李 陽， 韓曉輝， 張雙楠， 劉 峰， 蔡桂喜

(1. 中國科學(xué)院金屬研究所 分析測試部， 沈陽 110016； 2. 中車青島四方車輛股份公司 技術(shù)工程部， 山東 青島 266000； 3. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001)

薄板激光搭接焊縫的強(qiáng)度評(píng)價(jià)*

李 陽1， 韓曉輝2， 張雙楠1， 劉 峰3， 蔡桂喜1

(1. 中國科學(xué)院金屬研究所 分析測試部， 沈陽 110016； 2. 中車青島四方車輛股份公司 技術(shù)工程部， 山東 青島 266000； 3. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001)

針對(duì)列車車體上激光搭接焊縫需要進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)的問題，采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了焊縫強(qiáng)度的影響因素和評(píng)價(jià)方法.采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了斷裂位置從焊縫向薄板轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象.結(jié)果表明：當(dāng)焊縫寬度小于兩板中的最小板厚時(shí)，焊縫寬度和拉剪力呈近似線性關(guān)系；當(dāng)焊縫寬度超過最小板厚時(shí)，拉剪力達(dá)到最大值后不再隨焊縫寬度的增加而增加；焊縫熔深和板間隙對(duì)拉剪力的影響不明顯.根據(jù)建立的焊縫寬度和拉剪力關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過無損檢測焊縫寬度來評(píng)價(jià)焊縫強(qiáng)度的目的.

激光搭接焊縫； 剪切試驗(yàn)； 焊縫寬度； 板間隙； 焊縫熔深； 拉剪力； 超聲C掃描； 無損檢測

隨著列車運(yùn)行速度不斷提高，電阻點(diǎn)焊不再適用于時(shí)速高于200 km/h的不銹鋼列車的車體焊接，因?yàn)樵谶@種焊接方式下不易保證車廂的氣密性，從而影響客車的舒適性[1].為解決上述問題，一種新焊接方式的激光搭接焊正逐步在高速列車車廂焊接中得到推廣與應(yīng)用.激光焊接具有能量密度大、焊縫熔深大、焊縫窄、焊后工件變形小等優(yōu)點(diǎn).另外，激光焊接后的接頭機(jī)械性能較高，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率與母材相當(dāng)，且焊接接頭的綜合性能較好[2].采用激光焊接后工件的疲勞壽命要高于采用熔化焊得到的工件[3]，最為重要的是激光連續(xù)焊可滿足列車對(duì)氣密性的要求.

由于焊縫強(qiáng)度直接影響車體強(qiáng)度，因而為了保障列車的安全運(yùn)行，需要對(duì)激光搭接焊縫強(qiáng)度進(jìn)行無損評(píng)價(jià).在對(duì)焊縫強(qiáng)度進(jìn)行無損評(píng)價(jià)前，需要找到一個(gè)影響焊縫強(qiáng)度的特征參量，且該參量可通過無損檢測方法進(jìn)行表征.相關(guān)研究[4]表明，焊縫寬度是影響激光焊縫的靜力強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的重要因素，并且可通過超聲探傷方法測量焊縫寬度[5].因此，建立焊縫寬度和焊縫強(qiáng)度之間的關(guān)系不失為一種有效的焊縫強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)手段.但由于影響焊縫力學(xué)性能的因素眾多，諸如焊縫熔深、焊縫余高、焊縫熱影響區(qū)等，而且焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，包括搭接、對(duì)接、角接等，因而相關(guān)的研究工作并不多見.

