高速列车转向架超声波冲击去应力处理

高速列车转向架采用焊接方法组装，焊接残余应力是几乎无法避免的缺陷。对于钢结构而言，焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。许多灾难性破坏事故大多是由于结构中的残余应力引起的。由于存在焊接固有的残余应力，机车转向架焊接后若有较大的拉伸应力，对机车行车安全存在极大的隐患。因此，有必要采用适当的方法降低和消除残余应力。

本次实验采用超声波冲击方法消除转向架材料SMA490BW耐候钢焊接残余应力，并对其进行残余应力测试，根据测试数据探讨了解超声波冲击去应力的可行性。

试验材料

使用高速列车转向架用材料SMA 490BW耐候钢，采用CHW-550焊丝进行焊接，焊丝直径Φ1.2mm。

超声波冲击去应力处理

首先，用角磨机打磨掉焊缝余高，使焊缝与母材处于同一平面，为盲孔法测试残余应力提供条件。然后用聚航科技的JH-Q30超声波去应力设备分别对焊趾、热影响区和母材进行全覆盖超声冲击处理。冲击处理时，圆形冲击针反复冲击焊趾部位，直到冲出大约2mm深的明显压痕为止。换用平板冲击头垂直于热影响区和母材区域表面进行冲击，冲击速度500mm/min，电流1.8-2.0A，振动频率20KHz。

焊接残余应力测试

将焊接好的板从垂直于焊缝中心位置分为两部分，一部分为冲击原始数据区，另一部分为冲击区。对两个区域分别采用盲孔法进行焊接残余应力测试，仪器采用聚航科技生产的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成，仪器精度高，测量结果准确。

结果与分析

超声冲击前后横向、纵向残余应力对比如图

焊缝宽度14mm。当d=0时，表示测试点位于焊缝中心；当d=5mm时，表示测试点位于距焊缝中心5mm处；当d=7mm时，表示测试点位于焊趾处；当d为其他值时，表示测试点位于距焊缝中心对应d数值距离的位置，即测试点位于热影响区及母材区域。负号表示方向，即为压应力。

由图1、2可以看出，经过超声波冲击处理后，焊缝、焊趾、近焊缝区的横向残余应力有较明显的下降趋势。焊缝中心处应力值由241MPa降至89MPa，应力消除率为63%；距离焊缝中心5mm处应力值由437MPa降至136MPa，应力消除率69%；距离焊缝中心7mm处，即焊趾处，应力值由265MPa降至-49MPa，应力消除率118%。纵向应力也有类似的趋势，焊缝中心处应力由222MPa降至-93MPa，应力消除率142%；距离焊缝中心5mm处应力值由350MPa降至-215MPa，应力消除率161%；距离焊缝中心7mm处，即焊趾处，应力值由244MPa降至-117MPa，应力消除率148%，纵向残余应力消除率大于横向残余应力。此外，母材的残余应力有一定程度的上升，但都是处于压应力状态，由于焊接残余应力对于母材尤其是离焊缝较远的母材区域影响较小，所以焊接件的安全性能不会受到影响。由于此次试验采用的板材纵向尺寸较小，且采用盲孔法进行测试，故试验中测试点数量相对较少，但通过本次实验仍然可以看出，超声波冲击对于焊接残余应力消除有明显效果。

结论

1. 超声波冲击对于降低焊缝及其附近区域残余应力效果明显，横向残余应力消除率最高达118%，纵向残余应力消除率最高达161%。

2. 经超声波冲击处理后，同一位置的纵向残余应力消除率大于横向残余应力。