任槿烔 宫健超
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266109
摘要：选取转向架焊缝中常见的T型接头及对接接头，依据DVS1612标准计算接头应力并进行疲劳强度评估，继而根据EN15085标准确定焊缝安全等级、焊缝质量等级、焊缝检测等级等重要参考指标，为轨道机车车辆及其部件等的焊接接头设计与评估提供了理论基础。
关键词：焊缝疲劳寿命；EN15085；焊缝质量等级
1 EN15085标准简介
EN15085标准是CEB/TC 256“铁路设施”技术委员会于2007年制定的“铁路上的应用—铁路车辆及其部件的焊接”标准，涵盖铁路车辆及其零件制造中各类金属材料的焊接，是用于评估轨道交通装备焊接质量的国际标准[1]。本文中主要参考借鉴EN15085标准系列中的设计规定部分，该部分主要规定了轨道机车车辆及其部件的设计与评级标准。
根据EN15085标准的规定，焊接疲劳的评估可以从焊接接头的设计、生产、检查三个方面入手，在满足强度设计要求的基础上，将EN15085标准评估焊接接头质量等级的流程总结如下[1]：
(1) 根据应力因数范围确定应力等级。
应力因数是应力值与选取适当安全因数调节后的许用应力之比，标准中规定出应力等级与应力因数的关系如表1所示，以此为依据可以通过应力因数得到相应的应力状态[2]。
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(2) 确定接头的安全等级。
安全等级主要定义的是单条焊缝的缺陷对人、设备以及环境产生的影响，有高、中、低三种等级。其中“高”等级是指焊缝的缺陷会导致对人造成伤害的事件的发生，并且会导致整个功能发生故障。“中”等级是指焊缝的缺陷可能会影响整体功能的实现或者可能会发生对人造成伤害的事件。“低”等级是指焊缝的缺陷不会直接影响整体功能的实现，由该焊缝的缺陷所导致的事件不可能对人造成伤害。
(3) 确定焊接质量等级。
焊接质量等级的确定需要结合由前两步中所选取的焊接接头的应力等级和安全等级。安全等级为“高”的CP A等级与CP B等级只适用于在制造与维修过程中，完全焊透的、并要在检验时可以完全接近的焊缝[3]。较为特殊的是，对于安全等级为“中”的CP B等级允许适用于不能进行立体检验的焊缝，且必须参照EN15085标准中的检查与文件存档部分进行检验。
(4) 确定焊接检测等级。
EN15085标准中明确给出了焊接质量等级与焊接检测等级最低要求的对应关系。
根据上述四个步骤可以将EN15085的评估流程总结为表2。
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2 基于DVS1612标准的焊接接头疲劳分析
本节从S355J2W钢型地铁转向架中选取对接接头和T型接头两种接头，结合DVS1612标准对其进行疲劳分析。由于焊接过程会对金属材料造成一定的损伤，故设置焊缝的弹性模量为2.06×105 N/m2，母材的弹性模量为2.09×105N/m2。
(1) 对接接头
对接接头有限元模型的板厚设置为20mm，划分网格大小为5mm。工况设置为2个工况，该模型一端固定，另一端施加±20000N的载荷。图1和图2分别为此对接接头的在两个工况下的应力云图，通过ANSYS软件可读取焊缝位置各个点的应力值，选取节点号分别为4198、5710、6844三个点做评估，计算结果如表3所示。
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(2) T型接头
T型接头有限元模型的板厚设置为20 mm，划分网格大小为5 mm。工况设置与对接接头类似，共有2个工况，水平板的一端固定，另一端施加±20000 N的载荷。图3和图4分别为此T型接头的在两个工况下的应力云图，通过ANSYS软件可读取焊缝位置各个点的应力值，选取节点号分别为697、2482、4522三个点做评估。计算结果如表4所示。
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3 基于EN15085的焊接接头性能等级评估
根据前述EN15085标准的评估流程，对对接接头和T型接头的评估过程总结如下：
(1) 基于DVS1612标准计算所得两类接头的单轴、多轴利用率均小于0.75，因此确定两种接头焊缝的应力等级均为“低”等级。
(2) 考虑单条焊缝的缺陷对人、设备以及环境的影响，将上述两种类型接头的安全等级设置为“高”等级。
(3) 两类接头的应力等级为低和安全等级为高，以此确定他们的焊缝质量等级为CP C1。
(4) 焊缝质量等级为CP C1，所确定的焊缝检测等级最低要求为CT 2等级。
综合上述步骤，可评估出两类焊接接头的焊缝质量等级，如表5所示。
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小结
EN15085标准所指导的焊接接头质量评估拥有一个逻辑性极强的完整流程，该流程对轨道机车车辆及其部件等焊接结构的焊接接头设计与评估具有指导意义。
参考文献：
[1] 王剑,孙畅,马纪军.基于BS EN15085标准的焊缝质量评估方法[J].计算机辅助工程,2018,27(03):11-14+53.
[2] 兆文忠, 李向伟, 董平沙. 焊接结构抗疲劳设计——理论与方法[M]. 北京: 机械工业出版社, 2017.
[3] 陈养厚.滩海石油老龄平台维修方法及应用研究[D].青岛:中国石油大学,2010.