301L不銹鋼電阻點(diǎn)焊搭接接頭疲勞性能研究

梁景恒，陳俊宏，于壯壯，張子博，董園園，張濤

中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所煙臺(tái)分所有限責(zé)任公司 山東煙臺(tái) 264003

1 序言

奧氏體不銹鋼具有無磁性、良好的焊接性以及耐蝕性等特征。301L奧氏體不銹鋼冷軋板是制造軌道輕量客車的主要材料，滿足車輛所需要的全部強(qiáng)度等級(jí)和優(yōu)異的力學(xué)性能?？蛙囓圀w采用搭接電阻點(diǎn)焊的焊接工藝，車體結(jié)構(gòu)主要的失效模式是疲勞斷裂，嚴(yán)重影響了點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的使用壽命，更是關(guān)系到整個(gè)車輛的運(yùn)行安全[1-6]。

整車車體疲勞強(qiáng)度計(jì)算需要單點(diǎn)疲勞強(qiáng)度作為數(shù)據(jù)支撐。電阻點(diǎn)焊單點(diǎn)試樣疲勞過程中最大應(yīng)力位于焊點(diǎn)兩端受力側(cè)的母材熱影響區(qū)，由于其搭接連接方式導(dǎo)致兩板中心不在一條直線上，所以受力后會(huì)產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步加劇應(yīng)力集中程度[7-10]。在車體結(jié)構(gòu)中電阻點(diǎn)焊并不是以單點(diǎn)形式存在，而是由兩張大尺寸母材經(jīng)多個(gè)焊點(diǎn)一起拼接而成，大尺寸母材以及相鄰焊點(diǎn)的約束作用會(huì)降低單點(diǎn)受力后的偏轉(zhuǎn)程度，因此用常規(guī)單點(diǎn)試樣數(shù)據(jù)來計(jì)算整車車體疲勞強(qiáng)度的準(zhǔn)確性較低。在現(xiàn)代社會(huì)，裝備輕量化對(duì)于全面實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義，因此在滿足車體強(qiáng)度需求的前提下合理減薄材料厚度是許多企業(yè)的共同目標(biāo)。

本文正是基于上述問題，通過開展試樣受力后仿真計(jì)算，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室疲勞測(cè)試計(jì)算結(jié)果，研究不同板厚以及試樣形狀對(duì)接頭疲勞性能的影響規(guī)律，為車體強(qiáng)度模擬計(jì)算提供依據(jù)，為車體厚度選擇提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為301L不銹鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 301L不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 301L不銹鋼力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用不帶翼板試樣尺寸如圖1所示，帶翼板試樣尺寸如圖2所示。所用板厚從0.8～4mm進(jìn)行不同搭配，焊點(diǎn)直徑統(tǒng)一為10mm。

圖1 不帶翼板不同板厚組合常規(guī)試樣尺寸

圖2 帶翼板不同板厚組合試樣尺寸

模擬用Patron軟件對(duì)不帶翼板和帶翼板的試樣進(jìn)行六面體單元建模，采用殼單元拉伸為實(shí)體單元的辦法。模擬輸入的材料彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，單側(cè)約束，另一端沿試樣長(zhǎng)度方向施加載荷。為了便于比較，所有規(guī)格試樣施加載荷均設(shè)為6kN，計(jì)算過程不考慮材料的彈塑性變形，獲得不同試樣missy應(yīng)力。

為驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果，疲勞試驗(yàn)采用QBG-20高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，頻率為80～100Hz，應(yīng)力比R＝0.1，測(cè)得循環(huán)壽命107次下存活率為50%的中值疲勞極限。

