方孝鐘，倪寶成，董洪達(dá)

（南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)部，江蘇南京210031）

殘余應(yīng)力測(cè)試在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架返修中的應(yīng)用

方孝鐘，倪寶成，董洪達(dá)

（南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)部，江蘇南京210031）

采用X射線法對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接部件返修位置與未進(jìn)行返修位置進(jìn)行殘余應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試，分析比較兩處位置殘余應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)，從殘余應(yīng)力的角度評(píng)價(jià)返修后產(chǎn)品使用的可行性。

構(gòu)架；返修；X射線；殘余應(yīng)力

0　前言

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為軌道車(chē)輛的關(guān)鍵承載部件，關(guān)系車(chē)輛的行駛安全。目前主流的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用焊接結(jié)構(gòu)，因此對(duì)焊接結(jié)構(gòu)及焊縫質(zhì)量有很高的要求。焊接構(gòu)架在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)造成返修，對(duì)返修后產(chǎn)品的使用性能一直沒(méi)有一個(gè)明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，往往通過(guò)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，在產(chǎn)品使用過(guò)程中存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。返修后存在的殘余應(yīng)力在一定條件下可影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度[1]。通過(guò)測(cè)量返修后產(chǎn)品的表面殘余應(yīng)力的應(yīng)力分布狀態(tài)，能夠得到一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，從而判斷返修后的產(chǎn)品對(duì)使用性能的影響，減少不必要的風(fēng)險(xiǎn)和損失。

在某型構(gòu)架部件焊接生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)制動(dòng)吊座組裝錯(cuò)位的問(wèn)題。為了能夠直觀認(rèn)識(shí)返修后的產(chǎn)品狀態(tài)，對(duì)返修后的部件進(jìn)行表面殘余應(yīng)力的測(cè)試，并與未返修部件在相同位置的殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)進(jìn)行比較，從殘余應(yīng)力的角度來(lái)評(píng)價(jià)返修后產(chǎn)品的使用可靠性，為決策提供依據(jù)，減少經(jīng)濟(jì)損失。

1　測(cè)試方法

在現(xiàn)有的殘余應(yīng)力測(cè)量方法中，按照其對(duì)被測(cè)構(gòu)件的損傷程度可分為有損和無(wú)損兩大類。破壞性的方法有取條法、切槽法、剝層法、鉆孔法、盲孔法等，都屬于應(yīng)力釋放的范疇。非破壞性的方法有激光干涉法、云紋分析法、X射線衍射法、中子衍射法、磁性發(fā)射法和超聲波法等[2]。幾種常見(jiàn)的無(wú)損測(cè)量方法分別都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。X射線檢測(cè)是目前最為成熟而且應(yīng)用范圍也最為廣泛的測(cè)量結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力方法。由計(jì)算機(jī)控制專用應(yīng)力儀配備各種專用軟件，能進(jìn)行衍射線強(qiáng)度修正、峰值定位及應(yīng)力計(jì)算等多種工作，使測(cè)試過(guò)程變得簡(jiǎn)便、快捷[3]。本次測(cè)量采用X射線檢測(cè)法。

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用加拿大Proto公司生產(chǎn)的i-XRD便攜式殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x，如圖1所示。電解拋光設(shè)備采用鄭州機(jī)械研究所生產(chǎn)的DJP-Ⅱ型電解拋光機(jī)，如圖2所示。

圖1　i-XRD殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x

圖2　DJP-Ⅱ型電解拋光機(jī)

1.1測(cè)試過(guò)程

對(duì)返修后的部件表面采用200#～800#的砂紙先進(jìn)行打磨；采用DJP-Ⅱ型電解拋光機(jī)拋光母材表面，拋光溶液為飽和NaCl溶液，拋光電壓10～20 V，拋光電流3～10A；使用丙酮或酒精清洗母材表面；采用i-XRD進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)參數(shù)的采集：測(cè)量時(shí)保證射線的發(fā)射頭與測(cè)試點(diǎn)切面垂直；測(cè)試前須自動(dòng)或者手動(dòng)對(duì)焦；測(cè)試儀β擺動(dòng)平面與測(cè)量應(yīng)力方向平行。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正處理：對(duì)于單點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用橢圓非線性擬合方式。當(dāng)擬合誤差率小于±30 MPa時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)可信；當(dāng)擬合誤差大于±30 MPa時(shí)，對(duì)測(cè)試的個(gè)別離散度較大的β角數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，使擬合誤差值小于±20 MPa；當(dāng)刪除點(diǎn)數(shù)大于3個(gè)時(shí)，認(rèn)為測(cè)試數(shù)據(jù)不可信，并對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。對(duì)于線狀多點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，將進(jìn)行非線性擬合，驗(yàn)證其測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度。當(dāng)各數(shù)據(jù)非線性擬合方差大于等于0．85時(shí)，認(rèn)為測(cè)試數(shù)據(jù)可信；當(dāng)各數(shù)據(jù)非線性擬合方差小于0．85時(shí)，對(duì)離散度較大的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

此次殘余應(yīng)力測(cè)試參照的標(biāo)準(zhǔn)為：（1）歐盟殘余應(yīng)力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EN 15305-2008：Non-destructive Testing：Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction；（2）GB 7704-87 X射線應(yīng)力測(cè)定方法；（3）ASTME 915-2010 Standard test method for verifying the alignment of X-ray diffraction instrumentation for residual stress measurement。

1.2測(cè)試位置

本次返修部件母材為JIS G3114-2008標(biāo)準(zhǔn)SMA 490BW耐候鋼，板材與鋼管拼焊結(jié)構(gòu)，SMA 490BW耐候鋼基本化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1　SMA490BW耐候鋼化學(xué)成分％

