超聲沖擊對(duì)高速列車(chē)用S355J2W鋼焊接接頭力學(xué)性能和殘余應(yīng)力的影響

王洪廣　岑升波

作者簡(jiǎn)介：王洪廣（1980—），碩士，副教授，研究方向：機(jī)械制造。

摘要：文章以高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架用S355J2W耐候鋼對(duì)接接頭為研究對(duì)象，用熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊、JM55II焊絲對(duì)12 mm厚的S355J2W耐候鋼板進(jìn)行了焊接，采用超聲沖擊法對(duì)焊接接頭焊趾區(qū)域在不同時(shí)間條件下進(jìn)行處理，通過(guò)硬度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)對(duì)超聲沖擊處理和未處理焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并利用X射線(xiàn)殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)接頭沖擊前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。結(jié)果表明：S355J2W鋼焊接接頭的經(jīng)超聲沖擊處理20 min強(qiáng)化效果最好，焊趾的硬度值較未處理狀態(tài)提高了14.09%，抗拉強(qiáng)度提高了20.3 MPa;超聲沖擊降低了焊趾位置的應(yīng)力集中系數(shù)，接頭的斷裂位置由焊趾位置轉(zhuǎn)移到熱影響區(qū);超聲沖擊對(duì)降低焊趾區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力效果顯著，焊趾橫向殘余應(yīng)力消除率最高達(dá)到334%，焊趾縱向殘余應(yīng)力消除率最高達(dá)到366%。

關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力;S355J2W鋼焊接接頭;超聲沖擊;力學(xué)性能

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U270.3A471734

0 引言

轉(zhuǎn)向架是高速列車(chē)走行部分的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)異性直接決定了列車(chē)的穩(wěn)定性和乘坐舒適性，對(duì)列車(chē)的運(yùn)行有著無(wú)法替代的意義。轉(zhuǎn)向架采用多層多道焊組裝而成，多次不均勻熱循環(huán)輸入導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生不可避免，而殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的靜載強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有較大的影響，甚至?xí)c外部腐蝕介質(zhì)相互作用引起構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[1]。焊接接頭的破壞一般發(fā)生在焊趾、焊接缺陷等部位，因?yàn)檫@些部位更容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，在殘余應(yīng)力的疊加下使接頭裂紋[2]。所以，研究消除和改善轉(zhuǎn)向架接頭殘余應(yīng)力的有效方法，對(duì)提高列車(chē)的運(yùn)行安全具有重要的意義。

企業(yè)常常使用熱處理法、振動(dòng)時(shí)效法、噴丸處理等來(lái)消除和改善焊接殘余應(yīng)力，其中熱處理法是主流的應(yīng)力消除工藝，即在高溫下材料內(nèi)部局部塑性變形，使殘余應(yīng)力松弛而達(dá)到應(yīng)力消除的目的。但熱處理設(shè)備造價(jià)高、占地大、能耗高和效率低等因素制約了熱處理法的發(fā)展，且轉(zhuǎn)向架尺寸較大，對(duì)熱處理設(shè)備要求更高。振動(dòng)時(shí)效法是通過(guò)對(duì)焊接區(qū)域施加循環(huán)交變應(yīng)力，使接頭內(nèi)部產(chǎn)生局部塑性變形，使殘余應(yīng)力得到釋放[3]。但該方法要求有大功率激振源和比工件更大的振動(dòng)臺(tái)，并不適用于轉(zhuǎn)向架的應(yīng)力消除。而噴丸處理易造成污染，需在固定的噴丸房間內(nèi)完成，對(duì)作業(yè)場(chǎng)地有一定的限制。超聲沖擊處理法由于其投資成本小、噪聲小、效率高和操作靈活簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)勢(shì)而成為較為理想的殘余應(yīng)力消除方法。超聲沖擊利用超聲波振動(dòng)驅(qū)動(dòng)沖擊針高速撞擊工件表面，使工件表面產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應(yīng)力，對(duì)提高接頭的力學(xué)性能具有積極的效果[4]。目前針對(duì)焊接接頭的超聲沖擊處理大多采用全覆蓋式處理[5-7]，雖然消除焊接殘余應(yīng)力的效果很好，但是該處理方式工作量較大，效率有待提高。焊接接頭的焊趾部分是接頭主要的薄弱區(qū)域，若對(duì)焊趾位置進(jìn)行超聲沖擊處理，將大大提高處理的效率。

本文以高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架用S355J2W耐候鋼對(duì)接接頭為研究對(duì)象，采用超聲沖擊法對(duì)焊接接頭焊趾區(qū)域在不同時(shí)間條件下進(jìn)行處理，通過(guò)硬度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)對(duì)超聲沖擊處理和未處理焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并利用X射線(xiàn)殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)接頭沖擊前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，研究不同沖擊時(shí)間對(duì)耐候鋼接頭力學(xué)性能和殘余應(yīng)力的影響。研究結(jié)果可以為超聲沖擊處理應(yīng)用于列車(chē)轉(zhuǎn)向架焊接接頭殘余應(yīng)力的消除提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和焊接方法

