浅谈电力机车焊接工艺

1结构功能说明

变形吸能元件是机车车钩缓冲装置的重要组成部分，它是由上支撑板、吸能钢管、衬套和下支撑板四部分通过焊接成一体，如图1所示。其上支撑板为T形支撑板，上支撑板置于吸能钢管内上端并通过焊接方式固定，衬套与吸能钢管内孔为过盈配合连接，衬套置于吸能钢管内下端并与下支撑板通过螺纹联接，衬套台阶需压入到钢筒内，直至衬套与钢筒下表面吻合形成Y形坡口，然后采用连续圆周焊连接成整体。吸能钢筒与衬套的焊接质量将直接影响到变形吸能元件功能的发挥。

2焊接现状分析

变形吸能元件钢筒焊接体是由衬套、吸能钢筒、上支撑板通过焊接成一体。其中，吸能钢筒材料(特殊的高级低合金钢)及上支撑板材料(16MnDR)为低碳钢，焊接性能良好，而衬套材料为45#钢，由于45#钢为中碳钢，淬硬倾向较明显，焊接工艺需要采取适当的预热、控制线能量等措施，焊接性能较为不理想。为确保焊缝质量，工艺上一直采用“预热+缓冷”的工艺措施。其中预热温度要求达到150℃～200℃均匀预热，缓冷是在珍珠岩中实施。但是，在进行预热工艺时，衬套各个部位存在一定的受热不均匀，容易产生小眼等缺陷，如图2所示，影响焊接质量;同时预热采用的是氧、乙炔加热的方式进行，存在一定的安全隐患;另外在预热后的温度条件下进行焊接，无形中增大了焊工的劳动强度。焊接完成后，将钢筒与衬套的焊缝部位放入珍珠岩中覆盖以进行缓冷处理从而消除应力热，由于预热、保温是一个漫长的过程，在此过程中预热需要约15min，而保温也需要约40min，因此，在生产过程中效率大打折扣。

3优化措施及效果验证

思路:在衬套材料力学性能满足的条件下，选用焊接性能更好的材料代替45#钢。3．1材料性能对比分析。根据相关要求，选择45#、15Mn、Q345、16MnDR四种材料进行焊接性能分析及力学性能分析，查阅机械设计手册并进行材料的碳当量估算，得知。45#钢:属于中碳钢，其淬透性较差，焊接性能较差，易产生裂纹，调质处理后的抗拉强度σb=630～780MPa，屈服强度σs=370MPa。15Mn:属于高锰低碳渗碳钢，性能与15钢相似，但淬透性、强度和塑性比15钢高。用以制造心部力学性能要求高的渗碳零件，焊接性尚可。Q345:综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用作中、低压容器等承受动荷的结构、机械零件、一般金属结构件，可用于－40℃以下寒冷地区的各种结构。16MnDR:属于低合金钢，力学性能良好，低温冲击性能良好，焊接性能良好，可用于－40℃以下寒冷地区的各种结构。以上四种钢材的化学成分及力学性能见表1、表2。综合来看，合金结构钢16MnDR的强度及焊接性能较为优良，可满足产品设计要求，故衬套材料考虑采用16MnDR。3．2强度计算。1)车体的纵向压缩载荷F=F1×k(F1为吸能元件开始出现塑性变形的最大允许力，以9600kW六轴车为例取值3300kN，k为安全系数，取值1．05)。故，单个钢筒承受力F2=F/4kN根据力的传递原理，衬套亦承受力F2kN2)衬套强度计算衬套材质为16MnDR，强度最薄弱处的受力面积为:受力面积S=л(R2－r2)(R为衬套与钢铜接触法兰面的大径，r为衬套与钢铜接触法兰面的小径)。因此，σ=F2/S=［F/4］/［л(R2－r2)］MPa保证σ＜σb，即证明材料强度足够通过代入具体数值计算得出σ=440MPa＜σb，说明16MnDR材料的衬套强度满足要求。3．3可焊性试验。优化更改衬套的焊接工艺，将16MnDR材质的衬套焊接前不进行预热，焊后也不进行缓冷处理，焊接后观察钢筒与衬套的焊缝情况并与原来45#钢的焊接效果进行对比，效果如图3、图4所示。通过两种材质的焊接效果可以看到，16MnDR材质的焊缝图316MnDR材质焊接效果图445#材质焊接效果表面成形良好，无裂纹、气孔等缺陷，且纹路更为细腻。另外，我们将钢筒焊接体切割成若干小块进行金相检测，观察焊缝情况，如图5、图6、图7、图8所示。通过金相检测可以得出，更改材质后衬套与钢筒的焊缝显微组织也符合要求。3．4静态荷载试验。将组装好的变形吸能元件(左)/(右)在500t电液伺服万能压力试验机上对由16MnDR材质衬套组装成的变形吸能元件进行静态荷载试验，如图9、图10所示;静态荷载试验前测量衬套端外径为88．6mm，试验时，最大静态荷载超过4000kN，试验后测量衬套端外径仍为88．6mm，即衬套未发生明显塑性变形。

4结语

通过对衬套材料及焊接工艺的优化，即45钢改为16MnDR，并且在焊接工艺上取消“预热+缓冷”措施后，产品品质量大为改善，也减少了焊接工序，提升了焊接性能，提高了生产效率，使机车更能适应低温运用环境。1)工艺端，工艺步骤得到简化;取消焊前的预热处理和焊后的缓冷处理，即在普通条件下可焊接。2)质量端，16MnDR形成裂纹倾向小，保证了产品质量，有利于焊接质量员的检查。3)生产端，减少工序，可减少生产时间，减轻劳动量，提高公司的产能。4)安全端，可取消预热工序所需的O2，不再存在氧气瓶和乙炔瓶同时摆放现场的安全隐患。

参考文献:

［1］闻邦春，鄂中凯．机械设计手册［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［2］曾正明．机械工程材料手册［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［3］匡友华，廖志伟．大功率电力机车变形吸能元件加工难点及解决措施［J］．电力机车与城轨车辆，2012，35(5)．

［4］仲兆亮．16MnDR钢的焊接工艺分析［J］．石油化工建设，2003，25(4)．

［5］丘葭菲，王瑞权，曹时增．16MnDR焊接工艺试验与分析［J］．焊接技术，2013，42(11)．

作者:陈阳 刘德学 单位:中车株洲电力机车有限公司