周希孺 吳圣川 郭峰 胡雅楠 張曉軍

摘要：現(xiàn)代鐵道車輛關(guān)鍵承載部件多采用大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，在制造、運用及維修過程中不可避免地會形成各種缺欠和損傷。經(jīng)安全評估后不可接受的質(zhì)量缺欠和傷損稱為缺陷，它們會顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命，因此需要對含缺陷或者傷損的承載部件進(jìn)行補修和再制造加工。綜述了當(dāng)前鐵道車輛關(guān)鍵承載部件中存在的各類缺陷及采用的延壽補修技術(shù)，指出再制造部件完整性評價是重要研究課題和方向。

關(guān)鍵詞：鐵道車輛;車體;轉(zhuǎn)向架構(gòu)架;焊接缺陷;結(jié)構(gòu)完整性

中圖分類號：TG44? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0147-14

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.15

0? ? 前言

現(xiàn)代鐵道車輛關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)（例如車體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等）多采用大型焊接結(jié)構(gòu)，在制造和運用中將不可避免地存在各種缺陷，例如制造過程中產(chǎn)生的非金屬夾雜物、冶金型或者工藝型氣孔、熱裂紋和成形不良等，以及運用維護(hù)過程中產(chǎn)生的腐蝕損傷、外物沖擊、微動磨損、劃擦以及疲勞裂紋等[1-3]。這些缺欠和傷損的存在將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部形成應(yīng)力集中，大幅降低承載能力和服役壽命。經(jīng)安全評估后，不可接受的質(zhì)量缺欠和傷損稱為缺陷，需要對含缺陷的承載部件進(jìn)行補修加工和延壽評估。

近年來，多種金屬加工方法被用于高速動車組等現(xiàn)代鐵道車輛關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)及部件的再制造，包括磨削、沖擊、鉆孔、重熔、補焊和截?fù)Q等。然而，每種延壽補修方法適用于不同的缺陷類型，對結(jié)構(gòu)件服役性能的影響程度也不盡相同。例如，當(dāng)采用表面重熔、補焊和切割焊修等熱加工工藝補修后，結(jié)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力、補修區(qū)材料的微觀組織、缺陷容限能力、損傷演化以及剩余壽命均有不同程度地變化。

文中針對現(xiàn)代鐵道車輛的再制造問題，在廣泛調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)補修及延壽規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，按照結(jié)構(gòu)件的成型工藝（鑄造、鍛造和焊接）、缺陷尺寸及位置（表面缺陷和內(nèi)部缺陷）、缺陷類型及來源等因素，對高速動車等鐵道車輛關(guān)鍵的承載部件的典型缺陷和常用延壽補修技術(shù)的適用性和補修效果進(jìn)行系統(tǒng)歸納，為現(xiàn)代鐵道車輛關(guān)鍵承載部件再制造修復(fù)技術(shù)的研究及應(yīng)用提供參考。

1 典型缺陷及分類

鐵道車輛關(guān)鍵承載部件的缺陷主要源于結(jié)構(gòu)件的制造缺欠及服役損傷。前者包括在鑄造、鍛造和焊接等工藝過程中所造成的質(zhì)量缺陷，后者是指車輛在服役過程中因外在環(huán)境產(chǎn)生的磨損、腐蝕、異物致?lián)p和疲勞長裂紋等。同時，缺陷來源廣泛，形狀各異，尺寸變化也較大。目前，國內(nèi)外尚無通用成熟的缺陷標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)則化方法，這給缺陷認(rèn)定及影響研究提出了挑戰(zhàn)。為了便于描述缺陷及其對應(yīng)的延壽補修技術(shù)，文中結(jié)合現(xiàn)代鐵道車輛制造、運用和維護(hù)的慣常處理方法，依據(jù)缺陷與結(jié)構(gòu)件表面的相對位置及其對結(jié)構(gòu)件服役性能的影響等因素將缺陷分為表面淺缺陷、表面深缺陷、內(nèi)部缺陷和其他缺陷等四大類。缺陷類型劃分的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及特征描述如表1所示。

表面淺缺陷是一類位于材料表面的缺陷，鐵道車輛部件的表面淺缺陷通常源于材料自身的冶金缺陷以及構(gòu)件在成型、加工和服役中造成的損傷。常見的表面淺缺陷有表面氣孔、輕微焊接咬邊和劃傷等，如圖1所示。