本文以3種不同板厚組合的激光搭接焊縫為研究對(duì)象，分析了焊縫寬度、兩板之間的縫隙(板間隙)、焊縫熔深與拉剪力之間的關(guān)系，找出影響焊縫強(qiáng)度的特征參量，并確立焊縫強(qiáng)度和特征參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而對(duì)焊縫強(qiáng)度進(jìn)行無損評(píng)價(jià).在本文試驗(yàn)中利用光學(xué)顯微鏡觀察焊縫的側(cè)面形貌并測量得到板間隙和焊縫熔深.通過剪切試驗(yàn)得到拉剪力，并采用圖像處理軟件得到焊縫寬度.此后建立焊縫寬度、焊縫熔深、板間隙與拉剪力之間的關(guān)系.最后，通過無損檢測方法對(duì)特征參量進(jìn)行表征，進(jìn)而評(píng)價(jià)焊縫強(qiáng)度.

1 焊縫剪切試驗(yàn)

1.1 試樣制備與方法

由兩塊304不銹鋼板經(jīng)激光搭接焊接得到半熔透的搭接結(jié)構(gòu)，再利用線切割加工得到剪切試樣，試樣尺寸如圖1所示(單位：mm).施焊一側(cè)板稱為上板，半熔透部分的板稱為下板.為了使拉剪力在拉伸過程中保持同軸，在上、下兩板均加墊板.剪切試樣具有3種規(guī)格，激光搭接焊縫具體參數(shù)見表1.在剪切試驗(yàn)前利用光學(xué)顯微鏡觀察焊縫的側(cè)面形貌，并測量兩板之間的焊縫寬度和板間隙.利用AG-IS微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)夾持試樣兩端進(jìn)行剪切試驗(yàn)，加載速度為1 mm/min，直至剪切試樣破壞并記錄最大載荷.采用體視鏡拍攝焊縫斷口形貌后，利用圖像處理軟件測量試樣的焊縫寬度.

圖1 剪切試樣尺寸Fig.1 Size of shear specimen

表1 激光搭接焊縫參數(shù)Tab.1 Parameters for laser overlap weld joints mm

1.2 焊縫的顯微組織與斷口形貌

1.2.1 顯微組織

在剪切試驗(yàn)前對(duì)焊縫側(cè)面進(jìn)行金相腐蝕，得到的焊縫顯微組織如圖2所示.由圖2可知，焊縫熔深為239.57 μm，板間隙為172.2 μm，焊縫寬度為878.08 μm.焊縫呈現(xiàn)出典型的激光焊接焊后形貌，焊接接頭的熱影響區(qū)(HAZ)較窄，在光學(xué)顯微鏡下幾乎觀察不到.這是由于激光焊接后的凝固過程為非平衡凝固，冷卻時(shí)間很短的緣故[6].

圖2 焊縫側(cè)面的顯微組織Fig.2 Microstructure on side surface of weld joint

1.2.2 斷口形貌

經(jīng)過剪切試驗(yàn)后可得到試樣的拉剪力.利用體視鏡拍攝到的焊縫斷口形貌如圖3所示.由圖3可見，焊縫寬度不均勻，存在一定程度的波動(dòng).這可能是由脈沖激光器性能不良、裝卡工裝不精密等因素造成的.焊縫寬度不均勻?qū)е潞附淤|(zhì)量不穩(wěn)定，因此，焊縫兩側(cè)的寬度不能用來表征整條焊縫的寬度分布情況.計(jì)算焊縫寬度時(shí)，需要計(jì)算焊縫在一定長度上的平均寬度.在計(jì)算過程中由圖像處理軟件得到焊縫面積，然后除以焊縫長度，即可得到平均焊縫寬度.

圖3 焊縫剪切斷裂后的斷口形貌Fig.3 Morphology of fracture surface of weld joint after shear fracture

1.3 剪切試驗(yàn)分析

通過剪切試驗(yàn)可以得到焊縫寬度、板間隙、焊縫熔深和拉剪力.分別統(tǒng)計(jì)600、970和896組第1～3種規(guī)格的板厚組合數(shù)據(jù)后(具體板厚見表1)，可以得到焊縫寬度、板間隙、焊縫熔深與拉剪力的關(guān)系.

