祁卫东
中车大同电力机车有限公司 山西省大同市 037038
摘要：本文根据货运重载电力机车转向架构架的基本结构和焊接接头的主要特征，对旨在满足架构疲劳实验要求的焊接工艺技术与具体参数进行了深入研究，制定出特定结构形式下架构的焊接制造工艺，还提出了减少焊接缺陷对焊缝疲劳强度影响的方法。
关键词：HXD3型电力机车；转向架；架构焊接；工艺研究
引言
随着交流重载货运机车的逐渐普及和应用，机车制造装备和制造技术迎来了又一次变革，机车转向架架构制造工艺早已不是传统的小部件加工、组焊再调修，而是开始采取构架组焊后整体机械切削加工的方法，这样不仅提高了构架的尺寸精度，也充分保障了机车运行的安全性、可靠性和稳定性。然而，随着科学技术的迅速发展，又给架构焊接工艺带来了全新的挑战，既要保证构架具备足够的疲劳强度，又要把焊接残余应力降到最低，以免架构在使用过程中出现变形的情况。
转向架作为机车的核心部件，焊接部件的构架不仅是安装转向架其他部件的结构基础，还要在机车运行过程中产生的各种动载荷和负载荷进行传递及承载，是复杂交变载荷作用下的主要受力点。构架上的受力焊缝具有连接各受力零部件的作用，在其实际应用过程中我们可以看出，构架上发生的破坏现象，基本都是属于疲劳破坏，在焊缝与热影响区的出现几率最高。所以，在研究构架焊接工艺和焊缝的疲劳强度时，必须确保其安全性、可靠性等都能够满足相关要求。焊缝的形成其实就是一个二次冶炼的过程，焊接的工艺参数、所使用的材料都会对焊缝的强度产生一定程度的影响，再者就是焊缝的疲劳强度，很容易会因焊接过程中产生的焊接缺陷而无法达到工艺标准。总的来说，我们在制定焊接工艺时，不仅要将所有的焊接缺陷都考虑在内，相关的预防和消除措施也是要提前做好全面准备的。
1.1结构组成
目前最常见的一种转向架架构结构，从中可以直接看出，至少要有一件后端梁、两件侧梁、一件连接横梁、一件牵引横梁及前端梁才能构成最基本的主体承载结构，以下这个看起来像是“目”字型的箱形钢架结构，总重量为5650千克，主体结构的规格为5535mm*2300mm*360mm。主要特点是单件和组焊后结构刚度大，连接焊缝与工作焊缝尺寸大，附件焊接焊缝分布较为复杂，加上组焊后采取的是机械加工方法，在焊接变形的控制上容不得半点差错。
1.2焊接接头型式
构架板由Q345B材料制成，抗拉强度在470至630兆帕范围内，屈服强度为325兆帕。主要受力焊缝是上、下盖板与测量立板间的焊缝，是立板带坡口的T型接头，立板、上、下盖板的厚度分别为20mm、20mm、30mm，剩下各梁立板都和上、下盖板间的焊缝接头型式、测量保持一致，区别在于侧梁厚度要稍大于上、下盖板与立板的厚度。各横梁与侧梁的连接焊缝接头都是开坡口的对接接头，剩下的受力附件与构架的连接焊缝则以对对接头、T型接头为主。
构架主要受力焊缝是构架侧梁焊缝，使用单V形坡口满焊再加上焊角。由于在热量输入、焊接应力和焊后产生的刚性等方面，都要大于其他焊缝形式，所以这种单V形坡口满焊加焊角的形式产生的拘束应力也明显大出许多。对接接头受力焊缝主要有两种，分别是带垫板和不带垫板的对接焊缝，其中对接焊缝疲劳强度最低的当属前一种，即带垫板的对接焊缝。因此，焊接工艺最难把控的地方主要集中在层间温度的控制、多层多道焊和构架焊接焊角大等过程。
在综合考虑多方面因素后，本次焊接工艺试验决定对以上两款最经典的接头形式进行使用，分别是对接接头和角接接头。
全程按照GB/T8110-2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》、ISO15614《金属材料焊接工艺规范和评定》中的相关要求来进行，具体的工艺试验名称及内容如下所示：
2.1焊接材料的选择和使用
出于对Q345B性能的考虑，焊接材料暂定为ER50-6，直径选择φ1.2mm和φ1.6mm两种规格。焊接气体使用混合气80%Ar+20%C02。