盡管表面淺缺陷會造成服役構(gòu)件的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，但通常認(rèn)為其嚴(yán)重程度不會影響結(jié)構(gòu)的正常服役。一般所有被認(rèn)為是尚未直接影響到結(jié)構(gòu)承載能力，也未大幅度縮減結(jié)構(gòu)剩余壽命及未影響車輛正常服役，根據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可以被接受的表面缺陷均稱為表面淺缺陷。必須注意的是，這里“淺”并非對應(yīng)某一種缺陷的絕對尺寸，而是區(qū)別于表面深缺陷的一種分類方法。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，表面缺陷恰恰是一類不能被忽略的一類缺陷，只不過實際運用中比較容易發(fā)現(xiàn)和修補這類缺陷。

與此相對，表面深缺陷是區(qū)別于表面淺缺陷的位于材料及結(jié)構(gòu)件表面的深層缺陷。表面深缺陷一般來源于加工缺陷和服役損傷兩個方面，很少源于材料本身的冶金缺陷。因為發(fā)生在材料表面的深冶金缺陷很容易被檢測且判定為不合格，或在后續(xù)加工過程中被去除。常見的表面深缺陷有折疊、夾渣、焊接裂紋和疲勞裂紋等，如圖2所示。表面深缺陷在標(biāo)準(zhǔn)中通常被定義為嚴(yán)重的或不可以接受的表面缺陷，將顯著地削弱結(jié)構(gòu)的承載能力，大幅縮減結(jié)構(gòu)的服役壽命，其存在會帶來巨大的安全風(fēng)險。

有別于表面缺陷，內(nèi)部缺陷通常位于材料內(nèi)部，通過目測無法直接檢出，可能來源于材料的冶金缺陷以及構(gòu)件成型、加工和服役中的損傷。常見的內(nèi)部缺陷有內(nèi)部氣孔、內(nèi)部裂紋和未熔合等，如圖3所示。

此類缺陷在一定的限制尺寸和數(shù)量之內(nèi)并不會對鐵道車輛結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命產(chǎn)生影響，但是超過臨界值后會顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效破壞。

其他缺陷獨立于上述三類缺陷，主要包括因設(shè)計加工造成的結(jié)構(gòu)型缺陷，或其他無法被接受的缺陷，例如錯邊、燒穿和貫穿裂紋等，如圖4所示。

一般認(rèn)為，其他缺陷對鐵道車輛安全可靠服役具有重要影響，當(dāng)檢測到此類嚴(yán)重影響到車輛結(jié)構(gòu)性能的重大缺陷時，需立即停止服役，并對其進(jìn)行補修或更換。

2 傷損部件的再制造修復(fù)

近年來，多種再制造加工技術(shù)被用于高速動車組等現(xiàn)代鐵道車輛關(guān)鍵承載部件的補修及延壽，例如磨削、沖擊、鉆孔、補焊、堆焊及截?fù)Q等[16-20]，每種補修技術(shù)適用的缺陷類型不同。為確保一致性，根據(jù)前述缺陷的分類方法將補修技術(shù)分為淺層缺陷補修技術(shù)、深層缺陷補修技術(shù)、內(nèi)部缺陷補修技術(shù)和其他缺陷補修技術(shù)四類，進(jìn)而對鐵道車輛關(guān)鍵承載部件常用補修技術(shù)的特點和適用性進(jìn)行了討論和分析。

2.1 含表面缺陷部件

2.1.1 淺層缺陷修復(fù)

適用于鐵道車輛關(guān)鍵承載部件表面淺缺陷的補修技術(shù)主要有磨削、噴涂、表面重熔和增材制造等。

磨削是指采用砂輪、角磨機(jī)和砂紙等工具，通過打磨、切削和拋光等機(jī)械手段去除表層材料以修復(fù)含缺陷部件的一種再制造技術(shù)。通常用于焊趾處輕微咬邊和微裂紋等表面淺缺陷的補修處理[17]，如圖5所示。

軌道交通領(lǐng)域常用的磨削補修方法有圓盤磨削、旋轉(zhuǎn)銼刀磨削和拋光輪打磨等。其中，圓盤磨削的切削效率最高，旋轉(zhuǎn)銼刀磨削相比于圓盤磨削切削速率較慢，但是適用性與可操作性更強(qiáng)，能夠用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，尤其是打磨焊縫邊緣和孔洞的效果較好[20]。國際焊接學(xué)會認(rèn)為，作為改善焊接接頭服役性能的一種方法，旋轉(zhuǎn)銼刀磨削可有效提升焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度[19]。拋光輪打磨主要用于降低結(jié)構(gòu)的表面粗糙度，常用于對表面質(zhì)量要求較高的部件。磨削技術(shù)可以修復(fù)深度在2 mm以內(nèi)或不超過板厚5%左右的缺陷，也用作焊接和鉆孔后修復(fù)表面狀態(tài)的后處理工藝[18，20]。不過，磨削補修可能會在磨頭和部件表面產(chǎn)生剛性接觸，使用中需避免研磨時產(chǎn)生的意外劃痕和硬損傷;同時注意研磨表面會導(dǎo)致原始裂紋等痕跡模糊從而隱藏部分潛在的缺陷。因此，這類方法不適用于修復(fù)較深的疲勞裂紋[20]。

