返修次數(shù)對(duì)S355J2W＋N鋼焊接接頭疲勞性能的影響

劉秋菊， 趙 旭

（長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 引 言

在鐵道車輛轉(zhuǎn)向架焊接生產(chǎn)制造中，由于各種原因?qū)е潞附咏宇^時(shí)常產(chǎn)生不允許的或超出標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接缺欠，必須進(jìn)行焊接返修予以清除［1－4］。然而，對(duì)焊接接頭經(jīng)多次返修后拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊性能變化的研究較多［5－7］，未見到對(duì)接頭疲勞性能變化的相關(guān)研究。文中通過對(duì)軌道車輛常用材料S355J2W＋N焊接接頭多次返修后疲勞性能的分析，找出了返修次數(shù)與接頭疲勞性能之間的聯(lián)系，從而為生產(chǎn)制造中制定工藝規(guī)程和分析產(chǎn)品安全性能提供必要的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材金屬為S355J2W＋N熱軋鋼板，化學(xué)成分見表1（采用焊接填充材料為NiCu1－IG焊絲）。

表1 S355J2W＋N鋼板化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用MAG焊，保護(hù)氣體為（Ar）82%＋（CO2）18%混合氣體。焊接試板的尺寸為600mm×150mm×16mm，采用單面焊雙面成形焊接，坡口為帶鈍邊的V形坡口，鈍邊為2mm，坡口間隙為2.0～3.0mm，坡口角度為60°。

試驗(yàn)共制備4組試件，編號(hào)分別為A0、A2、A4、A6，其中A0為焊接后不返修，A2、A4、A6試件分別進(jìn)行2次、4次、6次返修焊接。返修焊接前先對(duì)焊縫指定位置用角磨機(jī)打磨處理，保證重新制備的坡口底部與側(cè)壁過渡圓滑，不得留有尖角，并且重新制備的坡口深度控制在13～15mm，坡口角度在40°～60°。按照工藝要求完成返修焊接后，試件經(jīng)無損檢測（外觀檢測、表面檢測和內(nèi)部檢測）合格后，和A0試件共同進(jìn)行退火處理，退火溫度為550℃，保溫時(shí)間3h。

1.3 疲勞試樣制備

根據(jù)GB／T15248－2008標(biāo)準(zhǔn)，測定給定應(yīng)力下接頭的疲勞壽命，選取應(yīng)力水平σmax＝410MPa，試驗(yàn)設(shè)備為GPS－200型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，循環(huán)應(yīng)力比為r＝0.1，加載頻率約為135Hz，平均載荷為6.37kN，試驗(yàn)在室溫、空氣介質(zhì)中進(jìn)行。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)疲勞裂紋尺寸足夠大導(dǎo)致載荷加不上去時(shí)，自動(dòng)卸載停振，并記錄循環(huán)次數(shù)。疲勞試樣加工尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞試樣加工尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

A0、A2、A4、A64組接頭，每組至少做11個(gè)試樣（取有效數(shù)據(jù)8個(gè)，n＝8）。根據(jù)GB／T24176－2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2～表5。

統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算如下：

1）計(jì)算相關(guān)系數(shù)ρ，以確定對(duì)數(shù)疲勞壽命是否服從正態(tài)分布。當(dāng)｜ρ｜＞ρmin時(shí)，失效概率Pi和對(duì)數(shù)疲勞壽命xi在正態(tài)概率坐標(biāo)上是線性關(guān)系，對(duì)數(shù)疲勞壽命服從正態(tài)分布；反之，則對(duì)數(shù)疲勞壽命不服從正態(tài)分布：

式中

2）計(jì)算分布參數(shù)。

對(duì)數(shù)疲勞壽命：xi＝lgNi

3）估計(jì)疲勞壽命。中值疲勞壽命（具有50%可靠度的疲勞壽命）為。根據(jù)n＝8值，從相關(guān)系數(shù)起碼值表查出ρmin＝0.707，4組數(shù)據(jù)｜ρ｜均大于ρmin，因此對(duì)數(shù)疲勞壽命服從正態(tài)分布。

表2 A0試樣疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 A2試樣疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 A4試樣疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表5 A6試樣疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4組接頭中值疲勞壽命的對(duì)比如圖2所示。

