不同形狀的耐候鋼T形角接接頭疲勞性能研究

黃顯峰， 韓景茹， 黃君輝， 黃風龍， 暴興威

1. 中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002 2. 大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028

0 引言

近年來鐵路建設加速推進，鐵路貨車加快向輕量、高速轉(zhuǎn)型［1-2］，因此貨車安全問題尤為重要。T形角接接頭作為常見接頭形式被大量應用于鐵路貨車的轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架、鐵路貨車中梁、鐵路特種大車、起重機等箱型結(jié)構(gòu)［3-4］。貨車運行時T形接頭相比于其他接頭受力更加復雜，容易發(fā)生疲勞開裂，T 形接頭的強度決定整車強度。截面突變現(xiàn)象在車輛傳遞載荷過程中常發(fā)生在T 形接頭，這會使該處產(chǎn)生應力集中，導致強度變?nèi)酢Ｓ捎赥 形接頭應力集中明顯，在交變載荷的作用下會最先發(fā)生相對滑移形成初始缺陷，初始缺陷在疲勞載荷的作用下逐漸擴展最終導致結(jié)構(gòu)的斷裂［5］。Han 等［6］以6061-T6鋁合金氣體保護焊T形角接接頭為研究對象，通過試驗驗證了不同焊縫形狀對T 形接頭疲勞性能的影響。Koutarou 等［7］選取了5 種不同焊接條件下的激光電弧復合焊T 形接頭進行了疲勞試驗，試驗結(jié)果表明：接頭圓角的趾根角度與趾根曲率是影響T 形接頭疲勞強度的主要因素，疲勞強度與趾根角度成反比，與趾根曲率成正比。

目前針對T形角接接頭焊縫形狀對疲勞性能影響的研究較少，因此，本研究對Q450NQR1 高強度耐候鋼的角焊縫a10 焊接接頭、向內(nèi)凹角焊縫焊接接頭、向外凸角焊縫焊接接頭進行三點彎曲疲勞試驗，并掃描觀察疲勞試件斷口，對比分析三種形狀接頭的疲勞強度、斷裂位置以及微觀形貌。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

該試驗材料為Q450NQR1高強度耐候鋼，采用熔化極活性氣體保護焊（MAG 焊），保護氣體為80%Ar+20%CO2，選用直徑1.2 mm的TH550-NQ-Ⅱ型焊絲。表1為母材與焊接材料熔敷金屬的化學成分，表2為母材與焊接材料熔敷金屬的力學性能。

表2 母材、焊接材料熔敷金屬力學性能Table 2 Mechanical properties of base metal and welding material

1.2 試驗方法

Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫（T 形角接接頭）焊接形式主要可分為三種，分別為角焊縫a10焊接接頭、向內(nèi)凹角焊縫焊接接頭、向外凸角焊縫焊接接頭，其形狀及尺寸如圖1所示（實際焊接件和示意圖存在偏差）。采用多層多道焊，三種焊縫焊接順序相同，焊接時不開坡口，Q450NQR1高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫（T形角接接頭）焊接參數(shù)如表3所示。

圖1 多層多道焊角焊縫（T形角接接頭）形狀及尺寸Fig.1 Schematic diagram of shape and size of multi-layer multi-pass fillet weld （T-shaped fillet joint）

表3 工藝試驗焊接參數(shù)Table 3 Welding parameters of process test

試板焊后需要進行磁粉探傷，保證疲勞試樣中不得存在裂紋、氣孔、未熔合等影響疲勞性能的缺陷。疲勞試驗參照YB/T5349—2014《金屬材料 彎曲力學性能試驗方法》和JB/T7716—1995《焊接接頭四點彎曲疲勞試驗方法》，分別對Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊a10 角焊縫T 形角接接頭、向內(nèi)凹焊縫T 形角接接頭、向外凸焊縫T 形角接接頭進行三點彎曲疲勞試驗來確定其疲勞性能。試驗設備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，靜態(tài)負荷精度±1%，動負荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±2%。試驗采用循環(huán)應力比R=0.1，指定循環(huán)壽命選取為5×106次。試驗開始后，由于振動作用試件首先產(chǎn)生疲勞裂紋，當出現(xiàn)的疲勞裂紋尺寸足夠大時，載荷不能繼續(xù)向上加載，疲勞試驗機會自動卸載停止振動并記錄循環(huán)次數(shù)。三點彎曲疲勞試件尺寸以及三點彎曲試驗夾持方式如圖2、圖3所示。疲勞試驗后采用JSM-6360LV型掃描電鏡對三點彎曲疲勞斷口進行微觀形貌分析。

圖2 三點彎曲疲勞試件尺寸Fig.2 Dimensions of three-point bending fatigue specimens

圖3 三點彎曲試驗夾持方式Fig.3 Gripping mode for three-point bending test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 疲勞試驗結(jié)果分析

本試驗通過升降法來確定Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊T 形角接接頭在指定壽命為5×106次循環(huán)次數(shù)下的疲勞極限，圖4為三種接頭疲勞試件的疲勞極限升降圖。

