焊后處理工藝對Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能的影響

陳大慶，陳增有，馬清波，許鴻吉

(1.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002;2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著我國鐵路運輸的第六次大提速，客運平均可以達到160 km/h，貨運也可以達到120 km/h，而焊接構架式轉向架是我國高速貨車必然采用的走行部技術模式［1］.轉向架焊接構架不僅是鐵道車輛鋼結構中的主要構件，也是負載條件特別苛刻的零部件，在車輛運行過程中，承受各安裝部件的工作載荷以及牽引，制動和慣性力［2-3］.

眾所周知，疲勞破壞是焊接結構破壞的重要形式.統計資料表明，由于疲勞而失效的金屬結構，約占失效結構的90%［4-5］.由于在焊趾處具有應力集中、焊接缺陷和焊接殘余應力，焊接接頭的疲勞斷裂主要從焊趾部位開裂，接頭處焊趾的形狀對疲勞性能有較大影響［6-8］.大量運用實踐表明焊接接頭的疲勞強度問題相當突出，已嚴重制約結構的安全可靠及耐久運用，故對焊接結構的疲勞強度分析和優化得到了極為廣泛的關注與重視［9-10］.本文以Q345E低合金鋼為對象，研究焊趾不處理、焊趾打磨、焊趾噴丸、焊趾打磨+噴丸處理對焊接接頭疲勞性能的影響.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為Q345E低合金結構鋼，熱軋狀態供貨.選用SM-70焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，保護氣體為80%Ar+20%CO2.其化學成分、力學性能分別見表1、表2.

表1 試驗材料的化學成分 %

表2 試驗材料的力學性能

1.2 試驗方法

對機械加工的K型坡口Q345E低合金鋼角接接頭進行三點彎曲疲勞試驗，試件寬為25 mm.試驗設備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機.技術規格為靜態負荷精度±1%，動負荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±2%，循環應力比R=0.1，指定循環壽命取2×106次.

2 試驗結果及分析處理

2.1 焊趾不處理

由升降法確定焊趾不處理K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的疲勞極限，有4級應力水平，有效試件數18個，有7個字樣對，結果如圖1所示.

圖1 焊趾不處理條件疲勞極限升降圖

由升降法確定的焊趾不處理K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的中值疲勞極限為:

最終確定的焊趾不處理K型(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(應力比R=0.1)的中值S-N曲線如圖2所示.

圖2 焊趾不處理S-N曲線

圖3 焊趾打磨處理條件疲勞極限升降圖

2.2 焊趾打磨試驗結果及分析

通過升降法確定焊趾打磨K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的疲勞極限，有6級應力水平，有效試件數15個，有7個子樣對，其結果如圖3所示.

由升降法確定的焊趾打磨K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的中值疲勞極限為:

最終確定的焊趾打磨K型(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(應力比R=0.1)的中值S-N曲線如圖4所示.

圖4 焊趾打磨S-N曲線

2.3 焊趾噴丸試驗結果及分析

通過配對如圖5升降法確定焊趾噴丸處理K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的疲勞極限，有6級應力水平，有效試件數12個，共有4個子樣對.

圖5 焊趾噴丸處理條件疲勞極限升降圖

由升降法確定的焊趾噴丸處理K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的中值疲勞極限為:

最終確定的焊趾噴丸K型(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(應力比R=0.1)的中值S-N曲線如圖6所示.

圖6 焊趾噴丸S-N曲線

2.4 打磨+噴丸試驗結果及分析

通過升降法確定焊趾打磨+噴丸K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的疲勞極限，有4級應力水平，有效試件數12個，共有6個子樣對，其結果如圖7所示.

圖7 焊趾打磨+噴丸處理條件疲勞極限升降圖

由升降法確定的焊趾打磨+噴丸處理K型(機械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環下的中值疲勞極限為:

最終確定的焊趾打磨+噴丸K型(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(應力比R=0.1)的中值S-N曲線如圖8所示.

圖8 焊趾打磨+噴丸S-N曲線

2.5 焊趾不處理、打磨、噴丸、打磨+噴丸對比

圖9是Q345E低合金鋼焊趾不同處理方法K型(機械加工坡口)角接接頭中值S-N曲線的對比.可以看出:三點彎曲疲勞試驗確定的指定壽命為2×106次的中值疲勞強度σ0.1:焊趾不處理K型(機械加工坡口)角接接頭為145.2 MPa，焊趾打磨K型(機械加工坡口)角接接頭為164.2 MPa，焊趾噴丸K型(機械加工坡口)角接接頭為180.6 MPa，焊趾打磨 +噴丸 K型(機械加工坡口)角接接頭為203.7 MPa，焊趾打磨、焊趾噴丸和焊趾打磨+噴丸處理分別比焊趾不處理提高了19、35.4 和58.5 MPa.可見，焊接接頭焊后細節處理工藝對焊接接頭疲勞性能的影響十分顯著，焊趾打磨和焊趾噴丸均是提高焊接接頭疲勞性能的重要手段，而焊趾打磨+噴丸處理這種綜合處理時效果最佳.

圖9 S-N曲線對比

3 結論

(1)由三點彎曲疲勞試驗確定的Q345E低合金鋼T型接頭指定壽命為2×106次的中值疲勞強度，焊趾不處理、打磨、噴丸、打磨+噴丸K型角接接頭分別為 145.2、164.2、180.6、203.7 MPa.

(2)焊接接頭焊后細節處理工藝對焊接接頭疲勞性能的影響十分顯著，焊趾打磨和焊趾噴丸均是提高焊接接頭疲勞性能的重要手段，而焊趾打磨+噴丸處理這種綜合處理時效果最佳.

［1］胡毓仁，陳伯真.船舶及海洋結構疲勞可靠性分析［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］機械工業技師考評培訓教材編審委員會.焊工技師培訓［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［3］中國機械工程焊接學會.焊工手冊［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［4］方洪淵.焊接結構學［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［5］李沛，傅茂海.我國高速貨車轉向架發展模式［J］.中國鐵路，2001(5):12-15.

［6］張毅，黃小平.對接接頭焊趾應力集中有限元分析［J］.船舶力學，2004(5):91-99.

［7］MIKI C，ANAMI K，TANI H.Fatigue strength improvement methods by treating the weld toe［J］.Welding Journal，1999，13(10):795-803.

［8］HOBBACHER A.Recommendations for fatigue design of welded joints and components(First draft for development)［M］.ⅡW DocumentⅩⅢ-1593-96/ⅩⅤ-845-96，Germany:Hobbacher A，2002:88-98.

［9］霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［10］GURNEY T R.Cumulative damage of welded joints［M］.Cambridge:Abington Publishing，2006.