噴涂是指采用火焰、電弧或等離子弧粉末或絲材等材料，通過高速氣流使其霧化成微小的熔融顆粒，在部件表面形成噴涂層的一種補修技術(shù)，常用于含有劃痕和磨損等表面較淺缺陷部件的補修，原理如圖6所示。

常見的噴涂補修技術(shù)有火焰噴涂、電弧噴涂和等離子弧噴涂。文獻(xiàn)[15]分別介紹了通過氧-乙炔火焰噴涂、電弧噴涂和等離子弧噴涂技術(shù)補修發(fā)動機(jī)曲軸表面劃痕、鍋爐水冷壁表面磨損和發(fā)動機(jī)葉片表面微動磨損缺陷，為噴涂補修技術(shù)在修復(fù)鐵道車輛傷損部件中的應(yīng)用提供了重要參考。為研究火焰噴涂對結(jié)構(gòu)鋼表面溝

槽的補修效果，Keyhany等[21]對含深度為1.0 mm、長度12.5 mm、寬度分別為0.5 mm、0.75 mm和1.0 mm的表面溝槽缺陷的三組試件采用火焰噴涂工藝進(jìn)行補修處理，結(jié)果表明補修后試件抗拉強(qiáng)度提升2.5%。Amiri等[22]采用火焰噴涂工藝，對含0.5 mm槽尖、長度為10 mm、深度分別為0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm和1.3 mm的表面溝槽缺陷的四組試件進(jìn)行補修;結(jié)果表明，溝槽深度分別為0.5 mm和0.8 mm的補修試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均達(dá)到控制值，但伸長率有所下降;其中，溝槽深度為0.5 mm的試樣補修后伸長率下降了13.5%，但仍能夠滿足工程要求。研究表明，火焰噴涂可用于補修寬度為0.5～1 mm的表面溝槽型缺陷，其補修效果對缺陷深度敏感，深度0.5 mm的溝槽缺陷采用火焰噴涂補修效果最好。

重熔是指利用激光束或超高溫電弧將材料熔化而不添加任何金屬，以達(dá)到表面組織改善的一種補修技術(shù)，通常適用于表面淺缺陷和表面深缺陷的補修，如圖7所示。

常見的重熔修復(fù)技術(shù)有激光重熔和電弧重熔等。激光重熔修復(fù)的部件表面熔層薄，熱影響區(qū)較小，對粗糙度影響不大，并且能使部件表面重新生成較為精細(xì)的微觀組織[23]。Cabeza 等[24]通過試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)激光重熔處理后的馬氏體時效鋼表面粗糙度低，未見任何缺陷，力學(xué)性能與正常服役條件下的表面材料力學(xué)性能相當(dāng)，充分表明了激光重熔可以對14鎳（200級）馬氏體時效鋼壓鑄件的損傷表面進(jìn)行有效補修。Ravi[25]對激光重熔技術(shù)修復(fù)表面及亞表面缺陷的效果進(jìn)行了研究，通過實驗驗證了光束直徑為2 mm的1 kW光纖激光表面重熔技術(shù)可有效修復(fù)尺寸不超過1.6 mm的表面缺陷和尺寸在0.2～1 mm且不超過表面1 mm深的亞表面缺陷。與激光重熔相比，電弧重熔修復(fù)深度較深，但熱影響區(qū)也更大，可用于補修深度達(dá)到5 mm的裂紋缺陷[18]。重熔技術(shù)用于補修部件表面缺陷的同時，對其表面重塑，也能夠在一定程度上通過改善幾何構(gòu)形以減少應(yīng)力集中，是一種得到廣泛認(rèn)可的工程結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度改善方法。文獻(xiàn)[17，26]推薦使用鎢極惰性氣體保護(hù)熔修來修復(fù)焊趾處咬邊等焊接缺陷，形成平滑過渡曲面，改善焊趾外形。

增材制造融合了計算機(jī)和材料技術(shù)，是通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)材料的逐層堆積，通過累加方式實現(xiàn)物體從無到有的新型制造技術(shù)。作者認(rèn)為，增材技術(shù)在軌道交通車輛部件維保領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊[27-28]，目前集中在車軸表面損傷的激光熔覆補修技術(shù)研究，如圖8所示。