3 結(jié)果與分析討論

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果

針對(duì)不同厚度組合進(jìn)行分組，第1組為0.8mm薄板不變，匹配厚度分別為0.8mm、1.5mm、2mm、3mm和4mm；第2組為4mm厚板不變，匹配厚度分別為0.8mm、1.5mm、2mm、3mm和4mm。對(duì)第3組帶翼板的試樣，因?yàn)榭紤]到厚板剛性較好，所以加翼板的組合采用4mm不變，匹配厚度分別為0.8mm、1.5mm、2mm、3mm和4mm的組合。對(duì)3組試樣施加6kN力后，試樣均發(fā)生不同程度的翹曲，在焊點(diǎn)受力側(cè)熱影響區(qū)附近應(yīng)力增長(zhǎng)最快且為最大應(yīng)力集中處。同組試樣隨板厚的增加，熔核周圍的應(yīng)力分布差逐步變小，最大應(yīng)力值逐步降低。截取每組試樣最大應(yīng)力集中側(cè)的試板（即薄板側(cè)）仿真結(jié)果，不帶翼板不同組合試樣與帶翼板不同組合試樣受力后焊點(diǎn)兩端受力側(cè)最大應(yīng)力仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示，仿真計(jì)算焊點(diǎn)兩端受力側(cè)最大應(yīng)力結(jié)果見表3，不同組合試樣仿真最大應(yīng)力分布曲線如圖5所示。

圖4 帶翼板不同組合試樣受力后焊點(diǎn)兩端受力側(cè)最大應(yīng)力仿真結(jié)果

圖5 不同組合試樣仿真最大應(yīng)力分布曲線

表3 仿真計(jì)算焊點(diǎn)兩端受力側(cè)最大應(yīng)力結(jié)果

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照GB/T 24175—2009《金屬材料疲勞試驗(yàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，所得不同組合試樣的中值疲勞極限結(jié)果見表4，不同組合試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果分布曲線如圖6所示，異種厚度搭接點(diǎn)焊的試樣疲勞斷裂位置均為薄板受力側(cè)靠近熔核的熱影響區(qū)處（見圖7），同種板厚則兩板隨機(jī)出現(xiàn)，帶翼板的試樣疲勞裂紋位置與不帶翼板的試樣一致。

圖6 不同組合試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果分布曲線

表4 不同組合試樣中值疲勞極限結(jié)果

3.3 討論

搭接結(jié)構(gòu)使得電阻點(diǎn)焊接頭試樣受力后任一尺寸下應(yīng)力不均勻分布，而疲勞破壞也是從焊點(diǎn)兩端受力側(cè)熱影響區(qū)處萌生裂紋，因此實(shí)驗(yàn)室條件下采用板材或熔核橫截面積來計(jì)算試驗(yàn)名義應(yīng)力具有不準(zhǔn)確的特點(diǎn)。工程應(yīng)用下一般以載荷來評(píng)價(jià)接頭強(qiáng)度，而模擬計(jì)算則可在任一節(jié)點(diǎn)提取應(yīng)力，更貼合實(shí)際情況。對(duì)比模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果時(shí)僅考慮趨勢(shì)及數(shù)值比。

從圖3、圖4可看到，試樣受力后最大應(yīng)力位于焊點(diǎn)兩端受力側(cè)熱影響區(qū)附近，0.8mm側(cè)板厚不變的組合，匹配板厚越厚，最大應(yīng)力越低（見圖3a～e）；當(dāng)板厚4mm不變時(shí)，與其匹配的板厚越厚，最大應(yīng)力也越低，并且最大應(yīng)力與0.8mm厚不變的組合相比要低約50%（見圖3f～i）。增加翼板后最大應(yīng)力得到進(jìn)一步降低（見圖4），這是因?yàn)橐戆宓闹巫饔媒档土嗽嚇邮芰蟀l(fā)生的偏轉(zhuǎn)，熔核周圍應(yīng)力差變小，同時(shí)還可以看到增加翼板后3mm＋4mm和4mm＋4mm兩個(gè)板厚組合最大應(yīng)力擬合線段趨于水平，說明該種結(jié)構(gòu)下最大應(yīng)力接近最小值。

