王磊，曾泓潤(rùn)，劉小鵬，回麗，叢家慧

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

0 前言

SMA490BW耐候鋼其由于碳含量低，抵抗破壞能力強(qiáng)，具有優(yōu)質(zhì)的抗變形能力和抗腐蝕性能[1-7]，是中國(guó)新一代CRH2型列車轉(zhuǎn)向架主要材料。轉(zhuǎn)向架是高速列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜不能一次性加工成形，只能通過(guò)焊接的形式對(duì)鋼板進(jìn)行組合。但由于焊接缺陷與接頭應(yīng)力集中的存在，使得焊接接頭成為列車轉(zhuǎn)向架的薄弱點(diǎn)。因此，轉(zhuǎn)向架焊接接頭的質(zhì)量直接影響到鐵路車輛的運(yùn)行安全[8]。

隨著中國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架輕量化的同時(shí)還要保證其足夠的疲勞強(qiáng)度，轉(zhuǎn)向架焊接接頭疲勞性能的研究尤為重要[9]。目前，于影霞等人[10]研究了SMA490BW耐候鋼焊接接頭超高周疲勞性能的影響因素，發(fā)現(xiàn)改善應(yīng)力集中、細(xì)化表面層晶粒、引入殘余應(yīng)力對(duì)延長(zhǎng)焊接接頭壽命的貢獻(xiàn)比分別為59%，28%和13%。許良等人[11-12]對(duì)SMA490BW耐候鋼疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與光滑試樣(Kt=1)相比，缺口試樣(Kt=3)疲勞極限減小了61%，T-L取樣方向試樣的疲勞極限較L-T取樣方向高5.4%。何柏林等人[13]對(duì)機(jī)械打磨提高SMA490BW耐候鋼焊接接頭超高周疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)比原始焊態(tài)試樣，經(jīng)機(jī)械打磨的試樣疲勞壽命提升約5倍。但是目前關(guān)于不同打磨方式對(duì)十字接頭疲勞性能的影響研究還較少，而工程上對(duì)焊接接頭打磨方式的選擇還比較隨意，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。文中研究不同打磨方式對(duì)SMA490BW耐候鋼十字接頭疲勞性能的影響，可為工程上采用合理的焊接接頭打磨方式提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用SMA490BW耐候鋼，是進(jìn)口的低合金高強(qiáng)度熱軋耐候鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

表1 SMA490BW耐候鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 SMA490BW耐候鋼的力學(xué)性能

1.2 焊接工藝及焊接接頭試樣尺寸

焊接所用原始鋼板尺寸為300 mm×150 mm×12 mm。采取MAG熔化焊進(jìn)行十字接頭的焊接，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，選用CHW55-CNH焊絲，焊絲直徑1.6 mm。

圖1為十字接頭試樣具體結(jié)構(gòu)。對(duì)焊趾處進(jìn)行簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨得到不同的打磨試樣，焊趾處示意圖如圖2所示。

圖1 SMA490BW耐候鋼十字接頭試樣結(jié)構(gòu)

圖2 SMA490BW焊趾處示意圖

1.3 試驗(yàn)過(guò)程與方法

采用QBG-100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，參照GB 3075—82《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為室溫空氣，應(yīng)力比R=-1，正弦波加載。

采用Merlin Compact型掃描電子顯微鏡對(duì)SMA490BW耐候鋼十字焊接頭進(jìn)行斷口觀察。

根據(jù)試驗(yàn)件外形輪廓建立模型，在不考慮焊接缺陷與殘余應(yīng)力的影響下，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)SMA490BW耐候鋼十字焊接頭進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)。對(duì)于焊趾處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離焊趾處可適當(dāng)增大網(wǎng)格以減小模型規(guī)模，劃分的有限元網(wǎng)格如圖3所示。設(shè)置模型的邊界條件為試樣左端完全固定，右端施加50 MPa的均勻拉伸載荷[14]。

圖3 十字接頭有限元網(wǎng)格

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 打磨方式對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響

圖4為根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在50%存活率下90%置信度，采用最小二乘法進(jìn)行擬合得到的SMA490BW耐候鋼不同打磨方式下的S-N曲線，表3為不同打磨方式對(duì)應(yīng)的S-N曲線關(guān)系方程。從圖4可以看出，簡(jiǎn)單打磨試樣與過(guò)渡圓弧打磨試樣的S-N曲線均位于未打磨試樣的上方，不同應(yīng)力水平條件下過(guò)渡圓弧打磨試樣的疲勞壽命最高，簡(jiǎn)單打磨試樣次之，未打磨試樣最差。未打磨試樣疲勞極限約為70.6 MPa，簡(jiǎn)單打磨試樣約為98.6 MPa，過(guò)渡圓弧打磨試樣提高到約104.4 MPa。簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨相對(duì)比未打磨試樣的疲勞極限分別提高39.7%和47.9%。以上說(shuō)明打磨質(zhì)量越好，試樣的疲勞壽命越好，疲勞極限越高。