圖4 疲勞極限升降圖Fig.4 Fatigue limit lift diagram

由升降法確定的Q450NQR1 高強度耐候鋼三種不同形狀焊接接頭在指定壽命為5×106次循環(huán)下的中值疲勞極限為：

角焊縫a10：

向內(nèi)凹焊縫：

向外凸焊縫：

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可繪制出不同形狀焊接接頭三點彎曲疲勞（應力比R=0.1）的中值S-N曲線，如圖5所示。

圖5 中值S-N曲線Fig.5 Median S-N curve

由三點彎曲疲勞試驗確定的指定壽命為5×106次循環(huán)下的Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊a10角焊縫T形角接接頭中值疲勞極限為289 MPa，向內(nèi)凹角焊縫T 形角接接頭為241 MPa，向外凸角焊縫T 形角接接頭為277.5 MPa；由以上數(shù)據(jù)可知，向內(nèi)凹角焊縫T形角接接頭的疲勞極限值最低。

理論上，向內(nèi)凹焊縫向基體金屬過渡最為平滑，在焊趾處應力集中最小，接頭疲勞性能應該最高，但本試驗采用多層多道焊，雖然焊縫整體形狀為向內(nèi)凹，但表層焊縫并不能做到圓滑過渡，局部焊縫凸起，連接處同樣會產(chǎn)生應力集中，多道焊向內(nèi)凹焊縫接頭性能并不優(yōu)異，疲勞極限值最低。向外凸焊縫在焊趾處也存在應力集中，在載荷作用下傳力線彎曲程度過大，疲勞極限值雖高于向內(nèi)凹焊縫，但仍低于平面形狀的角焊縫a10 接頭。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)得出，多層多道焊角焊縫a10 接頭的疲勞強度＞向外凸焊縫＞向內(nèi)凹焊縫。

2.2 疲勞試件斷口分析

疲勞試件宏觀形貌如圖6所示。Q450NQR1高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫a10（T 形角接接頭）三點彎曲疲勞試件共有有效試件14個，其中有8個斷裂試件，其斷裂位置均位于焊趾。多層多道焊向內(nèi)凹角焊縫（T形角接接頭）三點彎曲疲勞試件共有有效試件12個，其中有5個斷裂試件，4個試件在兩焊縫之間斷裂，1 個試件在焊趾處斷裂。多層多道焊向外凸角焊縫（T形角接接頭）三點彎曲疲勞試件共有有效試件14個，其中有7個斷裂試件，3個試件在兩焊縫之間斷裂，4個試件在焊趾處斷裂。

可見，試件斷裂位置都位于焊趾或兩焊縫之間，焊趾處裂紋向母材延伸。斷裂位置在焊趾或焊縫之間的主要原因為：當采用多層多道焊進行焊接時，相鄰焊道之間過渡并不圓滑，焊縫表面形狀變化與焊趾處高度相似，所以也存在較大應力集中。另外，焊接殘余應力也是影響因素之一，對于T形接頭，在垂直焊縫方向上，焊縫和熱影響區(qū)在冷卻過程中會被周圍溫度較低的區(qū)域所束縛，焊縫與母材連接的焊趾處也會存在很大的殘余拉應力。所以，采用多道焊焊接的T形角接接頭普遍在焊趾或焊縫之間發(fā)生疲勞斷裂［8-9］。

使用JSM-6360LV型掃描電鏡對三點彎曲疲勞斷口進行微觀形貌分析，三點彎曲疲勞斷口掃描如圖7所示?？梢钥闯?，各區(qū)域具有典型疲勞斷裂特征。啟裂位置位于焊趾或焊縫之間，啟裂區(qū)均未觀察到焊接缺陷，開裂原因是存在較大的應力集中。在啟裂區(qū)中，存在一系列同擴展方向一致的清晰細密的條紋，這種條紋是有一定高度差的撕裂棱，疲勞裂紋萌生后擴展的一小段時間內(nèi)需要克服很大的滑移抗力，故形成了這樣一種呈向外放射狀的條紋［10］；擴展區(qū)裂紋呈明顯河流狀分布，擴展區(qū)大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)增加而增大；終斷區(qū)觀察到大小、深淺不一的韌窩組織，其斷口為韌窩型韌性斷裂［11］。

圖7 疲勞斷口形貌Fig.7 Fatigue fracture morphology

3 結(jié)論

（1）由三點彎曲疲勞試驗確定的Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫a10（T 形角接接頭）焊接接頭接頭指定壽命為5×106次循環(huán)下的中值疲勞極限為289 MPa，向內(nèi)凹角焊縫為241 MPa，向外凸角焊縫為277.5 MPa；多層多道焊角焊縫a10接頭的疲勞強度＞向外凸焊縫疲勞強度＞向內(nèi)凹焊縫接頭疲勞強度，原因為向內(nèi)凹與向外凸焊縫過渡粗糙，焊趾或焊縫之間均會存在很大應力集中。

（2）形狀的Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫（T 形角接接頭）無明顯缺陷，斷口啟裂區(qū)和擴展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，啟裂位置位于焊趾或焊縫之間，啟裂區(qū)均未觀察到焊接缺陷，開裂原因是較大的應力集中，擴展區(qū)存在明顯的疲勞輝紋，觀察終斷區(qū)判斷斷口為韌窩型韌性斷裂。