電阻點(diǎn)焊接頭鹽霧腐蝕后疲勞性能研究

毛星原，吳振華，郁志凱

中車唐山機(jī)車車輛有限公司 河北唐山 064000

1 序言

如果一輛鐵路客車外觀質(zhì)量很差，特別是外露結(jié)構(gòu)表面有明顯的波浪紋和凹凸不平感，甚至在光線作用下，存在時(shí)隱時(shí)現(xiàn)、雜亂的反光效果，那么即使客車內(nèi)的設(shè)施再完備、再先進(jìn)也將無(wú)法獲得用戶的青睞。為了避免以上問題發(fā)生，電阻點(diǎn)焊作為一種重要的焊接應(yīng)用技術(shù)，越來越受到鐵路車輛制造商的青睞，該焊接方法可以有效解決焊接變形，避免上述問題發(fā)生。與此同時(shí)，焊接自動(dòng)化為點(diǎn)焊技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。

國(guó)內(nèi)鐵路車輛常用的鋼板規(guī)格主要分為2mm、2.5mm、3mm三種，Q310NQL2+Q345NQR2材質(zhì)搭配是其常見的設(shè)計(jì)組合，焊接方法基本采用變形量很小的電阻點(diǎn)焊[2]。電阻點(diǎn)焊屬于搭接結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇罱用鏌o(wú)法實(shí)現(xiàn)焊后的表面處理，所以焊前必須選擇合適的工藝進(jìn)行表面處理。噴砂工藝為單一工序，效率高、經(jīng)濟(jì)性好，不僅可以有效去除零件表面油污、焊接熔粒及焊接氧化層等，而且噴砂后鋼材表面得到清潔，材料表面力學(xué)性能還可得到改善，因此一般鐵路車輛制造商在電阻點(diǎn)焊前均對(duì)鋼材進(jìn)行噴砂處理[3-5]。由于車輛運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)各種工況及環(huán)境較為復(fù)雜，電阻點(diǎn)焊特殊的搭接結(jié)構(gòu)又導(dǎo)致焊后無(wú)法對(duì)搭接位置進(jìn)行防腐處理，而腐蝕又對(duì)焊接接頭疲勞性能有一定影響，所以系統(tǒng)地開展經(jīng)噴砂處理后母材的電阻點(diǎn)焊接頭腐蝕對(duì)疲勞性能影響的研究顯得尤為重要。該研究對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)、改進(jìn)鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)、提升電阻點(diǎn)焊整體技術(shù)水平具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為板厚2.5mm的Q310NQL2鋼及板厚3mm的Q345NQR2鋼，對(duì)試驗(yàn)材料表面進(jìn)行噴砂處理后進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1～表4。

表1 Q310NQL2鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q310NQL2鋼的力學(xué)性能

表3 Q345NQR2鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 Q345NQR2鋼的力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

對(duì)經(jīng)過表面噴砂處理的Q 3 1 0 N Q L 2+Q345NQR2鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，與工廠現(xiàn)車制造工藝相同，其焊接參數(shù)見表5，試件尺寸如圖1所示。焊后試件按照中車唐山機(jī)車車輛有限公司內(nèi)部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀、平滑度及斷面檢測(cè)。

表5 電阻點(diǎn)焊焊接參數(shù)

焊后對(duì)接頭進(jìn)行鹽霧腐蝕和脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)。

（1）鹽霧腐蝕試驗(yàn) 選用乙酸鹽霧（ASS）對(duì)電阻點(diǎn)焊接頭進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為48h、1000h。鹽霧腐蝕試驗(yàn)中所使用試樣的尺寸為138mm×60mm（見圖1）。

圖1 電阻點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)試件尺寸

（2）脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn) 對(duì)未經(jīng)鹽霧腐蝕的電阻點(diǎn)焊接頭和經(jīng)48h、1000h鹽霧腐蝕的電阻點(diǎn)焊接頭分別進(jìn)行脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)。脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)按照ISO 14324：2003《電阻點(diǎn)焊 焊縫的有損檢驗(yàn)點(diǎn)焊焊縫的疲勞試驗(yàn)法》的要求進(jìn)行試件加工，并按照該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力比R=0.1，指定循環(huán)壽命取1×107次。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)疲勞裂紋尺寸足夠大而導(dǎo)致載荷加不上去時(shí)，可自動(dòng)卸載停振，并記錄循環(huán)次數(shù)。墊板厚度與相應(yīng)母材厚度一致。采用JSM-6360LV型掃描電鏡對(duì)疲勞斷口進(jìn)行微觀形貌分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 接頭疲勞性能對(duì)比

