CN111069865A - 一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，针对高速动车组转向架焊接构架的轻量化问题，通过优选超低碳贝氏体高强度、高韧性结构钢，在保证结构强度、刚度和稳定性的前提下通过降低钢板的厚度实现转向架焊接侧梁的轻量化，改进了设计结构，并通过小角度坡口的激光‑MAG电弧复合焊接工艺优化，在保证侧梁的焊接质量和接头性能的基础上，制定了侧梁结构不预热、小变形的焊接制造工艺。提高了结构的强度、减少了焊接工艺实施难度、减轻了重量。

Description

一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺

技术领域

本发明属于轨道车辆技术领域，尤其是轨道车辆用基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺。

背景技术

近年来，我国高铁事业进入空前繁荣期，引进-消化-吸收-再创新路线取得巨大成功，中国高铁逐步走向国际化。自主创新是未来高铁发展的重要课题，中国标准动车组成功运营，标志着高铁国产创新之路已初步实现。新材料、新结构已应用于标准动车组制造。转向架是高速列车的重要行走机构，对列车的高速平稳、安全运营起重要作用。目前高速列车转向架用钢多采用日系SMA490BW耐候钢或欧系的S355J2W耐候钢进行制造、连接。但转向架中上述材料的最大连接厚度超过20mm，采用MAG焊进行施焊时，存在效率低，焊接热输入大等问题。

N800CF低碳贝氏体钢采用TMCP控冷控轧工艺制造。TMCP适合于低碳微合金化钢材生产。控制轧制过程是在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织，性能的目的。控制冷却过程通过控制热轧钢材轧后的冷却条件来控制奥氏体组织状态、控制相变条件、控制碳化物析出行为、控制相变后钢的组织和性能。控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够降低合金元素含量和碳含量，节约贵重合金元素，减少生产成本；并进一步提高钢材的强韧性，获得优良的综合性能。

现行国家标准GB/T1591-2008《低合金高强钢》中强度级别最高钢种Q690钢，其屈服强度690MPa，抗拉强度达800MPa。如果实现该强度级别钢种在转向架焊接构架中的应用则可显著地提升其承载能力并降低结构重量，构架减重可达25％以上。但是，与构架制造常用的钢种相比，强度级别更高的Q690低合金高强钢因加入了更多的合金元素，大大提高了钢材的淬硬倾向，导致其焊接裂纹敏感性增加，而焊接裂纹的存在是承受动载荷构架在服役过程中的重大安全隐患。

为此，需找到一种可应用在超低碳贝氏体高强钢上的焊接工艺及工艺参数，将超低碳贝氏体高强钢应用在转向架的生产应用中，实现转向架进一步轻量化，同时获得高品质焊接接头，为下一代高速列车转向架材料及高效、高可靠焊接技术的再创新提供保障。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题，提供一种焊接工艺，可应用于超低碳贝氏体高强钢的有效焊接，组焊成转向架侧梁。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其技术方案是：

一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，制造时采用如下工艺：

S1.利用有限元方法对超低碳贝氏体钢的转向架侧梁结构进行静强度、结构稳定性和疲劳寿命数值模拟分析，确定侧梁结构及板厚尺寸参数；

S2.根据步骤S1确定的数据，切割板材，得到侧梁各部分结构板并对结构板做相应的预处理；

S3.根据各结构板的厚度及侧梁的整体结构特征，采用激光-MAG复合焊接工艺按序将各结构板进行不预热焊接形成转向架侧梁。

进一步的，步骤S3中，焊接时，对接焊钝边在5mm-10mm范围内取值，坡口角在15°-25°范围内取值，组焊间隙在1.0mm-2.5mm范围内取值。

进一步的，打底层焊道激光功率在4.5kW-5.5kW范围内取值；焊接速度在14.5mm/s-17mm/s范围内选取；送丝速度在9m/min-12m/min范围内以值；离焦量选取在-2.5mm-2.5mm范围内取值。

进一步的，打底层焊接时，激光功率在5.15kW-5.3kW范围内取值，焊接速度在16mm/s-16.5mm/s范围内取值，送丝速度在11.5-12.0m/min范围内取值，离焦量为0mm。

进一步的，典型焊接时，参数为激光功率在0.9kW-1.1kW范围内取值，焊接速度在11mm/s-13mm/s范围内取值，送丝速度在11m/min-13m/min范围内取值，离焦量为0mm。

进一步的，T型焊接时，坡口钝边在3.5mm-4.5mm范围内取值，坡口角度在25°-30°范围内取值，采用激光功率在1kW～2kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围，送丝速度在8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量在-2mm～0mm范围内取值。