由表4可知，在一定板厚范圍內(nèi)，0.8mm厚薄板不變，匹配板厚度從0.8mm增加至4mm，疲勞強(qiáng)度增長(zhǎng)219%；當(dāng)4mm側(cè)板厚度不變時(shí)，匹配板厚度從0.8mm增加至4mm，疲勞強(qiáng)度增長(zhǎng)81%，疲勞強(qiáng)度增加的幅度較0.8mm側(cè)板厚度不變的組合差，這說明試樣板厚較薄時(shí)，其剛性對(duì)于疲勞結(jié)果起著決定性的作用，板厚越厚，抵抗變形的能力越強(qiáng)，剛性越高，焊點(diǎn)兩端偏轉(zhuǎn)情況減弱，疲勞強(qiáng)度越高。帶翼板的試樣，相比4mm側(cè)板厚度不變的組合來說，疲勞強(qiáng)度也都得到進(jìn)一步增長(zhǎng)。值得一提的是，4mm＋4mm比3mm＋4mm組合的疲勞極限僅提高0.1kN，對(duì)應(yīng)表3中的最大應(yīng)力差較其他組合也有所降低，說明該電阻點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于最大的疲勞極限，厚板剛性足以支撐試樣抵抗大的變形，增加翼板對(duì)于提升試樣剛性以及疲勞強(qiáng)度作用有限。

綜上對(duì)比，模擬計(jì)算結(jié)果與疲勞試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相反，符合應(yīng)力集中越大、疲勞性能越低的特點(diǎn)。疲勞試驗(yàn)不同于靜態(tài)拉伸剪切試驗(yàn)，對(duì)于靜態(tài)拉伸剪切來說，母材強(qiáng)度和焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的大小決定了最后失效的位置，薄板傾向于從母材撕裂，而厚板傾向于從焊點(diǎn)處橫貫焊點(diǎn)熔核直徑剪切斷裂；疲勞試驗(yàn)影響最大的因素就是應(yīng)力集中，試樣承受的交變載荷遠(yuǎn)低于焊點(diǎn)剪切斷裂的載荷，靠近焊點(diǎn)兩端母材受力側(cè)承受的最大應(yīng)力成為疲勞破壞的主要因素[10]，該最大應(yīng)力不可避免，但是單點(diǎn)疲勞試驗(yàn)可以通過增加翼板的方式提高試樣剛性以達(dá)到提高疲勞極限的目的。

車體的疲勞仿真計(jì)算需要建模并且輸入不同板厚組合的單點(diǎn)疲勞強(qiáng)度，而車體為多張整板搭接后拼接而成，由于整板剛性以及相鄰焊點(diǎn)的約束，使得焊點(diǎn)受力后兩側(cè)母材發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)程度要低于單點(diǎn)試樣，應(yīng)力集中程度也伴隨著降低，因此單點(diǎn)疲勞結(jié)果用于仿真輸入的準(zhǔn)確性較低。通過增加翼板的方式來獲得的疲勞結(jié)果更加貼近車體單點(diǎn)實(shí)際受力情況，對(duì)于薄板來說更加明顯，對(duì)于指導(dǎo)車體材料厚度選擇以及輕量化等具有重要意義。

4 結(jié)束語

1）不銹鋼搭接電阻點(diǎn)焊試樣疲勞破壞誘發(fā)于焊點(diǎn)兩端受力側(cè)熱影響區(qū)應(yīng)力集中處，并穿透板厚發(fā)生失效。

2）在一定板厚范圍內(nèi)，試樣板厚越厚，剛性越高，疲勞強(qiáng)度也就越高；一定厚度范圍內(nèi)帶翼板試樣的疲勞強(qiáng)度要高于同種厚度組合不帶翼板試樣的疲勞強(qiáng)度。

3）通過增加翼板的方式獲得的疲勞結(jié)果比不帶翼板的單點(diǎn)試樣更符合車體實(shí)際受力情況，建議車體疲勞強(qiáng)度仿真計(jì)算輸入采用帶翼板試驗(yàn)結(jié)果。