預(yù)拉伸對(duì)不銹鋼電阻點(diǎn)焊接頭疲勞壽命的影響

朱國(guó)仁，龐立林，朱慨迅，楊明，王洪瀟

(1.吉林大學(xué),長(zhǎng)春 130022；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062)

0 前言

電阻點(diǎn)焊以其生產(chǎn)效率高、簡(jiǎn)單易操作等特點(diǎn)，普遍應(yīng)用在軌道交通客車與汽車的生產(chǎn)中[1]。焊點(diǎn)的強(qiáng)度對(duì)于車身體結(jié)構(gòu)的各種性能起到至關(guān)重要的作用[2]。因此較好的焊接接頭質(zhì)量是提升客車和汽車安全性和可靠性的重要途徑。而在實(shí)際焊接過程中，接頭處往往伴隨著殘余應(yīng)力問題[3-4]，若焊接殘余應(yīng)力與疲勞載荷疊加后在材料表面形成拉應(yīng)力，則不利于構(gòu)建的疲勞強(qiáng)度[5]。

文中施加預(yù)拉載荷的方式能夠調(diào)整殘余應(yīng)力，通過試驗(yàn)?zāi)軌虻贸鲱A(yù)拉載荷的最優(yōu)選取區(qū)間，將不銹鋼電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命從有限壽命區(qū)提升至無(wú)限壽命區(qū)[6-7]。

1 試樣規(guī)格

標(biāo)準(zhǔn)接頭試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗(yàn)參數(shù)見表1。試樣由兩塊長(zhǎng)150 mm、寬50 mm、厚度不同的不銹鋼鋼板通過電阻點(diǎn)焊焊接而成。為防止由于焊接板不等厚而導(dǎo)致在疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生偏心現(xiàn)象，在焊接板兩側(cè)焊有墊板，從而實(shí)現(xiàn)受力均勻[8]。

圖1 試樣及試樣形狀

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2 預(yù)拉載荷對(duì)疲勞壽命的影響

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為：WDW—200型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，載荷示值誤差≤±1%；疲勞試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為：LPJ—20E-2型高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)，載荷示值誤差≤±1%。

選取1，2兩組試樣，在室溫空氣介質(zhì)中進(jìn)行，等幅正弦曲線變化的剪切拉壓，試驗(yàn)應(yīng)力比為0.1，試驗(yàn)頻率為100～150 Hz，將1×107默認(rèn)為疲勞極限壽命次數(shù)[9]。

2.2 疲勞試驗(yàn)載荷水平的選取

(1)

(2)

這一載荷水平下不銹鋼電阻點(diǎn)焊的疲勞壽命散差較小，因此各組疲勞測(cè)試進(jìn)行兩次試驗(yàn)即可作為解釋性試驗(yàn)。

2.3 預(yù)拉伸試驗(yàn)的具體方法

試件在疲勞試驗(yàn)機(jī)上安裝好后，進(jìn)行預(yù)拉伸，持續(xù)時(shí)間為1 min；隨后將載荷卸載為0，進(jìn)行疲勞測(cè)試，后文采用的名詞均用符號(hào)代替，不再贅述。

226 Application of extreme learning machine model in prediction of hand-foot-and-mouth disease incidence in Zhangjiakou city

2.4 未進(jìn)行預(yù)拉伸試樣的疲勞壽命

1，2號(hào)試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 未拉伸試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以看出雖然兩組試樣的中值疲勞壽命相差數(shù)倍，但二者疲勞壽命均在中短壽命區(qū)內(nèi)。說明給定的Pmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過疲勞極限。又由于電阻點(diǎn)焊工藝性已經(jīng)趨于成熟，在高載荷水平下散差較小，因此當(dāng)疲勞壽命增加時(shí)能夠更好的表現(xiàn)出預(yù)拉伸載荷對(duì)疲勞壽命大小的影響。

2.5 預(yù)拉伸試樣的疲勞壽命

表3 1號(hào)試樣拉伸后試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 2號(hào)試樣拉伸后試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 預(yù)拉力對(duì)疲勞壽命影響分析及其選取范圍

圖2 載荷-壽命曲線圖

分析原因，在交變應(yīng)力作用下，接頭內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，殘余應(yīng)力發(fā)生松弛[10-11]。而當(dāng)T>Pmax時(shí)，殘余應(yīng)力提前產(chǎn)生更大程度的釋放，從而提高疲勞壽命。而在預(yù)拉載荷增大到一定程度后對(duì)焊接接頭的機(jī)械性造成了破壞，反而減少焊接接頭應(yīng)有的疲勞壽命。

當(dāng)T達(dá)到55%以上時(shí)兩焊接板將出現(xiàn)分離現(xiàn)象,這一現(xiàn)象隨著T的增大更加明顯，如圖3所示，且將T卸載后形狀無(wú)法恢復(fù)，對(duì)接頭外形、尺寸及其他各方面性能有極大的影響。因此50%左右為最優(yōu)區(qū)間，能夠最大程度提升疲勞壽命。

圖3 試件變形圖

3 殘余應(yīng)力測(cè)試

疲勞測(cè)試中，殘余應(yīng)力作為平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生影響。點(diǎn)焊時(shí)由于溫度梯度的影響，中央部分存在顯著熱膨脹現(xiàn)象，但由于受到四周巨大的束縛力，使之發(fā)生塑性壓縮.冷卻后，中央部分將在徑向上產(chǎn)生接近于屈服極限的殘余拉應(yīng)力。傳統(tǒng)點(diǎn)焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布如圖4[11]所示。

圖4 殘余應(yīng)力分布圖

在預(yù)拉過程中，圓形分布的殘余應(yīng)力會(huì)隨受力方向發(fā)生變化，即從圓形分布變?yōu)橐允芰Ψ较騒軸為長(zhǎng)軸的橢圓形，殘余應(yīng)力與外載荷疊加，產(chǎn)生塑性變形，而在Y方向上，受力影響較小且發(fā)生均勻變化，但由于為限制X方向上變形也會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變從而減小拉應(yīng)力，因此需要同時(shí)測(cè)定兩個(gè)方向上的殘余應(yīng)力，如圖5所示。目前較為先進(jìn)的X射線衍射法[12-15]只能測(cè)得表面位置的殘余應(yīng)力，因此為測(cè)得更準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力分布，采用鉆孔法更為合理。

圖5 焊點(diǎn)位置拉伸過程示意圖

(3)

(4)

式中：A取-0.46；B取-0.79[11]。

圖6 殘余應(yīng)力測(cè)試試樣

表5 各方向殘余應(yīng)力

焊態(tài)試件X，Y方向上殘余拉應(yīng)力在600 MPa以上，對(duì)接頭疲勞壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。預(yù)拉伸后，X方向殘余拉應(yīng)力降至67 MPa，而X方向也是疲勞試驗(yàn)中交變載荷的方向，因此疲勞極限大幅提升；Y方向上，殘余應(yīng)力下降至1/3也是提高疲勞壽命的另一保障。

4 結(jié)論

(3)在選取最優(yōu)區(qū)間的預(yù)拉載荷后，焊點(diǎn)內(nèi)部殘余拉應(yīng)力在受力方向減小較多，能夠低于100 MPa，垂直受力方向也能夠降至1/3。