表3 S-N曲線方程

圖4 不同打磨方式S-N曲線對(duì)比

2.2 疲勞斷口形貌

圖5為不同試樣裂紋源形貌，未打磨試樣斷口上存在多個(gè)裂紋源，簡(jiǎn)單打磨與過(guò)渡圓弧打磨裂紋萌生于焊趾表面，裂紋萌生部位減少。由此可見，不同方式打磨改善了焊趾表面質(zhì)量，降低了由表面缺陷導(dǎo)致的焊趾裂紋萌生概率。圖6為不同試樣擴(kuò)展區(qū)疲勞斷口形貌，不同打磨方式擴(kuò)展區(qū)均可清晰觀察到疲勞條帶，簡(jiǎn)單打磨與過(guò)渡圓弧打磨試樣擴(kuò)展區(qū)較為平整，未打磨試樣擴(kuò)展區(qū)由于多個(gè)裂紋源萌生出的裂紋不在同一平面，裂紋交匯處可以看到臺(tái)階狀與脊?fàn)钚螒B(tài)，形貌相對(duì)較為粗糙。圖7為不同試樣瞬斷區(qū)疲勞斷口形貌，均表現(xiàn)為尺寸大小各不相同的等軸韌窩，大韌窩周圍密集分布著小韌窩，表現(xiàn)為典型的韌性斷裂特征。

圖5 不同打磨方式裂紋源

圖6 不同打磨方式擴(kuò)展區(qū)

圖7 不同打磨方式瞬斷區(qū)

2.3 打磨方式對(duì)焊趾處應(yīng)力集中的影響

觀察不同打磨方式試樣的焊趾區(qū)幾何形狀，如圖8所示。圖8a中未打磨試樣的焊趾過(guò)渡較為尖銳，過(guò)渡圓弧半徑較??；圖8b中簡(jiǎn)單打磨試樣焊趾處過(guò)渡半徑略有增大；圖8c中過(guò)渡圓弧打磨試樣實(shí)現(xiàn)了焊縫與母材之間平滑過(guò)渡，且焊趾過(guò)渡半徑明顯增大。

圖8 SMA490BW耐候鋼不同打磨狀態(tài)試驗(yàn)件

圖9為未打磨、簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨試樣的主應(yīng)力云圖。應(yīng)力集中系數(shù)為焊趾處最大應(yīng)力與所在截面平均應(yīng)力之比[15]。通過(guò)計(jì)算得到未打磨、簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨的應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.558，1.402和1.297。對(duì)比未打磨接頭，簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨接頭的應(yīng)力集中系數(shù)分別降低了10.0%和16.8%。

圖9 焊接接頭主應(yīng)力云圖

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出打磨質(zhì)量越高應(yīng)力集中系數(shù)越小，這是因?yàn)榇蚰ヌ幚砜梢韵砻嫒毕?如魚鱗紋、凹坑、小咬邊等)，并使焊趾處平滑過(guò)渡，從而降低應(yīng)力集中和裂紋萌生概率，明顯提高焊接接頭的疲勞性能。從試驗(yàn)件斷裂位置可以發(fā)現(xiàn)，斷裂均位于焊趾區(qū)域，打磨雖可以一定程度降低焊趾處的應(yīng)力集中，但并不能完全消除，焊趾區(qū)域仍然存在較大的應(yīng)力集中，屬于疲勞破壞的薄弱部分。

3 結(jié)論

(1)未打磨試樣疲勞極限約為70.6 MPa，簡(jiǎn)單打磨試樣約為98.6 MPa，過(guò)渡圓弧打磨試樣約為104.4 MPa。簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨對(duì)比未打磨的疲勞極限分別提高39.7%和47.9%。

(2)未打磨試樣斷口上存在多個(gè)裂紋源，簡(jiǎn)單打磨與過(guò)渡圓弧打磨裂紋萌生位置減少，打磨改善了焊接接頭表面質(zhì)量從而提高疲勞壽命，不同打磨方式試樣均為韌性斷裂。

(3)未打磨、簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨試樣的應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.558，1.402和1.297。簡(jiǎn)單打磨和過(guò)渡圓弧打磨試樣的應(yīng)力集中系數(shù)分別降低了10.0%和16.8%，對(duì)焊接接頭的疲勞壽命提高起關(guān)鍵作用。