電阻點(diǎn)焊接頭F-N曲線對(duì)比如圖2所示，按常規(guī)方法確定F-N曲線和由升降法確定的1×107次循環(huán)下的疲勞極限，最終確定的未經(jīng)鹽霧腐蝕及經(jīng)48h、1000h鹽霧腐蝕的Q310NQL2+Q345NQR2電阻點(diǎn)焊接頭疲勞極限F0.1分別為4.55kN、3.71kN、3.87kN。

圖2 電阻點(diǎn)焊接頭F-N曲線對(duì)比

由此可看出，未經(jīng)鹽霧腐蝕的接頭疲勞極限較高，經(jīng)鹽霧腐蝕的接頭疲勞極限較低；經(jīng)48h與1000h鹽霧腐蝕接頭的疲勞極限相差不大。

3.2 斷口分析

未經(jīng)鹽霧腐蝕及經(jīng)48h、1000h鹽霧腐蝕的Q310NQL2+Q345NQR2電阻點(diǎn)焊接頭疲勞試件的疲勞斷口宏觀形貌如圖3～圖5所示，微觀形貌如圖6～圖8所示。

圖3 未經(jīng)鹽霧腐蝕的點(diǎn)焊接頭疲勞試件

圖5 經(jīng)1000h鹽霧腐蝕的點(diǎn)焊接頭疲勞試件

圖6 未經(jīng)鹽霧腐蝕電阻點(diǎn)焊接頭疲勞斷口微觀形貌

圖8 經(jīng)1000h鹽霧腐蝕的電阻點(diǎn)焊接頭疲勞斷口微觀形貌

圖4 經(jīng)48h鹽霧腐蝕的點(diǎn)焊接頭疲勞試件

圖7 經(jīng)48h鹽霧腐蝕的電阻點(diǎn)焊接頭疲勞斷口微觀形貌

由此可看出，未經(jīng)鹽霧腐蝕及經(jīng)48h、1000h鹽霧腐蝕后的電阻點(diǎn)焊接頭試件起裂區(qū)無(wú)缺陷，沒有明顯起裂源。因?yàn)樵嚰芗羟泻屠靸煞N應(yīng)力，根據(jù)試件的受力狀態(tài)，熔核處沿試件長(zhǎng)度方向存在應(yīng)力集中，且熔核為圓形，熔合區(qū)組織分布不均，所以最初在熔合區(qū)因應(yīng)力集中而起裂；從圖6a可看出，熔合區(qū)起裂處有明顯的起伏，這是因?yàn)榱鸭y從初始位置啟裂后沿著熔合線擴(kuò)展，并在擴(kuò)展一定長(zhǎng)度后，由于應(yīng)力集中、缺口等因素形成新的裂紋源向著母材擴(kuò)展，因此最終斷裂。由于疲勞斷口擴(kuò)展時(shí)中斷較少，所以疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)沒有明顯的疲勞輝紋；擴(kuò)展區(qū)的大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大；終斷區(qū)呈剪切韌窩+解理形態(tài)，韌窩較大。試件斷裂處無(wú)缺陷，因此可知應(yīng)力集中是斷裂的主要原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）對(duì)經(jīng)過表面噴砂處理的Q 3 1 0 N Q L 2+Q345NQR2鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，未經(jīng)鹽霧腐蝕及經(jīng)48h、1000h鹽霧腐蝕的電阻點(diǎn)焊接頭指定壽命為1×107次的疲勞極限F0.1分別為4.55kN、3.71kN、3.87kN。由此可知，未經(jīng)鹽霧腐蝕的點(diǎn)焊接頭疲勞極限較高，經(jīng)鹽霧腐蝕的點(diǎn)焊接頭疲勞極限較低；經(jīng)過48h與1000h鹽霧腐蝕的點(diǎn)焊接頭疲勞極限相差不大。

2）所有疲勞斷裂試件均起裂于熔合區(qū)，擴(kuò)展區(qū)隨著循環(huán)次數(shù)增加而增大，終斷區(qū)呈現(xiàn)剪切韌窩形態(tài)。