曲线，母材2不需要预热，而母材1需要预热约48℃。此种预热温度的确定方法，不仅仅适用于转向架产品，同样适用于所有碳当量在0.3%～0.7%的非合金细晶粒钢和低合金钢产品，对制造、工程等行业是否预热，具有很好的指导意义。