TIG重熔技術對低地板客車軸橋接頭疲勞性能的影響

張 敏，王文先

(1.太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司 理化檢定中心，

山西 太原 030024)

0 引言

低地板客車是20世紀90年代在歐洲興起的車輛形式，具體是指對原有車軸的設計理念進行了改變，通過中間的型鋼部分與分體軸頭的焊接連接，實現“變軸為橋”，大幅降低了車廂高度，車廂距離地面高度可降至30 cm左右，可以實現沿路無站臺直接停靠和乘客的無障礙乘車。因此該設計理念一經推出即得到了迅速推廣，為歐洲、美國等當今世界最先進的城市交通系統所采用，該類型軌道交通車輛也得到了大量生產。

1 技術背景

焊接是低地板客車實現“變軸為橋”的關鍵工序，在低地板客車軸橋的生產過程中，存在不同類型的焊縫，這些接頭的性能直接影響軸橋產品的使用壽命甚至安全性和可靠性。由于焊接過程的熱行為復雜，且焊趾處容易有咬邊、細微缺陷和應力集中等問題，在交變載荷下這些因素極易導致焊縫疲勞裂紋的萌生、發展進而失效。常規處理手段如打磨和補焊效率低、效果差且成本較高[1]。

TIG焊重熔就是將已經完成焊接的接頭用TIG焊對焊趾部位重熔，以改善焊縫表面狀態，使母材與焊縫平滑過渡、消除焊趾處微小缺陷、改善接頭應力集中的焊后焊縫處理方法。TIG焊重熔技術可以低成本地、有效地提高焊接接頭的疲勞性能，延長焊接結構的使用壽命，該技術在焊接結構生產上的推廣和應用具有重要的意義[2]。

2 工藝方法

焊接接頭及焊道安排如圖1所示。

圖1 焊接接頭示意圖

軸橋采用ISO15350∶2000標準的EA4T和EN10025-3∶2004標準的S355ML兩種材料進行焊接，材料機械性能如表1所示，焊接工藝規范如表2所示。

表1 原材料的力學性能

表2 焊接工藝規范

3 試驗過程

3.1 組織觀察

對接頭各區域做500倍下的金相試驗，各區組織照片如圖2所示。由圖2可見，重熔區的晶粒細化明顯。接頭各區域金相組織如表3所示。

表3 接頭各區域金相組織

圖2 接頭各區域500倍下組織照片

3.2 硬度試驗

接頭各區域顯微硬度測試位置如圖3所示。1～3在焊縫區域，4、5在重熔區與焊縫的過渡區域，6在重熔區與母材的過渡區域。

圖3 顯微硬度測試位置

接頭各區域的顯微硬度測試結果如表4所示。

由表4中數據可知：重熔區與母材過渡處6的硬度要比焊縫與母材過渡處3的硬度高，重熔區與焊縫過渡處5的硬度也比焊縫與母材過渡處3的硬度高，這是因為重熔區附近冷卻速度較大，導致重熔區域的強度和硬度均有所增加。雖然部分區域硬度值有所升高，但是低于接頭性能惡化的極限硬度值(HV10硬度值300)，所以重熔后局部硬度升高不會使接頭的裂紋傾向增大，而是使強度和韌性升高[3]。

表4 顯微硬度試驗結果 HV10

3.3 紅外熱成像疲勞試驗

金屬材料在受到外力產生彈性變形時會產生熱彈性效應，即在彈性拉伸時溫度會降低，彈性壓縮時溫度會升高。而在受到外力產生塑性變形時，大部分會導致材料的溫度升高，將外力做的功轉化為內能。因此，在對金屬材料進行力學試驗時，可以通過監測試件溫度的變化來判斷其變形量、變形速率以及裂紋的萌生與擴展等行為[4]。

采用紅外熱成像儀監測疲勞行為時的溫度變化進而判斷疲勞行為是一種較先進的方法，本試驗即利用該設備在疲勞試驗中測量整個試樣表面的溫度情況，對角接接頭(重熔和不重熔)的疲勞行為進行直觀觀察，得出材料的疲勞壽命、疲勞裂紋萌生擴展、疲勞加載溫度演變相關的結論。

參照相關標準進行試樣制備及三點彎曲加載，疲勞試驗試樣如圖4所示。疲勞試驗設備采用HUF-2020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%。