1.3.1 焊縫寬度和拉剪力的關(guān)系

不同板厚組合條件下焊縫寬度和拉剪力的關(guān)系如圖4所示.由圖4a可知，對(duì)于第1種規(guī)格(2 mm+0.8 mm)的板厚組合而言，當(dāng)焊縫寬度小于0.8 mm時(shí)，焊縫寬度和拉剪力存在一定的線性關(guān)系；當(dāng)焊縫寬度大于0.8 mm時(shí)，隨著焊縫寬度的增加，拉剪力趨于平緩.這一現(xiàn)象主要是由于當(dāng)焊縫寬度超過最小板厚0.8 mm時(shí)，斷裂位置由焊縫處向最小厚度板上的焊縫熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移，此時(shí)單純地增加焊縫寬度已無法再提高焊縫的整體強(qiáng)度，因此，拉剪力不再隨焊縫寬度的增加而增加.由圖4b可知，對(duì)于第2種規(guī)格(2 mm+1.5 mm)的板厚組合而言，焊縫寬度和拉剪力也存在一定的線性關(guān)系.由于焊縫的最大寬度1.3 mm小于最小板厚1.5 mm，所有斷裂都發(fā)生在焊縫上，因而焊縫寬度直接影響焊縫強(qiáng)度.由圖4c可知，對(duì)于第3種規(guī)格(2 mm+2 mm)的板厚組合而言，焊縫寬度和拉剪力同樣存在一定的線性關(guān)系.由于此時(shí)的最大焊縫寬度1.75 mm小于最小板厚2 mm，同樣所有斷裂都發(fā)生在焊縫上，因此，此時(shí)焊縫寬度也同樣直接影響焊縫強(qiáng)度.

圖4 焊縫寬度和拉剪力的關(guān)系Fig.4 Relationship between weld width and shear force

綜上所述，當(dāng)焊縫寬度小于最小板厚時(shí)，焊縫寬度和拉剪力之間呈現(xiàn)近似線性關(guān)系.當(dāng)焊縫寬度大于最小板厚時(shí)，拉剪力達(dá)到最大值后不再隨焊縫寬度的增大而增大.同時(shí)，當(dāng)焊縫寬度超過最小板厚時(shí)，斷裂位置由焊縫處向最小厚度板上的焊縫熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移.

對(duì)不同板厚組合下的焊縫寬度和拉剪力分別進(jìn)行線性擬合，可以得到焊縫寬度和拉剪力的線性方程，結(jié)果如表2所示.表2中y為拉剪力(單位：kN)，x為焊縫寬度(單位：mm).由于在2 mm+0.8 mm板厚組合中當(dāng)焊縫寬度超過最小板厚0.8 mm時(shí)，拉剪力達(dá)到最大值后不再隨著焊縫寬度的增加而增加，因此，可對(duì)焊縫寬度小于0.8 mm的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，此時(shí)焊縫寬度和拉剪力的線性擬合關(guān)系為y=22.43x.與表2中的線性擬合方程進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在x小于1.2 mm范圍內(nèi)兩者相差不大，因此，可以由所有數(shù)據(jù)擬合得到的線性方程y=21.97x為準(zhǔn).

表2 焊縫寬度和拉剪力的線性關(guān)系Tab.2 Linear relationships between shear force and weld width

1.3.2 板間隙和拉剪力的關(guān)系

不同板厚組合條件下板間隙和拉剪力的關(guān)系如圖5所示.由圖5可知，板間隙和拉剪力無明顯關(guān)系，未觀察到有規(guī)律性的現(xiàn)象，因此，認(rèn)為在所研究范圍內(nèi)，板間隙對(duì)焊縫強(qiáng)度并無影響.

圖5 板間隙和拉剪力的關(guān)系Fig.5 Relationship between plate gap and shear force

1.3.3 焊縫熔深和拉剪力的關(guān)系

不同板厚組合條件下焊縫熔深和拉剪力的關(guān)系如圖6所示.由圖6可知，在3種不同板厚組合的半熔透激光搭接焊縫中焊縫熔深和拉剪力也無明顯關(guān)系，觀察不到有規(guī)律性的現(xiàn)象，因此，可認(rèn)為在所研究范圍內(nèi)焊縫熔深同樣對(duì)焊縫強(qiáng)度并無影響.