进一步的，完成侧梁下盖板与立板内侧焊缝焊接后，再进行上盖板与立板的底焊，焊接时，激光偏向上盖板8-12度，钝边大小在3.5mm-4.5mm范围内取值，坡口角度在25°-35°范围内取值，后倾角在8°-12°范围内取值，完成上盖板与立板底焊后，进行T型焊接时，T型坡口钝边在3.5mm-4.5mm范围内取值，坡口角度在25°-35°范围内取值，采用激光功率在5kW～6kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围内取值，送丝速度8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量-2mm～0mm范围内取值。

进一步的，激光-MAG复合焊接后，测温枪距焊缝一定距离检测温度达到限值以下时，进行雾化喷淋冷却。

进一步的，填充封面层增加MAG焊接，焊接电流在240A～260A范围内取值，电压在25V～27V范围内取值。

进一步的，填充层焊道焊接时，激光功率在1kW～2kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围内取值，送丝速度在8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量在-2mm～0mm范围内取值。

综上所述，本发明提供的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，可对800MPa级高强钢进行不预热焊接制造轻量化转向架侧梁，与现有技术相比，具有如下优点：

1.在同等级运行速度条件下承受动载荷侧梁组成最优结构；

2.采用MAG焊接、等离子-MAG、激光-MAG工艺条件下，采用激光焊接在现有工艺条件下，获得最小成本焊接填充量、最小佳熔透后最小焊接残余应力；

3.最优焊接工艺顺序条件下获得最优焊接变形，确保在不预热、免调修条件下焊接结构的刚度，并防止侧梁反复调修造成的焊接质量下降的问题。

4.针对高速动车组转向架焊接构架的轻量化问题，通过优选超低碳贝氏体高强度、高韧性结构钢，在保证结构强度、刚度和稳定性的前提下通过降低钢板的厚度实现转向架焊接侧梁的轻量化，改进了设计结构，并通过小角度坡口的激光-MAG电弧复合焊接工艺优化，在保证侧梁的焊接质量和接头性能的基础上，制定了侧梁结构不预热、小变形的焊接制造工艺。提高了结构的强度、减少了焊接工艺实施难度、减轻了重量。

附图说明：

图1：本发明提供的转向架侧梁结构示意图；

图2：焊接产品质量图(正面)；

图3：焊接产品质量图(背面熔透效果)

图4：焊接后探伤结果图；

图5：本发明提供的制造工艺中T型接头坡口参数及激光入射角示意图；

图6：本发明提供的制造工艺中侧梁长直焊工节顺序图。

其中，下盖板1，上盖板2，弹簧座板3，立板4，筋板5，一系弹簧座板6。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

在本发明提供的实施例中，以800MPa超低碳贝氏体钢生产制造H型无摇枕结构转向架为例，介绍整个制造工艺。制造工艺包括：

S1，基于有限元法通过对所选强度级别800MPa超低碳贝氏体钢转向架整体结构进行静强度、刚度及稳定性的数值仿真分析，确定出侧梁结构及板厚的尺寸参数，保证转向架动载荷与强度适合或大于时速250KM/H的运营安全，保证了转向架构架的刚度和柔度。更改侧梁结构如图1所示，如图1所示，包括相互焊接固定的下盖板1，上盖板2，弹簧座板3，立板4，筋板5及一系弹簧座板6，并确定各结构板如表1所示厚度：

表1尺寸更改前后

部件名称	原结构(mm)	现结构(mm)
			下盖板1	12	8
上盖板2	9	6
			弹簧座板3	10	6
立板4	10	4
			筋板5	16	10
一系弹簧座板6	22	20

表1中同时提供了使用普通钢板制成的侧梁主要部分结构板的厚度尺寸，通过对比，并结合现有技术中常见的转向架整体尺寸分析，可知，在结构尺寸不变的情况下，仅通过改变各板材厚度，单根侧梁由原结构291kg，减少70.6kg，重量减少约25％。

S2，根据步骤S1确定的数据，取用不同厚度的板材，分别将厚度为6mm和8mm的板材平整后切割成上盖板2和下盖板1；将厚度为6mm的板材平整后切割成弹簧座板3，将厚度为4mm板材平整后切割成立板4，将厚度为10mm的板材平整后切割成内筋板；将厚度10mm板材平整后切割成端部内筋板；将厚度20mm板材平整后切割成一系弹簧座板6，同时切割获得侧梁组成中其他部分的结构板，对切割后的各结构进行表理处理，去除板材表面的油污和锈蚀。根据转向加整体形状特点，对上盖板2和下盖板1分别进行冲压模锻，将上盖板2、下盖板1制备成转向架其特有的下凹或下凸形状。