2.2接头型式和试样厚度的选择和使用
构架侧梁板的厚度应在20mm~30mm内进行选择，暂定使用对角接头，焊角不小于10mm，在18mm以下。每一个对角焊缝都采用垫板对接焊缝，因为这种方法可以将其疲劳强度控制在最低范围以内。最终确定出如下方案：采取200mm厚度的板材，带垫板60°坡口对接接头和立板开单面坡口45°，焊角10mm的角接接头。
2.3焊接方法
实行半机械化焊接与焊接机器入全机械化焊接。
2.4试验参数
（1）角接接头焊接应通过手工或机械手多层多道焊接而成，电流保持在280~310A以内，电压28~31V，层间温度小于等于250摄氏度。
（2）对接接头焊接应通过手工或机械手填充、盖面的多道多层焊接而成。打底电流控制在160~170V以内，电压17~18V；填充及盖面电流在280~310A以内，电压28~31V，层间温度小于等于250摄氏度。
（3）实验项目
首先是角接接头，以硬度宏观金相为主；其次是对接接头，包括横向拉伸、V型缺口冲击、宏观金相、硬度及侧向弯曲等。
2.实验结果分析和工艺制订
3.1对接接头试验结果的分析
在综合分析试验结果后发现，几乎所有试验的抗拉强度都没有太大区别，也没有超出555~565兆帕这一标准范围，母材是出现断裂的高发部位；0摄氏度、20摄氏度的冲击功分别在119~138焦耳和129~184焦耳范围内，均符合本次试验的相关标准。此外在本次研究当中我们发现焊缝的连接处的冲击韧相对比与普通区域的冲击韧性更加良好，热影响去的硬度相对比与焊缝处的硬度更高，导致这一现象的原因可能是因为使用1.6毫米的焊丝进行焊接的结果，因为焊接的过程当中电流较大，导致热输入量也更大，并且试板焊接的时候因为层间的温度不相同，所以最终导致了实际的冲击值也出现了相应的差异。
3.2角接接头试验的结果分析
我们通过对于器件的硬度，外观，相貌等等方面进行对比之后发现，在焊接的硬度达到了GB174左右的时候，在立向上焊接以及平行焊接的期间当中存在气孔以及没有完全融合的缺陷等等情况，但是在实际的船型焊接的时候没有这样的缺陷，对比分析焊丝在不同直径，不同层数的焊接当中，使用不相同的送丝速度会导致焊接的参数出现差异，因此我们选择直径为1.2毫米的焊丝进行多层次的焊接。
焊接工艺的制定
综合分析各个实验的结果，分析研究焊缝以及热影响区域当中的实际性能，以提高强度为主，尽可能的降低焊接的变形程度，在满足实际的性能的要求下，通过减少热输入，全面控制层间的温度，选择合适的层数满足焊接接头的实际性能，并且结合机车架构的实际情况以及焊工的实际专业水平，因此选择直径大小为1.2毫米的焊丝实现对于HXD3架构的焊接生产，具体的焊接参数我们以实验的参数作为根本，控制好每一个环节的焊接，保障最终的焊接质量。
3.总结
经过对于HXD3类型的电力机车和现目前的转向结构工艺分析研究之后，了解到工艺具有良好的操作性和科学性，通过分析研究当下关于HXD3型电力机车转向架构架焊接工艺之后总结了相关工艺的优点和存在的缺陷，可以全面的提升制造的工艺水平以及相应的设计理念，引入了相应的工艺根据实际的情况结合，总结出一套满足实际情况较为先进的工艺理念。对于HXD3类型的电力机车转向架构生产制造工艺来说，引入一个全新的设计理念是非常重要，但是这样的公益理念能否在其他生产制造过程当中进行应用，达到预期的效果，成为了一大挑战。现阶段，使用本次焊接工艺的试验架构已经能满足基本的疲劳试验研究，可以投入到实际的生产和使用过程当中。
参考文献
[1]客运160km/h电力机车转向架构架可靠性分析[J]. 郭吉星,张伟龙,郭芳.??铁道机车与动车.?2016(06)
[2]HX_D3型电力机车自动降弓故障分析与改进措施[J]. 刘磊.??机车电传动.?2016(06)
[3]HX_D3型电力机车典型故障原因分析及改进方案[J]. 张永明,李石磊.??机车电传动.?2012(03)