從圖中可以看出，隨著焊接返修次數(shù)的增加，接頭疲勞壽命有降低的趨勢。2次返修的接頭（A2）中值疲勞壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低22%；4次返修的接頭（A4）中值疲勞壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低12%，6次返修的接頭（A6）中值疲勞壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低43%。其中，A4接頭中值疲勞壽命與A2接頭相比升高11%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是4次返修的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散度較大，個(gè)別無效數(shù)據(jù)也計(jì)入統(tǒng)計(jì)等。而6次返修的接頭（A6）中值疲勞壽命明顯降低，這可能與多次施加的熱過程有關(guān)。

圖2 中值疲勞壽命對(duì)比

在置信度為95%、存活率90%的情況下，2次返修的接頭（A2）估計(jì)安全壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低30%；4次返修的接頭（A4）估計(jì)安全壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低43%，6次返修的接頭（A6）估計(jì)安全壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低52%，如圖3所示。

圖3 估計(jì)安全壽命（存活率90%）

在置信度為95%、存活率99%的情況下，2次返修的接頭（A2）估計(jì)安全壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低36%；4次返修的接頭（A4）估計(jì)安全壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低58%，6次返修的接頭（A6）估計(jì)安全壽命與未經(jīng)返修的接頭（A0）相比降低57%，如圖4所示。

圖4 估計(jì)安全壽命（存活率99%）

2.2 疲勞斷口分析

未經(jīng)返修處理的和經(jīng)過返修處理的疲勞試樣斷裂位置大致可以分為兩類：一類在焊縫處斷裂；另一類在遠(yuǎn)離焊縫的母材處斷裂。對(duì)焊接接頭疲勞試件斷口（A4）進(jìn)行觀察，斷口形貌分別如圖5和圖6所示。

圖5 焊縫區(qū)斷裂的試樣斷口形貌

圖6 母材區(qū)斷裂的試樣斷口形貌

可以看出，斷口均明顯分成疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)3部分。在焊縫處斷裂的試樣斷口均可觀察到氣孔，疲勞試驗(yàn)過程中由于此處存在應(yīng)力集中而成為疲勞裂紋的起裂點(diǎn)，氣孔的位置比其尺寸對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響更大，試樣表面或近表面的氣孔對(duì)疲勞壽命的影響最大；母材處斷裂的試樣斷口裂紋起源于表面，在循環(huán)應(yīng)力作用下，試樣表面形成駐留滑移帶，隨后形成擠出脊和侵入溝，最終形成微裂紋。試樣從斷裂開始點(diǎn)向四周輻射出類似貝殼紋的疲勞裂紋，每經(jīng)歷一次加載循環(huán)，裂紋尖端即經(jīng)歷一次銳化－鈍化－再銳化的過程，裂紋擴(kuò)展一段距離，斷口表面上就產(chǎn)生一道輝紋，疲勞輝紋清晰且很粗；隨著裂紋的擴(kuò)展，試件的承載面積逐漸減小，相應(yīng)地所受到的載荷逐漸增大，導(dǎo)致擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋的間距逐漸增大，同時(shí)其大小隨著循環(huán)次數(shù)的增加而變大；最后斷裂區(qū)斷口形貌均為韌窩。由于本試驗(yàn)焊接條件為多層多道焊，在重復(fù)熱作用下，接頭中部熱影響區(qū)的粗晶區(qū)相當(dāng)于受到正火處理，組織細(xì)化。在焊縫強(qiáng)度較高的匹配條件下試樣在母材處斷裂。

3 結(jié) 語

隨著焊接返修次數(shù)的增加，接頭疲勞壽命有降低的趨勢。2次返修的接頭中值疲勞壽命與未經(jīng)返修的接頭相比降低22%；4次返修的接頭中值疲勞壽命與未經(jīng)返修的接頭相比降低12%；6次返修的接頭中值疲勞壽命與未經(jīng)返修的接頭相比降低43%。疲勞試樣斷裂位置可分為在焊縫處斷裂和在遠(yuǎn)離焊縫的母材處斷裂，斷口均明顯分成疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)3部分。

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