國外在車軸激光熔覆補修工藝方面的研究起步較早。2013年，Soodi等[29]對缺口車軸試樣分別采用商用420不銹鋼和17CrMoV5粉末進(jìn)行熔覆補修，通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗證實CRMoVe粉末修復(fù)效果更好，但是補修過程中產(chǎn)生的氣孔等新缺陷導(dǎo)致其實驗結(jié)果分散性變大。在國內(nèi)，齊先勝等[30]提出了激光熔覆修復(fù)EA4T車軸的可行性。2020年，青島四方股份公司的侯有忠等[31]以CRH380A/AL動車組EA4T車軸鋼為基體、NiCrMo合金為增材材料，采用選區(qū)激光熔覆工藝方法進(jìn)行補修和工藝評定，結(jié)果表明激光熔覆效果良好，補修后無氣孔、夾渣等新缺陷產(chǎn)生，激光增材組合接頭的抗拉強(qiáng)度高于母材最低抗拉強(qiáng)度650 MPa，試件在拉伸試驗中延性斷裂于母材。

田威等[32]對軌道車輛關(guān)鍵零部件（車輪、車鉤等）的失效形式與再制造技術(shù)進(jìn)行了分析與實驗研究，證實了激光熔覆和激光表面強(qiáng)化技術(shù)在鐵道車輛關(guān)鍵部件修復(fù)上的合理性，并結(jié)合行業(yè)特點制定了鐵道車輛再制造運行與實施模式，有助于鐵道車輛再制造技術(shù)的研究和普及。

選區(qū)激光熔覆能獲得較為精細(xì)的結(jié)構(gòu)組織，在工藝控制較好的情況下能獲得超過母材力學(xué)性能的熔覆區(qū)，在鐵道車輛補修方面有很好的應(yīng)用前景。盡管如此，在采用激光熔覆或者其他工藝熔覆缺損車輛關(guān)鍵承載部件后還必須從結(jié)構(gòu)完整性角度進(jìn)行考核，以確保在實際運用中不形成新的缺陷源。也就是說，對于缺損件的再制造，必須“修形修性”并行。

2.1.2 深層缺陷修復(fù)

適用于鐵道車輛關(guān)鍵承載部件的表面深缺陷補修技術(shù)通常包括沖擊處理、膠補、補焊、堆焊、鉆孔止裂和補強(qiáng)。

沖擊處理是通過沖擊工件表面改善表面形貌并植入殘余壓應(yīng)力，提升工件疲勞強(qiáng)度的一種補修工藝，如圖9所示。

沖擊處理工藝通常適用于含表面夾渣等表面深缺陷部件的修復(fù)，主要分為錘擊法、噴丸法和超聲波沖擊法[18]。錘擊法是最簡單有效的一種補修技術(shù)，其原理是利用氣動工具高速沖擊材料表面產(chǎn)生塑性變形并引入殘余壓應(yīng)力，通常用于提升焊接接頭性能和修復(fù)疲勞裂紋，修復(fù)深度可達(dá)3 mm。

王秋東[33]針對焊根處原始裂紋長度分別為118 mm、104 mm的兩個T型焊接試樣進(jìn)行裂紋錘擊閉合處理，疲勞試驗結(jié)果顯示，經(jīng)錘擊處理后的試樣表面均存在明顯的塑性變形，同時引入了壓縮殘余應(yīng)力，裂紋擴(kuò)展壽命得到了大幅提高。噴丸法作用力大，清理效果明顯，通過將無數(shù)小鋼丸噴射捶打零件表面形成殘余壓應(yīng)力層。丁麗麗等[34]針對直升機(jī)主減速器齒輪電刷鍍修復(fù)后產(chǎn)生裂紋這一問題，提出了噴丸強(qiáng)化補修措施，并證實了飛機(jī)上承受較大交變載荷的零件存在磨損、壓痕等表面缺陷均可使用該工藝進(jìn)行修復(fù)。超聲波沖擊法是最為高效的一種沖擊補修技術(shù)，相比于錘擊法和噴丸法噪聲更低，可控性更高，能夠有效減少氣孔、縮孔等表面缺陷的形成。