圖6 焊縫熔深和拉剪力的關(guān)系Fig.6 Relationship between weld depth and shear force

通過以上分析可知，當(dāng)焊縫寬度小于最小板厚時(shí)，焊縫寬度和拉剪力呈線性關(guān)系.在研究范圍內(nèi)焊縫熔深和板間隙均與拉剪力無明顯關(guān)系.因此，利用建立的焊縫寬度和拉剪力線性關(guān)系，無損測量焊縫寬度后即可得到相應(yīng)的焊縫拉剪力.

2 剪切過程數(shù)值模擬

采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬，由于剪切試樣為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可將其簡化為二維結(jié)構(gòu).這樣可減少單元個(gè)數(shù)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間.根據(jù)試驗(yàn)獲得的焊縫寬度、兩板厚度與板間隙數(shù)據(jù)，建立一個(gè)和實(shí)際拉剪試驗(yàn)尺寸參數(shù)相同的有限元模型，即2 mm+0.8 mm搭接板模型.固定模型左端的自由度，在模型的右端以1 mm/min的速度施加水平向右的位移載荷.為了分析不同焊縫寬度模型的斷裂機(jī)制，選擇3組不同焊縫寬度的模型進(jìn)行模擬.試驗(yàn)中所選取的焊縫寬度分別為1.0、0.8和0.5 mm，加載后搭接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布如圖7所示.

由圖7可見，當(dāng)焊縫寬度為0.5 mm時(shí)，斷裂位置為焊縫處；當(dāng)焊縫寬度為0.8 mm時(shí)，斷裂位置處于焊縫或最小厚度板上；當(dāng)焊縫寬度為1.0 mm時(shí)，斷裂位置處于最小厚度板上.這種現(xiàn)象表明，斷裂位置發(fā)生在應(yīng)力承載能力最小處，且隨著焊縫寬度的增加，斷裂位置從焊縫向最小厚度板上轉(zhuǎn)移.

3 激光搭接焊縫無損評(píng)價(jià)

圖7 搭接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of overlap structure

3.1 儀器與方法

在激光搭接焊縫的無損檢測中采用的超聲C掃描檢測裝置如圖8所示.由于焊縫寬度通常小于2 mm，因此，在焊縫寬度方向的掃查間距應(yīng)足夠小，從而提高檢測精度.

①x-y掃查機(jī)構(gòu) ②運(yùn)動(dòng)控制器 ③高頻水浸聚焦探頭 ④局部水浸水箱 ⑤伺服電機(jī) ⑥編碼器

工控機(jī)向x-y掃查機(jī)構(gòu)發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令，使運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng).y軸上的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭垂直于焊縫方向進(jìn)行掃查.當(dāng)完成y向掃查后，x軸上的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭在垂直于焊縫的方向上步進(jìn)一個(gè)單位的步距，之后y軸上的伺服電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)探頭，在垂直于焊縫的方向上進(jìn)行反方向掃查，完成掃查后x軸需再步進(jìn)一個(gè)單位的步距，如此反復(fù)進(jìn)行“弓”字形的掃查，直至將被檢區(qū)域掃查結(jié)束.超聲C掃描掃查過程示意圖如圖9所示.

