板厚對(duì)不銹鋼車體激光疊焊接頭抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的影響

羅超，張錦華，王琰，劉海玲，李希勇

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

0 前言

軌道客車不銹鋼車體在制造過程中通常使用電阻點(diǎn)焊成形[1-2]。由于電阻點(diǎn)焊變形大、密封性差、接頭靜強(qiáng)度低及疲勞強(qiáng)度低等問題，最近車體制造部門嘗試用具有焊接變形小、焊接速度快及連續(xù)焊接密封性好等優(yōu)點(diǎn)的激光疊焊替代電阻電焊進(jìn)行不銹鋼車體成形[3-5]。列車在運(yùn)行過程中，車體不僅承受靜載荷還承受振動(dòng)載荷，因此，研究人員需要通過試驗(yàn)和理論分析掌握影響焊接結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的主要因素，包括焊板厚度對(duì)抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律等，從而為設(shè)計(jì)人員提供強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)[6-12]。文獻(xiàn)[13]報(bào)道了SUS301L不銹鋼非熔透型激光搭接焊的疲勞特性，發(fā)現(xiàn)焊板厚度對(duì)焊接接頭的抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度具有一定的影響，但其影響機(jī)理并不十分清楚。

針對(duì)上述問題，作者開展了2種不同板厚搭配的不銹鋼激光疊焊接頭的疲勞試驗(yàn)，測(cè)試了相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度-變形曲線和疲勞強(qiáng)度-壽命曲線，觀察了拉伸破壞特征和疲勞裂紋萌生位置、擴(kuò)展特征，分析了板厚對(duì)抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的影響。

1 拉伸與疲勞試驗(yàn)

拉伸試樣和疲勞試樣均由2塊不銹鋼板經(jīng)激光疊焊連接而成，其形狀和尺寸如圖1所示。圖中t1和t2為不銹鋼板的厚度，該研究對(duì)板厚搭配不同的2種試樣進(jìn)行試驗(yàn)。由板厚t1=0.8 mm和t2=2 mm焊接而成的試樣簡(jiǎn)稱0.8+2試樣；由板厚t1=2 mm和t2=2 mm焊接而成的試樣簡(jiǎn)稱2+2試樣。焊接工藝參數(shù)見表1。0.8 mm厚不銹鋼板的材料為SUS301L-3/4H；2 mm厚不銹鋼板的材料為SUS301L-1/4H。試驗(yàn)前，對(duì)焊縫兩邊和中間3個(gè)部位進(jìn)行了焊縫尺寸的觀測(cè)，如圖2所示。0.8+2試樣焊縫下板的熔寬和熔深的均值分別為0.79 mm和0.57 mm；2+2試樣焊縫下板的熔寬和熔深的均值分別為1.13 mm和0.78 mm。2+2試樣的熔寬和熔深均大于0.8+2試樣的相應(yīng)值。

圖1 試樣的形狀和尺寸

表1 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊縫尺寸觀察結(jié)果

拉伸試驗(yàn)在島津電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)采用位移控制，加載速度設(shè)定為0.01 mm/s。疲勞試驗(yàn)在Rumul電磁共振疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)力比R設(shè)定為0.5，以試樣發(fā)生疲勞斷裂或循環(huán)受載達(dá)到1×107周次作為停機(jī)條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗剪強(qiáng)度

拉伸加載后，試樣的焊接部位受剪切力作用，試樣的破壞表現(xiàn)為剪切破壞，具體破壞形式如圖3所示。由圖3a和圖3b可知，0.8+2試樣和2+2試樣的破壞形式完全相同，均為2個(gè)焊板在焊肉部位被剪斷，2個(gè)焊板完全脫開，剪斷后的焊板發(fā)生翹曲變形。

圖3 拉伸試樣斷口形貌

在同一條件下分別對(duì)6件0.8+2試樣和2+2試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得的拉伸曲線如圖4所示。可見，2種試樣的拉伸曲線均可分為彈性(傾斜)部分和塑性(水平)部分，0.8+2試樣的傾斜部分較陡(彈性變形小)、水平部分較長(zhǎng)(塑性變形大)；2+2試樣的傾斜部分較緩(彈性變形大)、水平部分較短(塑性變形小)。0.8+2試樣的剪切力平均值為32.96 kN，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.15 kN；2+2試樣的剪切力平均值為49.5 kN，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.42 kN；2+2試樣的剪切力明顯高于0.8+2試樣的相應(yīng)值。