S3.根据各结构板的厚度及侧梁的整体结构特征，采用激光-MAG复合焊接工艺按序将各结构板进行不预热焊接形成转向架侧梁。

为保证结构强度，焊接时，采用如下技术参数：

焊接时，对接焊参考钝边在5mm-10mm范围内取值、坡口角在15°-25°范围内取值、组焊间隙在1.0mm-2.5mm范围内取值的焊接工艺参数，考虑第一层(打底焊)焊道激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量这四个主要影响焊接质量的影响因素，对打底层焊道激光功率在4.5kW-5.5kW范围内取值；焊接速度在14.5mm/s-17mm/s范围内选取；送丝速度在9m/min-12m/min范围内以值；离焦量选取在-2.5mm-2.5mm范围内取值。

优选的，焊接时，对接焊选择钝边为8mm，坡口角为20°，组焊间隙为1.6mm的焊接工艺参数，第一层(打底层)焊道激光功率，焊接速度，送丝速度，离焦量这四个因素，每个因素分别选取三个水平值，如激光功率分别为5.0kW，5.15kW，5.3kW；焊接速度选取15.5mm/s，16mm/s，16.5mm/s；送丝速度选取10m/min，10.5m/min，11m/min；离焦量选取-2mm，0mm，2mm，采用如上数据对焊接工艺进行优化，焊接效果如图2和图3所示，焊接正面效果好，背面熔透良好，对焊接部位进行探伤检测，结果如图4所示。

打底层焊接时，激光功率在5.15kW-5.3kW范围内取值，焊接速度在16mm/s-16.5mm/s范围内取值，送丝速度在11.5-12.0m/min范围内取值，离焦量为0mm。盖面层工艺参数在较大范围内均可，工艺参数可选用现有技术中常用的焊接工艺参数。典型焊接时，参数为激光功率在0.9kW-1.1kW范围内取值，焊接速度在11mm/s-13mm/s范围内取值，送丝速度在11m/min-13m/min范围内取值，离焦量为0mm，优选的，典型焊接参数为激光功率1kW，焊接速度12mm/s，送丝速度12m/min，离焦量为0mm。选用上述参数进行典型焊，焊接稳定性好，焊缝背部熔透好，未出现周期性焊瘤。

如表2所示，本实施提供的对接焊缝最优参数参考值：

表2对接焊缝最优参数窗口

经过大量焊接实验，并对焊接结果进行探伤检测后发现，在进行T型焊接时，如果T型接头采用小于2mm小钝边焊接时，填充量大，易发生层道间未熔合现象；采用大于5mm钝边时仅需两道即可完成施焊，但后半段的未熔透不易解决，当实际焊接大板时，无法采取合理措施解决该问题；因此，选择钝边参数时，填充量需介于上述两种条件之间，以有效避开侧壁未熔合问题。确定了钝边参数范围后，又进行了最佳焊接数据选择的焊接实验，确定，进行T型焊接时，坡口钝边在3.5mm-4.5mm范围内取值，坡口角度在25°-30°范围内取值，采用激光功率在1kW～2kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围，送丝速度在8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量在-2mm～0mm范围内取值。优选的，当T型坡口钝边4mm，坡口角度30°时，配合上述激光功率及焊接速度、送丝速度、离焦量，可获得最优的焊接效果。钝边大小为4mm时，针对30°坡口角，相对于其它两种条件(2mm和5mm的钝边情况)有小的填充量，如图5所示，通过改变焊枪角和第二层焊道激光功率方法解决侧壁未熔合问题。

按前文所述焊接方法完成侧梁下盖板1与立板4内侧焊缝焊接后，再进行上盖板2与立板4的底焊，首先完成上盖板2与立板4的底焊，如图6中A、B、C、D处位置，焊接时，如图5所示，激光向上盖板2偏8-12°，优选10°(原为15°)，钝边大小在3.5mm-4.5mm范围内取值，优选为4mm，坡口角度在25°-35°范围内取值，优选为30°，后倾角在8°-12°范围内取值，优选为10°；完成上盖板2与立板4底焊后，再在A、B、C、D处的坡口E、F、G、H处进行T型焊，焊接时，T型坡口钝边在3.5mm-4.5mm范围内取值，优选为4mm，坡口角度在25°-35°范围内取值，优选为30°，采用激光功率在5kW～6kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围内取值，送丝速度8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量-2mm～0mm范围内取值。

填充封面层增加MAG焊接，焊接电流在240A～260A范围内取值，电压在25V～27V范围内取值。填充层(第二层)焊道焊接时，激光功率在1kW～2kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围内取值，送丝速度在8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量在-2mm～0mm范围内取值。

完成激光-MAG复合焊接后，采用喷淋激冷，用红外测温枪距焊缝两侧一定距离如50mm处，检测焊缝温度下降到限值，如温度达到700℃限值以下时，进行雾化喷淋冷却，保证焊缝应力均匀。