鐵道車輛關(guān)鍵承載部件在焊接后通常存在一定的焊接殘余應(yīng)力，對部件力學(xué)性能和疲勞壽命危害較大。沖擊處理可以使得表面組織致密化，呈現(xiàn)出條狀纖維形態(tài)，同時有效去除焊趾處的焊接殘余應(yīng)力。徐野等[35]對高速動車鋁合金車體焊接殘余應(yīng)力的超聲波沖擊消除方法進(jìn)行了研究，通過盲孔法對激勵電流為1.6 A和2.0 A的超聲波沖擊處理后的模擬焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)接頭力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)，隨著激勵電流的增加，焊接殘余應(yīng)力消除效果明顯，但是表面粗糙度也隨之增大。值得注意的是，盡管噴丸等沖擊處理屬于冷加工技術(shù)，一般不影響補修區(qū)域材料的力學(xué)性能，但是在引入殘余壓應(yīng)力的同時也會使部件表面產(chǎn)生深度為0.05～0.25 mm的微小凹坑，同時，類裂紋缺陷也是沖擊過程所帶來的不可避免的工藝性缺陷，通?？梢酝ㄟ^輕微的表面研磨去除[18，20]。

膠補是利用金屬填補劑直接涂敷于金屬表面以修復(fù)缺陷或?qū)?fù)合材料補片用膠接的方法貼補到破壞損傷區(qū)域，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部補強(qiáng)或賦予材料表面特殊性能的一種補修技術(shù)，其基本原理如圖10所示。膠補方法通常適用于表面深缺陷的消除，一般可分為金屬修補劑修復(fù)和復(fù)合材料補片修復(fù)兩類。

金屬補修劑修復(fù)是指將多種合金與改性增韌耐熱樹脂或者特殊材料進(jìn)行復(fù)合得到的高性能聚合金屬膠粘劑涂于表面，適用于設(shè)備腐蝕、磨耗、劃傷、破損等缺陷修復(fù)，且不會引起修復(fù)區(qū)變形和應(yīng)力集中。例如，北京泰春化工采用天工“超金屬”修補劑修復(fù)了某1 800 t水壓機(jī)主柱塞、壓套及導(dǎo)套的磨損[36];該工藝具有高效、可靠和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，廣泛用于氣孔和砂眼等缺陷的補修。

復(fù)合材料補片修復(fù)是指將復(fù)合材料預(yù)先浸料補片，用膠接的方式貼補到部件損傷區(qū)域，進(jìn)行局部補強(qiáng)，該修復(fù)技術(shù)具有固化快、增重小和設(shè)計性強(qiáng)等特點，適用于修復(fù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Baker[37]針對機(jī)翼下表面45 mm的長裂紋，采用500 mm×300 mm的復(fù)合材料修補片進(jìn)行修復(fù)，三年服役表明，裂紋未見擴(kuò)展現(xiàn)象。張建路等[38]對于鐵道車輛車體焊縫處銹蝕缺陷采用ORB-P103密封膠進(jìn)行補修，并驗證了其可行性。膠補技術(shù)在使用過程中無需加熱，不會引入熱應(yīng)力，對表面組織形貌的改善很小且使用方法簡單快速，適用于無法補焊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和環(huán)境，因此在交通運輸、航空航天和武器裝備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[36]。

補焊是將焊接技術(shù)直接用于修補設(shè)備或零件缺陷的一種再制造技術(shù)，成本低和效率高，是鐵道車輛關(guān)鍵承載部件及其他各種焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的一種補修工藝，通常可用來補修表面缺陷、內(nèi)部缺陷和貫穿型裂紋等各種缺陷[18，39-40]。Dexter等[18]認(rèn)為挖V型槽補焊法非常適用于焊縫處的貫穿型長裂紋。當(dāng)檢測到裂紋時，首先通過空氣電弧氣刨和磨削等手段沿裂紋長度方向去除含缺陷材料，挖出V型槽，然后再通過焊接技術(shù)修補該區(qū)域。Liu等[39]對攪拌摩擦補焊的缺陷補修效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，攪拌摩擦補焊能有效地去除焊縫處的溝槽缺陷，且偏移補焊工藝優(yōu)于對稱補焊工藝，可獲得質(zhì)量更好的補修接頭。王家鑫等[40]針對齒輪箱吊座上3 mm×20 mm×4 mm的氣孔缺陷按照ISO 15614-1-2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝評定，并制定出對應(yīng)的局部補焊方案，補修質(zhì)量良好，如圖11和圖12所示。

補焊是現(xiàn)代鐵道車輛關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)維保中應(yīng)用最多的補修方案之一。但是，補焊區(qū)域的高溫?zé)嵝?yīng)會改變補修區(qū)域材料組織和力學(xué)性能，形成一定程度的應(yīng)力集中，引入復(fù)雜的殘余應(yīng)力場（拉伸應(yīng)力會促進(jìn)裂紋萌生和擴(kuò)展），因此焊后通常要采取局部熱處理和沖擊處理等措施以均勻化近焊縫區(qū)的微觀組織，提高其材料性能。