表2　SMA490BW耐候鋼基本力學(xué)性能

將返修的部件編為1#部件，未進(jìn)行返修的部件編為2#部件。測(cè)試具體位置如圖3所示，測(cè)試點(diǎn)分布位置如圖4所示。

2　測(cè)試結(jié)果分析

2.1測(cè)試數(shù)據(jù)

1#部件和2#部件A側(cè)各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力分布曲線對(duì)比如圖5所示，1#部件和2#部件A側(cè)各測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力分布曲線對(duì)比如圖6所示。1#部件和2#部件B側(cè)各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力分布曲線對(duì)比如圖7所示，1#部件和2#部件B側(cè)各測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力分布曲線對(duì)比如圖8所示。

2.2測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由圖5、圖6可知，無(wú)論是1#還是2#部件，A側(cè)測(cè)試區(qū)域的表面殘余應(yīng)力無(wú)論是軸向還是環(huán)向絕大部分為壓應(yīng)力，少數(shù)為拉應(yīng)力。應(yīng)力分布于-370～150 MPa，壓應(yīng)力主要分布于-100～-250 MPa，說(shuō)明表面應(yīng)力分布不均勻。在60個(gè)測(cè)試點(diǎn)，120個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)中只有11個(gè)為拉應(yīng)力，1#部件最大拉應(yīng)力值為143．44 MPa（15號(hào)測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力），2#部件最大拉應(yīng)力值為93．94 MPa（28號(hào)測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力），遠(yuǎn)小于表2中JIS規(guī)定的該材料最小屈服強(qiáng)度355 MPa。2#部件的26～30號(hào)測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且26～29號(hào)測(cè)點(diǎn)都在焊縫上。1#部件壓應(yīng)力最大值為313.84 MPa（絕對(duì)值，20號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力），略小于2#部件壓應(yīng)力最大值362.01 MPa（絕對(duì)值，3號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力）。

圖3　試驗(yàn)部件測(cè)試位置

由圖7、圖8可知，B側(cè)測(cè)試區(qū)域的表面殘余應(yīng)力無(wú)論是軸向還是環(huán)向也絕大部分為壓應(yīng)力，少數(shù)部分為拉應(yīng)力。應(yīng)力分布于-350～270 MPa，壓應(yīng)力主要分布于-100～-250 MPa，與A側(cè)相似，表面應(yīng)力分布也不均勻。1#部件最大拉應(yīng)力值為263.65MPa（9號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力），2#部件最大拉應(yīng)力值為125.68 MPa（25號(hào)測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力），但小于表2中JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的該轉(zhuǎn)向架材料的最小抗拉強(qiáng)度490MPa，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)均在焊縫上。同時(shí)1#部件最大壓應(yīng)力值為348.60 MPa（絕對(duì)值，16號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力），2#部件最大壓應(yīng)力值為336.70MPa（絕對(duì)值，19號(hào)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力），兩者與A側(cè)最大壓應(yīng)力值接近。

圖4　測(cè)試點(diǎn)位置分布示意

圖5　A側(cè)軸向應(yīng)力分布曲線對(duì)比

由圖5～圖8可知，在坐標(biāo)圖上2#部件A、B側(cè)軸向和環(huán)向應(yīng)力分布曲線均低于1#部件的應(yīng)力分布曲線，也就是說(shuō)壓應(yīng)力值（以絕對(duì)值而言）更大，而且整體分布更為均勻。但由于1#部件所測(cè)區(qū)域基本為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力值也不大，返修后產(chǎn)品后工序還要進(jìn)行噴砂及退火處理，這將消除部分殘余應(yīng)力，由此可知從殘余應(yīng)力角度來(lái)講返修后的部件并不影響其使用性能。

圖6　A側(cè)環(huán)向應(yīng)力分布曲線對(duì)比

圖7　B側(cè)軸向應(yīng)力分布曲線對(duì)比

圖8　B側(cè)環(huán)向應(yīng)力分布曲線對(duì)比

3　結(jié)論

（1）1#部件表面殘余應(yīng)力分布不均勻，基本為壓應(yīng)力，主要分布于-100～-250MPa，少數(shù)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為143.44 MPa，小于日標(biāo)規(guī)定的最小屈服極限。

（2）2#部件表面殘余應(yīng)力分布不均勻，基本為壓應(yīng)力，主要分布在主要分布于-100～-250 MPa，少數(shù)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為263.65 MPa，小于母材JIS規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度。

（3）2#部件比1#部件表面殘余應(yīng)力分布更為均勻，應(yīng)力曲線在坐標(biāo)圖中更低（壓應(yīng)力絕對(duì)值更大），由于1#部件所測(cè)區(qū)域基本為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力值也不大。

（4）從殘余應(yīng)力角度來(lái)講，返修的部件并不影響其使用性能。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]蔣剛，譚明華，王偉明.殘余應(yīng)力測(cè)量方法的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)床與液壓，2007，35（6）：213-216，220.

[3]陳玉安，周上祺.殘余應(yīng)力X射線測(cè)定方法的研究現(xiàn)狀[J].無(wú)損檢測(cè)，2001，23（1）：19-22.

Application of residual stress testing on bogie frame repair

FANG Xiaozhong，NI Baocheng，DONG Hongda
（Bogie Design Department，CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China）

In this paper，using the X ray method of residual stress test in the bogie frame welding products repair position，analyze and compare with the same position in the qualified product.Evaluate the reliability of using the repaired products in the residual stress way.

frame；repair；X Ray；residual stress

TG404

A

1001－2303（2016）04－0027-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.06

2015-04-27

方孝鐘（1983—），男，浙江義烏人，碩士，主要從事轉(zhuǎn)向架構(gòu)架工藝的研究工作。