圖4 焊接接頭的剪切拉伸曲線

由于2種接頭破壞均表現(xiàn)為焊縫部位的剪切破壞，焊接接頭的抗剪強(qiáng)度主要取決于疊焊接頭熔寬和焊縫抗剪強(qiáng)度，即斷裂時(shí)的載荷/(熔寬×試樣寬度)。0.8+2試樣和2+2試樣的熔寬均值分別為0.79 mm和1.13 mm，后者約為前者的1.43倍。0.8+2試樣和2+2試樣焊縫的抗剪強(qiáng)度分別為694 MPa和730 MPa，后者約為前者的1.05?？梢姡?種試樣熔寬尺寸的不同是造成抗剪強(qiáng)度差異的主要原因。

2.2 疲勞強(qiáng)度

疲勞斷裂位置的觀察如圖5所示。由圖可知，2種試樣的疲勞裂紋均發(fā)生在下焊板(未焊透焊板)的焊核邊緣處。圖5所示為開裂焊板的裂紋起始位置觀察。圖6a和圖6b分別是對(duì)圖5中B部分從左側(cè)向右側(cè)的放大觀察。可見，裂紋起始于2個(gè)焊板之間的內(nèi)表面靠近焊核處，然后向焊板的外表面擴(kuò)展，圖中最上部豎向的條線是裂紋起始于不同平面后擴(kuò)展形成的，屬于典型的疲勞裂紋擴(kuò)展特征。綜合圖5和圖6可知，疲勞裂紋萌生于未被夾持的未焊透板內(nèi)表面靠近焊核附近熱影響區(qū)，裂紋沿著焊核邊緣向板外表面方向擴(kuò)展，直至穿透焊板。

圖5 疲勞試樣斷口形貌

圖6 裂紋起始位置和擴(kuò)展方向的微觀觀察

從斷口觀察可知，所有疲勞斷裂均發(fā)生在未焊透板(2 mm板)。因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的疲勞強(qiáng)度-壽命關(guān)系可用圖7所示的未焊透板的名義應(yīng)力幅變程-壽命(ΔS-N)曲線表示。由圖可知，在高應(yīng)力，2種接頭的疲勞壽命沒有明顯的差別，但是在低應(yīng)力，2+2試樣的疲勞強(qiáng)度明顯大于0.8+2試樣的相應(yīng)值。其中，0.8+2試樣的1×107周次的疲勞強(qiáng)度為33 MPa，而2+2試樣的1×107周次的疲勞強(qiáng)度為50 MPa。

圖7 焊接接頭的疲勞應(yīng)力變程-壽命(ΔS-N)曲線

3 有限元分析

3.1 有限元模型

為了弄清板厚對(duì)2種接頭抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的影響，該節(jié)通過有限元方法對(duì)2種接頭進(jìn)行了高、低2種名義應(yīng)力(50 MPa和100 MPa)的加載(計(jì)算名義應(yīng)力的板厚按2 mm考慮)。

按照?qǐng)D1所示的試樣進(jìn)行有限元建模，焊縫連接區(qū)域的面積為平均熔寬乘以試樣寬度。為了避免尖銳缺口帶來的計(jì)算不穩(wěn)定性，將焊縫邊緣2個(gè)焊板間的尖端缺口按半徑R為0.01mm的圓弧形缺口處理，并在該區(qū)域采用R/10的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以保證獲得收斂的缺口應(yīng)力值。對(duì)于遠(yuǎn)離焊縫缺口尖端的區(qū)域，采用逐漸變化的過渡網(wǎng)格進(jìn)行劃分，直至網(wǎng)格尺寸達(dá)到約0.25 mm。對(duì)于2+2試樣的疊焊接頭，計(jì)算單元數(shù)為26 256，節(jié)點(diǎn)數(shù)為27 911；對(duì)于2+0.8試樣的疊焊接頭，計(jì)算單元數(shù)為20 732，節(jié)點(diǎn)數(shù)為22 328?？紤]到模型加載時(shí)處于平面拉伸狀態(tài)，因此計(jì)算時(shí)按平面應(yīng)變處理，在Abaqus中采用帶有減縮積分的4節(jié)點(diǎn)線性平面應(yīng)變單元進(jìn)行分析。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，仿真分析中不考慮熔核、熱影響區(qū)和母材之間的材料差異，參考文獻(xiàn)[14]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取材料的彈性模量E=84 550 MPa，泊松比v=0.3，初始屈服強(qiáng)度σs=316 MPa，采用等向強(qiáng)化模型計(jì)算材料的塑性行為，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[15]如圖8所示。在夾持區(qū)域除加載方向以外的所有自由度，將該端部節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)耦合，并在參考點(diǎn)上施加集中力載荷Fb。