堆焊是將具備特殊性能的合金材料用電弧焊或氣焊法熔覆于缺損零件表面，以恢復(fù)零部件原有形狀尺寸或者賦予其表面特殊性能的一種再制造技術(shù)。與補焊相比，堆焊能夠使零件表面獲得特定的耐磨損和耐腐蝕等性能。羅洪軍等[41]對電火花堆焊在機(jī)械設(shè)備補修上的應(yīng)用特點及適用性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明電火花堆焊技術(shù)對設(shè)備表面凹坑、裂紋和基材剝落等缺陷具有較好的修復(fù)效果。汪瑞軍等[42]綜述了電火花沉積堆焊技術(shù)在機(jī)械設(shè)備表面缺陷的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)與其他工藝相比，該技術(shù)在操作條件、環(huán)境要求、成本費用、補修效果等方面具有優(yōu)勢。

鐵道車輛關(guān)鍵承載部件在運行中要經(jīng)受復(fù)雜環(huán)境和變幅載荷的綜合作用，可能會產(chǎn)生磨損、腐蝕和裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響車輛安全性。何巖等[43]對車輛緩沖桿表面進(jìn)行了堆焊性能研究，通過力學(xué)試驗、微觀分析和檢測手段發(fā)現(xiàn)，硬度、抗拉強(qiáng)度和表面組織均得到了明顯改善，如圖13和圖14所示。

文獻(xiàn)[44]提出了采用耐磨堆焊來補修轉(zhuǎn)向架構(gòu)架支承表面的磨損缺陷，補修后的支承耐磨性可提高4～6倍，同時疲勞壽命也得到大幅度提高。昌霞等[45]針對含缺陷的貨車轉(zhuǎn)向架側(cè)架，提出缺陷區(qū)域開U型坡口后采用焊條電弧焊進(jìn)行堆焊的補修方案，并通過試驗驗證了該補修工藝的可行性。

鉆孔止裂是通過在裂紋前緣進(jìn)行鉆孔，消除裂紋誘導(dǎo)的應(yīng)力集中，從而有效提高部件使用壽命的缺陷修復(fù)方法，如圖15所示。

鉆孔法主要用于補修深度超過5 mm的疲勞裂紋[18]，其補修效果與鉆孔的數(shù)量、尺寸、位置及形狀等有關(guān)。文獻(xiàn)[46-48]對止裂孔的數(shù)量和位置分布進(jìn)行了研究，提出了鉆孔止裂工藝的相關(guān)建議。傅中秋等[46]根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)制備了緊湊拉伸試樣，在裂紋尖端設(shè)置不同類型的止裂孔進(jìn)行試驗;研究發(fā)現(xiàn)，止裂孔中心位于裂紋前面且孔邊恰好與裂紋尖端重合的止裂孔補修效果較好，且鉆孔直徑越大，裂尖應(yīng)力集中系數(shù)越低。文獻(xiàn)[49-50]對鉆孔直徑與疲勞裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，較大裂紋止孔的止裂效果更好。Fanni等[51]根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法設(shè)計了一種與之對應(yīng)的新型止裂孔形狀。

補強(qiáng)是在裂紋出現(xiàn)位置安裝蓋板或在開裂區(qū)域安裝補強(qiáng)板，從而提高結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度的一種補修技術(shù)（見圖16），它也是一種簡單且應(yīng)用比較廣泛的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)工藝。

文獻(xiàn)[18]指出，裂紋蓋板通常適用于深度超過5 mm的疲勞裂紋修復(fù)，且可以通過先在裂紋尖端進(jìn)行鉆孔再通過螺栓安裝裂紋蓋板，達(dá)到更好的補修效果。文獻(xiàn)[52]對轉(zhuǎn)向架側(cè)梁銹蝕部位打磨清理后采用安裝補強(qiáng)板的方法，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。安裝裂紋蓋板和補強(qiáng)板等補強(qiáng)工藝效果比較明顯，但是由于存在容易變形和結(jié)構(gòu)增重明顯等缺點，在再制造領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸減少。

2.2 含內(nèi)部缺陷部件

適用于鐵道車輛關(guān)鍵承載部件的內(nèi)部缺陷補修技術(shù)通常包括挖補和熱等靜壓技術(shù)。一般認(rèn)為，內(nèi)部缺陷比表面缺陷危害性小，但若數(shù)量過多、尺寸過大、形狀復(fù)雜，會顯著降低結(jié)構(gòu)的承載性能和服役性能。