圖9 超聲C掃描掃查過程示意圖Fig.9 Schematic scanning process of ultrasonic C scanning

當(dāng)y軸上的伺服電機(jī)進(jìn)行掃查時(shí)，位置編碼器跟隨探頭轉(zhuǎn)動(dòng)并向超聲探傷儀發(fā)送同步脈沖，控制探傷儀激勵(lì)并接收超聲縱波反射信號(hào).之后超聲探傷儀將接收的信號(hào)傳送至A/D轉(zhuǎn)換，并記錄下每點(diǎn)的A掃信號(hào).接收到的每點(diǎn)A掃信號(hào)被依次記錄到工控機(jī)中，將這些數(shù)字信號(hào)按照掃查路徑進(jìn)行成像，即可直觀地得到焊縫在熔合面深度上的焊縫形貌信息.利用C掃描裝置檢測剪切試樣的焊縫寬度后，在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，即可得到相應(yīng)的拉剪力.

3.2 結(jié)果與分析

隨機(jī)選取某個(gè)2 mm+2 mm板厚組合的激光焊縫試樣，利用C掃描檢測裝置進(jìn)行掃查.利用圖像處理軟件進(jìn)行處理后，得到焊縫寬度為0.81 mm.將焊縫寬度代入表2中的線性擬合方程y=20.31x中，可得焊縫的拉剪力為16.45 kN.將該剪切試樣在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到的焊縫拉剪力為16.87 kN，可見計(jì)算出的數(shù)值和實(shí)測數(shù)值相近.激光搭接焊縫的斷口形貌和C掃描結(jié)果如圖10所示.對(duì)比焊縫的斷口形貌和C掃描結(jié)果后可以發(fā)現(xiàn)，兩者在形貌上保持一致.可見采用本文提出的方法評(píng)價(jià)焊縫強(qiáng)度是行之有效的.

4 結(jié) 論

通過以上試驗(yàn)分析可以得到如下結(jié)論：

1) 當(dāng)焊縫寬度小于最小板厚時(shí)，拉剪力和焊縫寬度呈近似線性關(guān)系；當(dāng)焊縫寬度大于最小板厚時(shí)，拉剪力達(dá)到最大值后不再隨著焊縫寬度的增加而增加.

圖10 激光搭接焊縫的斷口形貌和C掃描結(jié)果Fig.10 Morphology of fracture surface and C scanning result of laser overlap weld joint

2) ANSYS軟件數(shù)值模擬驗(yàn)證了隨著焊縫寬度的增加斷裂位置從焊縫向最小厚度板轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象.

3) 根據(jù)建立的焊縫寬度和拉剪力關(guān)系，采用超聲C掃描檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)了通過無損測量焊縫寬度來評(píng)價(jià)焊縫強(qiáng)度的目的.

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(責(zé)任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英)

Strength evaluation for laser overlap weld joints of thin plates

LI Yang1, HAN Xiao-hui2, ZHANG Shuang-nan1, LIU Feng3, CAI Gui-xi1

(1. Analysis and Testing Division, Institute of Metal Research of Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. Department of Technology Engineering, CRRC Qingdao Sifang Co.Ltd., Qingdao 266000, China; 3. School of Mechanical Engineering, Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology, Fushun 113001, China)

Aiming at the problem that the strength of laser overlap weld joints of train bodies should be evaluated, the influencing factors and evaluation methods for the strength of weld joints were researched with a method in combination with both experiments and numerical simulation. The numerical simulation was conducted with the software ANSYS, and the phenomenon that the break position changes from the weld joints to the thin plate was verified. The results show that when the weld width is smaller than the thickness of thin plate in two plates, the weld width and shear force approximately show a linear relationship. When the weld width is bigger than the thickness of thin plate, the shear force reaches the maximum value and does not increase with increasing the weld width. In addition, the weld depth and plate gap have no obvious effect on the shear force. According to the established relationship between the weld width and shear force, and the goal of evaluating the strength of weld joints can be realized through measuring the weld width with non-destructive testing.

laser overlap weld joint; shear test; weld width; plate gap; weld depth; shear force; ultrasonic C scanning; non-destructive testing

2016-05-04.

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LR2012011).

李 陽(1988-)，男，河南焦作人，博士生，主要從事超聲導(dǎo)波等方面的研究.

17∶40在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1740.024.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.06

TG 407

A

1000-1646(2017)01-0028-06