實(shí)驗(yàn)采用高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架用S355J2W耐候鋼，板厚為12 mm，焊接材料為JM55 Ⅱ焊絲，母材及焊絲主要化學(xué)成分如表1所示。焊接采用V形坡口，根部間隙為2 mm、鈍邊為1 mm，如圖1所示。焊接方法為熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊（MAG焊），采用多層多道焊接，底層焊接電流為120～140 A，填充及蓋面焊接電流為250～280 A，保護(hù)氣體為富氬混合氣（80%Ar+20%CO2）。

1.2 超聲沖擊處理

超聲沖擊處理采用華云機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的Hy2050型豪克能沖擊槍對(duì)焊接接頭的兩道焊趾進(jìn)行沖擊處理。沖擊選用圓形沖擊頭。采用2.0 A的激勵(lì)電流，沖擊時(shí)間分別為10 min、15 min、20 min。具體的沖擊處理過(guò)程為：將沖擊針對(duì)準(zhǔn)焊趾處，針頭貼合焊趾表面，略施加一定的壓力，盡量讓沖擊槍在自重的條件下進(jìn)行沖擊。沖擊過(guò)程中，將沖擊槍沿著焊縫方向移動(dòng)，為了降低沖擊凹痕的深度，獲得圓滑的過(guò)渡區(qū)，在沖擊槍移動(dòng)的過(guò)程中同時(shí)向兩側(cè)作小幅度擺動(dòng)。

1.3 硬度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)采用HVS-30型維氏硬度計(jì)，測(cè)量載荷為200 g，載荷持續(xù)時(shí)間為15 s。從焊縫中心向母材方向測(cè)量21個(gè)硬度點(diǎn)，點(diǎn)間隔距離為1 mm。

拉伸試驗(yàn)參照《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》（GBT 2651-2008）和《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 228-2010）制成矩形橫截面拉伸試樣，試樣保留焊縫余高，焊縫位于試樣中心。拉伸試驗(yàn)所用的設(shè)備為DNS300萬(wàn)能試驗(yàn)拉伸機(jī)。試樣的原始標(biāo)距為60 mm，拉伸速度為5 mm/min。

1.4 殘余應(yīng)力測(cè)試

焊接殘余應(yīng)力測(cè)試采用日本Pulstec公司生產(chǎn)的μ-X360n便攜式X射線(xiàn)殘余應(yīng)力分析儀。所用靶材為Cr靶，準(zhǔn)直管直徑為1 mm，功率為30 kV·1mA，零應(yīng)力鐵粉校準(zhǔn)。在垂直于焊縫長(zhǎng)度方向布置一條有15個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試線(xiàn)，測(cè)點(diǎn)距離焊縫中心距離分別為0 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±20 mm、±30 mm、±50 mm、±70 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微硬度測(cè)試與分析

如圖2所示為不同沖擊時(shí)間條件下焊接接頭表面顯微硬度沿著遠(yuǎn)離焊縫中心方向的變化曲線(xiàn)。從圖2可以看出，S355J2W鋼焊接接頭在未經(jīng)超聲沖擊處理狀態(tài)下，顯微硬度從焊縫中心到焊趾呈逐漸上升趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在焊趾位置，之后從熱影響區(qū)到母材區(qū)呈下降趨勢(shì)。這是由于各區(qū)域在焊接過(guò)程中，經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)溫度，相當(dāng)于經(jīng)歷了不同的熱處理，從而形成了不同的組織，導(dǎo)致硬度值出現(xiàn)變化。S355J2W鋼焊接接頭在10 min、15 min和20 min的超聲沖擊處理狀態(tài)下，其顯微硬度值分布規(guī)律與未處理狀態(tài)下相同，但是焊趾及其周?chē)鷧^(qū)域的硬度值隨著超聲沖擊時(shí)間的增大而增大。沖擊時(shí)間為20 min時(shí)，焊趾的硬度值為251 HV，較未處理狀態(tài)下的硬度值提高了14.09%。超聲沖擊處理在焊趾附近造成了劇烈的塑性變形，導(dǎo)致試件內(nèi)部晶體位錯(cuò)在外應(yīng)力的作用下不斷地增殖、運(yùn)動(dòng)、塞積和纏結(jié)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度越來(lái)越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙也越大，材料的抗變形能力也隨著增大，加工硬化效應(yīng)也愈發(fā)明顯，所以隨著沖擊時(shí)間的增加，焊趾區(qū)域的硬度值也隨之增大。但是由于只對(duì)焊趾區(qū)域進(jìn)行了超聲沖擊處理，其他區(qū)域的硬度值較未處理狀態(tài)下并無(wú)明顯區(qū)別。

