大角度激光填絲雙面焊碳鋼車體結(jié)構(gòu)T形接頭疲勞性能分析

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

大角度激光填絲雙面焊碳鋼車體結(jié)構(gòu)T形接頭疲勞性能分析

郭麗娟1王喜君1何嘉1李小宇2孫謙2

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

針對2.5 mm和3 mm的碳鋼材料的T形接頭熔透焊接，采用ER50-G焊絲作為填充金屬，對優(yōu)化工藝參數(shù)焊接的T形接頭的疲勞性能進(jìn)行試驗，對斷口的宏觀及微觀斷裂特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:指定壽命為1×107次循環(huán)下，激光填絲焊T形接頭的中值疲勞極限σ0.1為222.5 MPa；疲勞試件均斷裂于焊趾部位，主要是由于該處存在較大的應(yīng)力集中；斷裂試件疲勞裂紋的啟裂區(qū)和啟裂擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞條帶清晰，擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，瞬斷區(qū)斷口形貌均為大小不一的淺韌窩。研究結(jié)果可為激光填絲焊的車體結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

激光填絲焊T形接頭大角度疲勞

0 序 言

國內(nèi)外高鐵和動車組車體多采用鋁合金材料制造，這可以使車體結(jié)構(gòu)減重，提高運(yùn)行速度，但鋁合金型材存在一定的熱裂傾向,且可修復(fù)性差的缺點(diǎn)，一旦損壞就有報廢的可能[1-4]。目前，歐洲在設(shè)計時速較低的動車組擬采用碳鋼材料生產(chǎn)制造，采用碳鋼材料制造的車體較鋁合金型材的可修復(fù)性好，可以節(jié)約成本，提高車輛的使用壽命。

焊接是軌道交通車體制造的關(guān)鍵工藝。與常規(guī)的熔焊方法相比，激光填絲焊具有熱輸入低、焊接變形小、焊縫質(zhì)量優(yōu)良、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動化焊接等優(yōu)點(diǎn)[5-8]，因此更加適合于長焊縫、要求變形小的車體結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)。對于車輛運(yùn)行時高速、動載服役特點(diǎn)，生產(chǎn)上往往要求焊接變形小、效率高和焊縫質(zhì)量優(yōu)良，特別是要求接頭的疲勞性能優(yōu)良。結(jié)構(gòu)疲勞可靠性對機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全性來說尤為重要[9]。試驗基于碳鋼車體及軌道交通關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的2.5 mm厚+3 mm厚碳鋼材料的T形接頭激光填絲焊工藝，開展了大角度激光填絲焊接頭疲勞性能研究，為碳鋼車體及相關(guān)結(jié)構(gòu)件的激光焊接生產(chǎn)和安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 母材及焊接材料檢驗

試驗所用母材為2.5 mm厚的05CuPCrNi鋼和3 mm厚的09CuPCrNi-A鋼，焊材為φ1.0 mm的ER50-G。表1，表2為化學(xué)成份及力學(xué)性能的試驗結(jié)果。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分(%)

1.2 焊接設(shè)備

試驗采用激光填絲焊，激光為6 kW光纖激光器，光纖芯徑為0.6 mm，焦距223 mm。送絲機(jī)為數(shù)字化TIG焊設(shè)備中的送絲機(jī)構(gòu)。

表2 母材性能

1.3 焊接接頭形式

工藝試驗針對3 mm厚09CuPCrNi-A 鋼+2.5 mm厚05CuPCrNi鋼的T形接頭，采用激光填絲雙面兩道焊接，要求焊透，而不能焊穿底板，并且控制變形。接頭形式如圖1所示。焊接時，焊絲在前，激光在后，激光、焊絲和焊接方向在同一個面上，并與底板夾角為35°，激光垂直于焊縫，焊絲與焊縫成20°夾角。

圖1 坡口形式

1.4 焊接工藝參數(shù)

通過工藝試驗得到最佳工藝參數(shù)，見表3。

表3 最佳焊接參數(shù)

2 激光填絲焊T形接頭脈動拉伸疲勞試驗結(jié)果及分析

疲勞試驗按照 GB/T 13816—1992《焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，以確定T形接頭的疲勞性能。試驗采用的循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，指定循環(huán)壽命取1×107次。在試驗過程中，當(dāng)疲勞裂紋尺寸足夠大導(dǎo)致載荷加不上去時，自動卸載停振，并記錄循環(huán)次數(shù)。

2.1 疲勞試驗結(jié)果分析

表4為T形接頭疲勞試驗結(jié)果。根據(jù)表4的試驗結(jié)果，通過升降法確定的激光填絲焊T形接頭的指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限，其結(jié)果如圖2所示。