在本发明提供的实施例中，采用强度级别为800MPa的超低碳贝氏体高强钢制造转向架侧梁，并用如上所述的焊接工艺，申请人同时就不是级别的超低碳贝氏体高强钢进行了焊接实验，确定，本发明提供的焊接工艺，可广泛应用在超低碳贝氏体高强钢焊接过程，板材厚度不同时，适当修订最值参数即可。

综上所述，本发明提供的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，可对800MPa级高强钢进行不预热焊接制造轻量化转向架侧梁，与现有技术相比，具有如下优点：

1.在同等级运行速度条件下承受动载荷侧梁组成最优结构；

2.采用MAG焊接、等离子-MAG、激光-MAG工艺条件下，采用激光焊接在现有工艺条件下，获得最小成本焊接填充量、最小佳熔透后最小焊接残余应力；

3.最优焊接工艺顺序条件下获得最优焊接变形，确保在不预热、免调修条件下焊接结构的刚度，并防止侧梁反复调修造成的焊接质量下降的问题。

4.针对高速动车组转向架焊接构架的轻量化问题，通过优选超低碳贝氏体高强度、高韧性结构钢，在保证结构强度、刚度和稳定性的前提下通过降低钢板的厚度实现转向架焊接侧梁的轻量化，改进了设计结构，并通过小角度坡口的激光-MAG电弧复合焊接工艺优化，在保证侧梁的焊接质量和接头性能的基础上，制定了侧梁结构不预热、小变形的焊接制造工艺。提高了结构的强度、减少了焊接工艺实施难度、减轻了重量。

如上所述，结合所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：制造时采用如下工艺：

S1.利用有限元方法对超低碳贝氏体钢的转向架侧梁结构进行静强度、结构稳定性和疲劳寿命数值模拟分析，确定侧梁结构及板厚尺寸参数；

S2.根据步骤S1确定的数据，切割板材，得到侧梁各部分结构板并对结构板做相应的预处理；

S3.根据各结构板的厚度及侧梁的整体结构特征，采用激光-MAG复合焊接工艺按序将各结构板进行不预热焊接形成转向架侧梁。

2.如权利要求1所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：步骤S3中，焊接时，对接焊钝边在5mm-10mm范围内取值，坡口角在15°-25°范围内取值，组焊间隙在1.0mm-2.5mm范围内取值。

3.如权利要求2所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：打底层焊道激光功率在4.5kW-5.5kW范围内取值；焊接速度在14.5mm/s-17mm/s范围内选取；送丝速度在9m/min-12m/min范围内以值；离焦量选取在-2.5mm-2.5mm范围内取值。

4.如权利要求3所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：打底层焊接时，激光功率在5.15kW-5.3kW范围内取值，焊接速度在16mm/s-16.5mm/s范围内取值，送丝速度在11.5-12.0m/min范围内取值，离焦量为0mm。

5.如权利要求1所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：典型焊接时，参数为激光功率在0.9kW-1.1kW范围内取值，焊接速度在11mm/s-13mm/s范围内取值，送丝速度在11m/min-13m/min范围内取值，离焦量为0mm。

6.如权利要求1所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：T型焊接时，坡口钝边在3.5mm-4.5mm范围内取值，坡口角度在25°-30°范围内取值，采用激光功率在1kW～2kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围，送丝速度在8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量在-2mm～0mm范围内取值。

7.如权利要求1所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：完成侧梁下盖板与立板内侧焊缝焊接后，再进行上盖板与立板的底焊，焊接时，激光偏向上盖板8-12度，钝边大小在3.5mm-4.5mm范围内取值，坡口角度在25°-35°范围内取值，后倾角在8°-12°范围内取值，完成上盖板与立板底焊后，进行T型焊接时，T型坡口钝边在3.5mm-4.5mm范围内取值，坡口角度在25°-35°范围内取值，采用激光功率在5kW～6kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围内取值，送丝速度8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量-2mm～0mm范围内取值。

8.如权利要求1所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：激光-MAG复合焊接后，测温枪距焊缝一定距离检测温度达到限值以下时，进行雾化喷淋冷却。

9.如权利要求1所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：填充封面层增加MAG焊接，焊接电流在240A～260A范围内取值，电压在25V～27V范围内取值。

10.如权利要求1所述的一种基于超低碳贝氏体高强钢的转向架侧梁制造工艺，其特征在于：填充层焊道焊接时，激光功率在1kW～2kW范围内取值，焊接速度在9mm/s～10mm/s范围内取值，送丝速度在8.5m/min～9.5m/min范围内取值，离焦量在-2mm～0mm范围内取值。

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