圖4 疲勞試驗試樣

疲勞試驗加載參數及接頭疲勞性能如表5所示。

表5 疲勞試驗加載參數及接頭疲勞性能

角接接頭(不重熔)不同應力狀態下的循環次數-溫度曲線對比如圖5所示。

圖5 角接接頭(不重熔)不同應力狀態下循環次數—溫度曲線

通過對角接接頭(不重熔)在不同應力(41.6 MPa和25 MPa)下的疲勞曲線進行研究可以發現：應力較高的加載情況下，接頭的升溫速度較快，且由于應力較大，約10 000次加載時即萌生疲勞裂紋，從疲勞裂紋萌生到擴展經歷了約38 000次循環加載，在疲勞裂紋擴展至塑性消失時，溫度即開始下降，直至加載至90 000次左右完全斷裂，溫度也隨著彈性的消失而逐漸下降；應力較低條件下，試樣加載至100 000次左右時，溫度上升速度突增，此時疲勞裂紋開始萌生，且由于應力較低，疲勞裂紋擴展較慢，熱量積聚導致溫度上升較高，最終加載至330 000次時才達到徹底斷裂。

角接接頭(重熔)不同應力狀態下的循環次數—溫度曲線對比如圖6所示。

圖6 角接接頭(重熔)不同應力狀態下循環次數—溫度曲線

通過對角接接頭(重熔)在不同應力(41.6 MPa和25 MPa)下的疲勞曲線進行研究可以發現：應力較高的加載情況下，接頭的初始升溫速度較快，且由于應力較大，開始加載時即萌生疲勞裂紋，從疲勞裂紋萌生到擴展經歷了約80 000次循環加載，在疲勞裂紋擴展至塑性消失時，溫度即開始下降，直至加載至190 000次左右完全斷裂，溫度也隨著彈性的消失而逐漸下降；應力較低條件下，試樣加載至550 000次疲勞裂紋開始萌生，且由于應力較低，疲勞裂紋擴展較慢，熱量積聚導致溫度上升較高，最終加載至約620 000次時才達到完全斷裂。

通過對角接接頭(不重熔)和角接接頭(重熔)在不同應力(41.6 MPa和25 MPa)下的疲勞曲線(見圖7)的研究可以發現，較低應力和較高應力的加載條件下，經過TIG重熔的角接接頭，其疲勞壽命都有了明顯提高，且疲勞最高溫度也高于不重熔的接頭，說明加載過程中產生的彈性能較大，從側面說明了其具有較好的疲勞性能。

圖7 多種變量下的循環次數—溫度曲線

3.4 角接接頭疲勞斷口掃描電鏡觀察

采用SEM掃描電鏡對角接接頭疲勞斷口進行分析，研究不同接頭和焊趾處理情況的疲勞斷裂過程，得到的結果如圖8、圖9所示。

圖8 角接接頭(不重熔)疲勞斷口

圖9 角接接頭(重熔)疲勞斷口

對于各個接頭疲勞斷口形貌分析：裂紋起源一般為微小缺陷或應力集中部位，在循環加載下從起裂源開始發生裂紋的擴展；疲勞裂紋擴展區的斷口，紋路較清晰、光亮細致如河流狀，裂紋為單條、平直狀，且裂尖尖銳，間隙較小，顏色同本體材料，疲勞裂紋擴展區斷口較為平直，附近殘留的塑性變形較小，擴展方向垂直于主正應力；最終瞬斷區為斷口右側的纖維狀并含剪切唇的變形區域，此區域的斷口無金屬光澤，裂紋前沿線呈弧形狀，疲勞裂紋擴展區和最終瞬斷區以此分界，同時，與不重熔角接接頭相比，重熔后的角接接頭在斷裂時表現為韌性較好、斷口呈撕裂狀，結合疲勞壽命分析，角接接頭疲勞性能顯著提高，表現為韌性斷裂[5]。

4 結論

(1) 通過對焊趾處有限深度的重熔，改善了焊趾處的形狀并使其圓滑，減小了應力集中，接頭疲勞性能顯著提高，焊接結構使用壽命預期也將提高。

(2) 重熔后晶粒細化。

(3) 接頭硬度略有提高，但接頭不會因此出現脆性斷裂的現象。

(4) 重熔后的角接接頭在斷裂時表現為韌性較好、斷口呈撕裂狀，疲勞壽命明顯上升。

(5) TIG重熔技術成本較低、效率較高、效果顯著、操作便捷，在低地板客車軸橋的生產中有廣闊的應用前景。