挖補是指將部件上含有缺陷的部位硬性刨除，再以焊接方式補焊上與母材成分基本相同或近似材料的一種補修技術(shù)。挖補通常適用于嚴(yán)重影響部件的材料性能或難以從外部直接進(jìn)行補修的內(nèi)部缺陷。呂曉蘭等[53]針對車體焊縫背部燒穿和塌陷缺陷無法從正面直接進(jìn)行修復(fù)的問題，采用從前面將含缺陷部位刨除后重新補焊上新材料的補修方案，補修效果明顯，如圖17和圖18所示。

董文忠[54]針對復(fù)合鋼板上未熔合夾層缺陷，采用超聲波檢驗法獲取該內(nèi)部缺陷的位置和大小后，將缺陷部位刨除再用焊條電弧焊來補焊的工藝方案;分析發(fā)現(xiàn)，所有位置缺陷補修后經(jīng)檢驗均符合標(biāo)準(zhǔn)，且在后續(xù)一年運行中未見異常。

熱等靜壓技術(shù)是將含缺陷部件放置到密閉容器內(nèi)，施加各向同等壓力，使部件在高溫高壓的作用下得以燒結(jié)和致密化的一種后處理技術(shù)，如圖19所示。

熱等靜壓可以有效消除內(nèi)部疏松、縮孔和裂紋等缺陷，同時具有均勻化組織和殘余應(yīng)力的作用，主要適用于部件內(nèi)部缺陷的補修[55]，在增材制造部件完整性評價中也得到了廣泛應(yīng)用[56-57]。美國工業(yè)材料公司采用熱等靜壓修復(fù)大型鑄錠[58]，使得材料的綜合力學(xué)性能顯著提高，補修后的鈦合金鑄件作為船用推進(jìn)器的葉輪已大批量成功使用。熱等靜壓技術(shù)加工的產(chǎn)品致密，性能優(yōu)異，主要用于高性能材料及部件制造領(lǐng)域，在美國、日本和歐洲都已經(jīng)基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但由于其在國內(nèi)起步較晚，研究深度和重視程度仍需提高。

2.3 含其他缺陷部件

適用于鐵道車輛關(guān)鍵承載部件的其他缺陷補修技術(shù)通常包括調(diào)修、截?fù)Q、鑲套、磨削、補焊、裂尖鉆孔和加裝裂紋蓋板等。

調(diào)修是基于手工、機(jī)械和火焰加熱等的傷損部件補修技術(shù)，在鐵道車輛領(lǐng)域通常用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、枕梁和車體等焊后變形的修復(fù)，主要分為冷調(diào)修和熱調(diào)修。前者主要通過機(jī)械手段對部件進(jìn)行局部補修，通常用于修復(fù)變形量較小、結(jié)構(gòu)較單薄的區(qū)域;后者主要通過火焰加熱對部件進(jìn)行局部補修，通常用于剛度和變形較大的區(qū)域，如圖20和圖21所示[59]。

對于結(jié)構(gòu)幾何復(fù)雜和變形量較大的焊接構(gòu)架，可將冷調(diào)修和熱調(diào)修合理搭配，以達(dá)到更好的調(diào)修效果。文獻(xiàn)[60-61]對轉(zhuǎn)向架火焰調(diào)修工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明焊接構(gòu)架的調(diào)修位置對調(diào)修影響很大，溫度在700～800 ℃為宜，同時必須嚴(yán)格控制調(diào)修過程。

截?fù)Q指將含缺陷部件直接切除再補焊上新的零部件的一種補修技術(shù)。截?fù)Q通常適用于嚴(yán)重影響部件結(jié)構(gòu)性能且難以通過簡單的補修技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的其他缺陷，如圖22所示。

鐵道車輛廠修規(guī)程中指出，車體鋼結(jié)構(gòu)梁及側(cè)墻立柱和蓋板銹蝕深度超過設(shè)計厚度的30%等嚴(yán)重缺陷可以采取截?fù)Q進(jìn)行補修。王成松[63]對客車車體腐蝕問題和檢修方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，車身腐蝕嚴(yán)重部位廠修時大部分都需截?fù)Q，并提出通過減少車體搭接、段焊和塞焊，加強(qiáng)表面清潔、防銹措施來減緩腐蝕損傷。王富強(qiáng)等[13]整理了幾種常見的牽枕緩結(jié)構(gòu)裂紋，對緩沖梁下蓋板處出現(xiàn)的長大裂紋設(shè)計了三種補修方案，選取對含長大裂紋的蓋板進(jìn)行局部截?fù)Q的補修方案，補修后部件在后期運行和檢查中狀態(tài)良好。