圖8 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 計(jì)算結(jié)果

在施加線載荷100 N/mm時(shí)，2種焊接接頭試樣的變形云圖如圖9所示?？梢姡谙嗤€載荷條件下，2+0.8試樣的變形量大于2+2試樣。

圖9 焊接接頭的變形云圖

在2種疊焊接頭中，以2 mm厚板的面積計(jì)算名義應(yīng)力值，分別得到當(dāng)名義應(yīng)力值為50 MPa和100 MPa時(shí)2種疊焊接頭在缺口區(qū)域的軸向應(yīng)力(S11)分布，如圖10所示(焊核兩側(cè)左右兩缺口對(duì)稱，圖中僅給出左側(cè))。圖中橫軸是2個(gè)焊板之間靠近焊核左側(cè)位置處缺口周圍從位置A開始經(jīng)過位置B到位置C的距離?？趨^(qū)域的應(yīng)力分布近呈現(xiàn)對(duì)稱規(guī)律，數(shù)值計(jì)算結(jié)果還表明焊縫兩端缺口也同樣滿足反對(duì)稱的分布規(guī)律。在2種載荷的作用下，2+0.8疊焊接頭的峰值應(yīng)力均大于2+2疊焊接頭的峰值應(yīng)力，表明2+0.8疊焊接頭在缺口區(qū)域的應(yīng)力集中更為嚴(yán)重；隨著載荷的增大，受缺口區(qū)域塑性變形的影響，2種疊焊接頭峰值應(yīng)力之間的差距略有減小。

圖10 2種疊焊接頭焊核邊緣左側(cè)缺口應(yīng)力對(duì)比

這與高應(yīng)力區(qū)0.8+2試樣疊焊接頭的疲勞強(qiáng)度與2+2試樣疊焊接頭的疲勞強(qiáng)度接近，而低應(yīng)力區(qū)0.8+2試樣疊焊接頭的疲勞強(qiáng)度小于2+2試樣疊焊接頭的疲勞強(qiáng)度的結(jié)果對(duì)應(yīng)。可見2種試樣在高、低應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中程度的差異是引起疲勞強(qiáng)度差異的主要因素。焊接接頭的應(yīng)力集中程度可以通過應(yīng)力集中系數(shù)來反映，應(yīng)力集中系數(shù)定義為缺口應(yīng)力與遠(yuǎn)端名義應(yīng)力的比值，當(dāng)焊接接頭遠(yuǎn)端的名義應(yīng)力一致時(shí)，缺口應(yīng)力的大小即可反映焊接接頭的應(yīng)力集中程度。而缺口應(yīng)力的大小主要由缺口半徑和焊接接頭的板厚共同決定。由于2種疊焊接頭采用相同的焊接工藝，因此文中在計(jì)算中假定接頭具有相同的缺口半徑。對(duì)于厚度較薄的疊焊接頭，缺口區(qū)域材料的約束作用較弱，因此缺口應(yīng)力大于較厚的疊焊接頭，應(yīng)力集中程度較高，疲勞強(qiáng)度較低。

4 結(jié)論

(1)2+2試樣的抗剪強(qiáng)度高于0.8+2試樣的相應(yīng)值。2種試樣熔寬尺寸的不同是造成抗剪強(qiáng)度差異的主要原因。

(2)在高應(yīng)力短壽命區(qū)域，2+2試樣的疲勞強(qiáng)度與0.8+2試樣的相應(yīng)值幾乎相同；在低應(yīng)力長(zhǎng)壽命區(qū)域，2+2試樣的疲勞強(qiáng)度高于0.8+2試樣的相應(yīng)值。在受到高、低不同應(yīng)力作用后，焊縫區(qū)應(yīng)力集中程度的不同是造成疲勞強(qiáng)度差異的原因。

(3)2種接頭的拉伸破壞均為焊縫區(qū)焊肉剪斷引起；2種接頭的疲勞破壞形式相同，它的疲勞裂紋萌生于未焊透板內(nèi)表面靠近焊核附近熱影響區(qū)，裂紋沿著焊核邊緣向板外表面方向擴(kuò)展，直至穿透焊板。