表4 T形接頭脈動拉伸疲勞試驗結(jié)果

圖2 疲勞試驗升降圖

疲勞極限升降圖中“×”表示在該應(yīng)力水平下試件未達(dá)到指定壽命時斷裂，“o”表示在該應(yīng)力水平下試件達(dá)到指定壽命時未斷裂。由圖2可知，共有3級應(yīng)力水平，有效試件數(shù)為11個，共有4個子樣對。由升降法確定的激光填絲焊T形接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為：

根據(jù)表4試驗結(jié)果，按常規(guī)方法確定的中值S-N曲線和由升降法確定的107次循環(huán)下的中值疲勞極限，最終確定的激光填絲焊T形接頭脈動拉伸疲勞試驗(應(yīng)力循環(huán)比R=0.1)的中值S-N曲線如圖3所示，激光填絲焊T形接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限σ0.1為222.5 MPa。疲勞極限達(dá)到2.5 mm母材屈服強(qiáng)度的67%的水平，這說明所獲得的接頭具有良好的疲勞性能。

圖3 疲勞試驗S-N曲線

2.2 疲勞斷口分析

圖4為激光填絲焊T形接頭脈動拉伸疲勞試件宏觀圖片，圖上箭頭所指為斷裂試件的裂紋處。從圖4可以看出：激光填絲焊T形接頭脈動拉伸疲勞試件均斷于焊趾部位。這是由于此處存在較大的應(yīng)力集中，接頭在承受疲勞載荷過程中，疲勞裂紋易于在該處形核并擴(kuò)展。

圖4 疲勞試件(2-4)宏觀照片

圖5為激光填絲焊T形接頭部分?jǐn)嗔衙}動拉伸疲勞試件微觀斷口形貌。從圖5中可以看出，激光填絲焊T形接頭部分?jǐn)嗔衙}動拉伸疲勞試件中，并未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔和夾雜等缺陷，斷裂試件疲勞裂紋的啟裂區(qū)和啟裂擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞條帶清晰，擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，瞬斷區(qū)斷口形貌均為大小不一的淺韌窩。

圖5 疲勞試件(2-4)斷口形貌

3 結(jié) 論

通過對大角度激光填絲雙面焊碳鋼車體結(jié)構(gòu)T形接頭的疲勞性能分析：

(1)指定壽命為1×107次循環(huán)下，激光填絲焊T形接頭的中值疲勞極限σ0.1為222.5 MPa，達(dá)到2.5 mm厚母材靜拉伸強(qiáng)度的67%。

(2)激光填絲焊T形接頭脈動拉伸疲勞試件均斷于焊趾部位，主要是由于該處存在較大的應(yīng)力集中。

(3)疲勞試件斷口中，啟裂區(qū)和啟裂擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶清晰，具有典型的疲勞斷裂特征，終斷區(qū)斷口微觀形貌特征為韌窩。

[1] 張明銘,李鵬偉,楊志勇,等. 鋁擠壓型材表面粗晶對焊接熱裂紋的影響[J]. 焊接,2013(12):43-46，70-71.

[2] 張 健,雷 振,王旭友. 高速列車6005A鋁合金型材焊接熱裂紋分析[J]. 焊接學(xué)報,2012,33(8):60-64,116.

[3] 韓德成. A6N01S-T5鋁合金型材焊接熱裂紋研究[J]. 機(jī)車車輛工藝,2012(1):16-18.

[4] 周軍年,胡文浩,王秀義,等. 軌道車輛用6005A鋁合金型材焊接裂紋研究[J]. 焊接技術(shù),2008,37(6):49-51.

[5] 王家淳. 5A06鋁合金激光填絲焊工藝研究[J]. 焊接, 2008(8): 26-28.

[6] Huntington CA, Engar TW. Laser welding of aluminum and aluminum alloys [J]. Welding Journal, 1990, 80(4): 105-107.

[7] 王家淳. 激光焊接技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 激光技術(shù), 2001, 25(1): 51-55.

[8] 左鐵釧, 肖榮詩, 陳 鎧, 等. 高強(qiáng)鋁合金的激光加工[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002.

[9] 繆炳榮. 基于多體動力學(xué)和有限元法的機(jī)車車體結(jié)構(gòu)疲勞仿真研究[D]. 成都:西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文, 2006.

TG405

2017-02-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFB1102100)

郭麗娟，1982年出生，學(xué)士，高級工程師。主要從事軌道車體焊接工藝研究。