鑲套是通過加鑲特定尺寸形狀要求的內(nèi)套或外套，恢復(fù)部件耦合功能的一種再制造修復(fù)技術(shù)（見圖23）。鑲套通常適用于加工、裝配和使用過程中產(chǎn)生的部件螺孔功能失效等缺陷。戚墅堰公司的路亞光[64]詳細(xì)闡述了軌道交通領(lǐng)域鑲光套和鑲螺套修復(fù)技術(shù)的工藝流程與應(yīng)用實例，針對機(jī)體上原螺孔的耦合功能失效問題，采用鑲套技術(shù)補修，將螺孔尺寸由原來的M36×2加工為M48×2，再擰入內(nèi)螺紋為M36×2、外螺紋為M48×2的內(nèi)螺套，從而恢復(fù)其原使用功能。在進(jìn)行部件再制造加工選用和設(shè)計鑲套方案時，不僅要考慮其配合精度問題，還要嚴(yán)格保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性。任麗梅等[65]給出了采用過盈配合鑲套技術(shù)補修破碎機(jī)皮帶輪內(nèi)孔嚴(yán)重磨損失效問題的工藝設(shè)計流程和強(qiáng)度校核算法，該補修技術(shù)在日常生產(chǎn)中得到多次應(yīng)用并取得了很好的效果。

其余補修技術(shù)在上文均已介紹過，當(dāng)遇到其他類型缺陷時也可以采取這些方法進(jìn)行補修。例如對于形狀尺寸不符合要求的部件，通過磨削等機(jī)加工可以修復(fù)其外形，修復(fù)完成后要對其表面形貌進(jìn)行檢查，并按照要求對其表面粗糙度進(jìn)行調(diào)整;針對貫穿型裂紋缺陷，可以采用挖V型槽補焊、安裝裂紋蓋板和裂尖鉆孔的補修技術(shù)，根據(jù)具體要求也可將幾種方法結(jié)合使用。

3 結(jié)論

文中綜述了現(xiàn)代鐵道車輛關(guān)鍵承載部件存在的典型缺陷和與之相對應(yīng)的各種補修延壽技術(shù)特點及適用性。在實際工程運用中，缺陷通常呈現(xiàn)出多樣化和復(fù)雜化特點，需要結(jié)合具體問題采取合適且經(jīng)濟(jì)的補修技術(shù)。目前，補修延壽研究存在以下幾個方面的問題：

（1）高速動車組等鐵道車輛與汽車、船舶和飛機(jī)等重要載運工具在冶金、加工和服役過程中均存在交叉區(qū)域，在選用補修技術(shù)時，應(yīng)重視各領(lǐng)域之間的多信息交互融合，從而推動補修技術(shù)的先進(jìn)化和完備化。

（2）國內(nèi)補修技術(shù)研究起步較晚，多數(shù)尚停留在理論階段，采用的補修方案單一、保守，應(yīng)運用一些先進(jìn)的再制造技術(shù)開展車輛結(jié)構(gòu)延壽，使得補修技術(shù)更加實用、可靠，這是車輛高速及結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展的必然。

（3）部件補修后重新投入使用，由于補修技術(shù)、操作技術(shù)和實施工藝參數(shù)等不盡相同，尤其是補修后局部材料性能隨著服役時間的延長會有所變化，目前欠缺在部件補修后服役過程中的更新檢查和持續(xù)監(jiān)控方面的深入系統(tǒng)研究，需要對補修后部件的材料性能、服役壽命的演化關(guān)系及相應(yīng)的檢查監(jiān)控方法開展深入探索。

（4）傷損結(jié)構(gòu)補修運用后，需要重新對結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度進(jìn)行校核分析，尤其應(yīng)加強(qiáng)再制造本身引起的局域組織和力學(xué)性能改變與服役行為之間的關(guān)聯(lián)研究，否則易導(dǎo)致“拆東墻、補西墻”的結(jié)果，同時造成結(jié)構(gòu)質(zhì)量或者剩余強(qiáng)度的惡化。

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ZHOU Xiru1， WU Shengchuan1， GUO Feng1， HU Ya'nan1， ZHANG Xiaojun2

（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.CRRC Tangshan Locomotive and Rolling Stock Co.， Ltd.， Tangshan 064000， China）

Abstract： The key load-carrying components of modern high-speed railway vehicles are mostly large-scale welded metallic structures， in which inevitably exist various defects and damages during the manufacturing， operation and maintenance. It is usually argued that， after the safety assessment， those unacceptable quality defects and surface damage are called defects. These defects can considerably decrease the bearing capacity and service life of the structures， it is therefore necessary to repair the bearing parts in the case of defects. This paper summarizes the typical defects existing in the key load-carrying components of railway vehicles and corresponding repair technologies， and then we point out that the structural integrity assessment is the potential research topic and developing direction.

Keyword： modern railway vehicle; carbody; bogie frame; welding defects; structural integrity