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1結構功能說明

變形吸能元件是機車車鉤緩沖裝置的重要組成部分，它是由上支撐板、吸能鋼管、襯套和下支撐板四部分通過焊接成一體，如圖1所示。其上支撐板為T形支撐板，上支撐板置于吸能鋼管內上端并通過焊接方式固定，襯套與吸能鋼管內孔為過盈配合連接，襯套置于吸能鋼管內下端并與下支撐板通過螺紋聯接，襯套臺階需壓入到鋼筒內，直至襯套與鋼筒下表面吻合形成Y形坡口，然后采用連續圓周焊連接成整體。吸能鋼筒與襯套的焊接質量將直接影響到變形吸能元件功能的發揮。

2焊接現狀分析

變形吸能元件鋼筒焊接體是由襯套、吸能鋼筒、上支撐板通過焊接成一體。其中，吸能鋼筒材料(特殊的高級低合金鋼)及上支撐板材料(16MnDR)為低碳鋼，焊接性能良好，而襯套材料為45#鋼，由于45#鋼為中碳鋼，淬硬傾向較明顯，焊接工藝需要采取適當的預熱、控制線能量等措施，焊接性能較為不理想。為確保焊縫質量，工藝上一直采用“預熱+緩冷”的工藝措施。其中預熱溫度要求達到150℃～200℃均勻預熱，緩冷是在珍珠巖中實施。但是，在進行預熱工藝時，襯套各個部位存在一定的受熱不均勻，容易產生小眼等缺陷，如圖2所示，影響焊接質量;同時預熱采用的是氧、乙炔加熱的方式進行，存在一定的安全隱患;另外在預熱后的溫度條件下進行焊接，無形中增大了焊工的勞動強度。焊接完成后，將鋼筒與襯套的焊縫部位放入珍珠巖中覆蓋以進行緩冷處理從而消除應力熱，由于預熱、保溫是一個漫長的過程，在此過程中預熱需要約15min，而保溫也需要約40min，因此，在生產過程中效率大打折扣。

3優化措施及效果驗證

思路:在襯套材料力學性能滿足的條件下，選用焊接性能更好的材料代替45#鋼。3．1材料性能對比分析。根據相關要求，選擇45#、15Mn、Q345、16MnDR四種材料進行焊接性能分析及力學性能分析，查閱機械設計手冊并進行材料的碳當量估算，得知。45#鋼:屬于中碳鋼，其淬透性較差，焊接性能較差，易產生裂紋，調質處理后的抗拉強度σb=630～780MPa，屈服強度σs=370MPa。15Mn:屬于高錳低碳滲碳鋼，性能與15鋼相似，但淬透性、強度和塑性比15鋼高。用以制造心部力學性能要求高的滲碳零件，焊接性尚可。Q345:綜合力學性能良好，低溫性能亦可，塑性和焊接性良好，用作中、低壓容器等承受動荷的結構、機械零件、一般金屬結構件，可用于－40℃以下寒冷地區的各種結構。16MnDR:屬于低合金鋼，力學性能良好，低溫沖擊性能良好，焊接性能良好，可用于－40℃以下寒冷地區的各種結構。以上四種鋼材的化學成分及力學性能見表1、表2。綜合來看，合金結構鋼16MnDR的強度及焊接性能較為優良，可滿足產品設計要求，故襯套材料考慮采用16MnDR。3．2強度計算。1)車體的縱向壓縮載荷F=F1×k(F1為吸能元件開始出現塑性變形的最大允許力，以9600kW六軸車為例取值3300kN，k為安全系數，取值1．05)。故，單個鋼筒承受力F2=F/4kN根據力的傳遞原理，襯套亦承受力F2kN2)襯套強度計算襯套材質為16MnDR，強度最薄弱處的受力面積為:受力面積S=л(R2－r2)(R為襯套與鋼銅接觸法蘭面的大徑，r為襯套與鋼銅接觸法蘭面的小徑)。因此，σ=F2/S=［F/4］/［л(R2－r2)］MPa保證σ＜σb，即證明材料強度足夠通過代入具體數值計算得出σ=440MPa＜σb，說明16MnDR材料的襯套強度滿足要求。3．3可焊性試驗。優化更改襯套的焊接工藝，將16MnDR材質的襯套焊接前不進行預熱，焊后也不進行緩冷處理，焊接后觀察鋼筒與襯套的焊縫情況并與原來45#鋼的焊接效果進行對比，效果如圖3、圖4所示。通過兩種材質的焊接效果可以看到，16MnDR材質的焊縫圖316MnDR材質焊接效果圖445#材質焊接效果表面成形良好，無裂紋、氣孔等缺陷，且紋路更為細膩。另外，我們將鋼筒焊接體切割成若干小塊進行金相檢測，觀察焊縫情況，如圖5、圖6、圖7、圖8所示。通過金相檢測可以得出，更改材質后襯套與鋼筒的焊縫顯微組織也符合要求。3．4靜態荷載試驗。將組裝好的變形吸能元件(左)/(右)在500t電液伺服萬能壓力試驗機上對由16MnDR材質襯套組裝成的變形吸能元件進行靜態荷載試驗，如圖9、圖10所示;靜態荷載試驗前測量襯套端外徑為88．6mm，試驗時，最大靜態荷載超過4000kN，試驗后測量襯套端外徑仍為88．6mm，即襯套未發生明顯塑性變形。

4結語

通過對襯套材料及焊接工藝的優化，即45鋼改為16MnDR，并且在焊接工藝上取消“預熱+緩冷”措施后，產品品質量大為改善，也減少了焊接工序，提升了焊接性能，提高了生產效率，使機車更能適應低溫運用環境。1)工藝端，工藝步驟得到簡化;取消焊前的預熱處理和焊后的緩冷處理，即在普通條件下可焊接。2)質量端，16MnDR形成裂紋傾向小，保證了產品質量，有利于焊接質量員的檢查。3)生產端，減少工序，可減少生產時間，減輕勞動量，提高公司的產能。4)安全端，可取消預熱工序所需的O2，不再存在氧氣瓶和乙炔瓶同時擺放現場的安全隱患。

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作者:陳陽 劉德學 單位:中車株洲電力機車有限公司