2.2 拉伸試驗(yàn)與分析

超聲沖擊處理時(shí)間分別為0 min、10 min、15 min和20 min時(shí)焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)表2所示。由表2數(shù)據(jù)得知，未進(jìn)行超聲沖擊處理的接頭，其拉伸斷裂位置均位于焊趾處，抗拉強(qiáng)度為518.7 MPa;而經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，斷裂的位置則位于熱影響區(qū)，試樣的抗拉強(qiáng)度隨著沖擊時(shí)間的增加而增加，但變化不明顯，當(dāng)沖擊時(shí)間為20 min時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度最大值為539.0 MPa，比未處理試樣提高了20.3 MPa。另外，超聲沖擊處理和未處理焊接接頭試樣的斷后伸長(zhǎng)率相比也有一定的提升，只是提升的效果不明顯。焊縫和母材在焊趾位置出現(xiàn)尺寸突變，在焊趾位置形成了較大的應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致未經(jīng)超聲處理的焊接接頭均斷裂在焊趾處。但是，焊趾經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后變成了圓滑過(guò)渡，顯著降低了原來(lái)的應(yīng)力集中系數(shù)。與此同時(shí)，超聲沖擊處理后，焊趾區(qū)域發(fā)生加工硬化，沖擊時(shí)間越長(zhǎng)，硬度值提高越大，使薄弱的焊趾處的強(qiáng)化效果越好，所以未處理接頭拉伸斷裂在焊趾處，而經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理接頭的拉伸斷裂位置在性能較為薄弱的熱影響區(qū)。

2.3 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

不同超聲沖擊處理時(shí)間焊接接頭縱向、橫向殘余應(yīng)力分布如下頁(yè)圖3所示，測(cè)點(diǎn)距離焊縫中心距離分別為0 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±20 mm、±30 mm、±50 mm、±70 mm。其中，距離為±10 mm時(shí)，表示測(cè)試點(diǎn)位于焊趾位置。從圖3中可知，未進(jìn)行超聲沖擊處理的焊接接頭表面殘余應(yīng)力分布特征為焊縫區(qū)域的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力為拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。焊縫區(qū)域的拉應(yīng)力最高，最大縱向殘余應(yīng)力為305 MPa，最大橫向殘余應(yīng)力為223 MPa。其中，焊趾位置的最大縱向殘余應(yīng)力為204 MPa，最大橫向殘余應(yīng)力為173 MPa。由此可知，焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力峰值超過(guò)了S355J2W耐候鋼屈服強(qiáng)度的一半。造成焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力峰值高的主要原因在于多層多道焊在焊接過(guò)程中，材料經(jīng)歷了多次不均勻高溫?zé)嵫h(huán)輸入，巨大的溫度梯度在材料內(nèi)部形成了很高的熱應(yīng)力，加上焊接板各方向被固定，熱應(yīng)力無(wú)法通過(guò)塑性變形釋放，最終形成較高的殘余應(yīng)力。由于本次實(shí)驗(yàn)只針對(duì)焊趾區(qū)域進(jìn)行超聲沖擊處理，遠(yuǎn)離焊趾位置區(qū)域的橫向、縱向殘余應(yīng)力值并無(wú)明顯變化。但是焊趾區(qū)域經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，焊接殘余應(yīng)力消除效果顯著，焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力峰值均有所下降，焊趾位置的橫向、縱向殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。由圖3可知，焊接殘余應(yīng)力的消除效果隨著超聲沖擊的時(shí)間增加而提高。試樣經(jīng)過(guò)20 min超聲沖擊處理后，焊趾橫向殘余應(yīng)力由204 MPa變?yōu)?470 MPa，消除率達(dá)到334%;焊趾縱向殘余應(yīng)力由173 MPa變?yōu)?461 MPa，消除率達(dá)到366%。焊趾位置經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，焊趾表面在沖擊頭超聲頻率的作用下產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，焊趾表面擠壓出一條圓滑的凹槽，顯著降低了焊趾的應(yīng)力集中系數(shù)，并在焊趾表層形成了較大的壓力層，這些對(duì)提高焊接接頭的疲勞性能非常有益。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）S355J2W鋼焊接接頭經(jīng)超聲沖擊處理20 min后強(qiáng)化效果最好，在焊趾區(qū)域形成一層硬化層，焊趾的硬度值最高達(dá)到251 HV，較未處理狀態(tài)下的硬度值提高了14.09%。

（2）超聲沖擊降低了焊接接頭焊趾位置的應(yīng)力集中系數(shù)，接頭的斷裂位置也由未處理時(shí)的焊趾位置轉(zhuǎn)移到熱影響區(qū)，且接頭的抗拉強(qiáng)度隨著處理時(shí)間的增加而提高，接頭的抗拉強(qiáng)度比未處理試樣提高了20.3 MPa。

（3）超聲沖擊對(duì)降低焊趾區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力效果顯著，焊趾橫向殘余應(yīng)力消除率最高達(dá)到334%，焊趾縱向殘余應(yīng)力消除率最高達(dá)到366%。

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