電阻點焊接頭鹽霧腐蝕后疲勞性能研究

毛星原，吳振華，郁志凱

中車唐山機車車輛有限公司 河北唐山 064000

1 序言

如果一輛鐵路客車外觀質量很差，特別是外露結構表面有明顯的波浪紋和凹凸不平感，甚至在光線作用下，存在時隱時現、雜亂的反光效果，那么即使客車內的設施再完備、再先進也將無法獲得用戶的青睞。為了避免以上問題發生，電阻點焊作為一種重要的焊接應用技術，越來越受到鐵路車輛制造商的青睞，該焊接方法可以有效解決焊接變形，避免上述問題發生。與此同時，焊接自動化為點焊技術的快速發展奠定了基礎[1]。

國內鐵路車輛常用的鋼板規格主要分為2mm、2.5mm、3mm三種，Q310NQL2+Q345NQR2材質搭配是其常見的設計組合，焊接方法基本采用變形量很小的電阻點焊[2]。電阻點焊屬于搭接結構，因為搭接面無法實現焊后的表面處理，所以焊前必須選擇合適的工藝進行表面處理。噴砂工藝為單一工序，效率高、經濟性好，不僅可以有效去除零件表面油污、焊接熔粒及焊接氧化層等，而且噴砂后鋼材表面得到清潔，材料表面力學性能還可得到改善，因此一般鐵路車輛制造商在電阻點焊前均對鋼材進行噴砂處理[3-5]。由于車輛運營周期內各種工況及環境較為復雜，電阻點焊特殊的搭接結構又導致焊后無法對搭接位置進行防腐處理，而腐蝕又對焊接接頭疲勞性能有一定影響，所以系統地開展經噴砂處理后母材的電阻點焊接頭腐蝕對疲勞性能影響的研究顯得尤為重要。該研究對指導實際生產、改進鐵路車輛焊接結構及工藝設計、提升電阻點焊整體技術水平具有很重要的現實意義。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

試驗材料為板厚2.5mm的Q310NQL2鋼及板厚3mm的Q345NQR2鋼，對試驗材料表面進行噴砂處理后進行電阻點焊試驗。試驗材料的化學成分及力學性能分別見表1～表4。

表1 Q310NQL2鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 Q310NQL2鋼的力學性能

表3 Q345NQR2鋼的化學成分（質量分數） （%）

表4 Q345NQR2鋼的力學性能

2.2 試驗方法

對經過表面噴砂處理的Q 3 1 0 N Q L 2+Q345NQR2鋼板進行電阻點焊工藝試驗，與工廠現車制造工藝相同，其焊接參數見表5，試件尺寸如圖1所示。焊后試件按照中車唐山機車車輛有限公司內部企業標準進行外觀、平滑度及斷面檢測。

表5 電阻點焊焊接參數

焊后對接頭進行鹽霧腐蝕和脈動拉伸疲勞試驗。

（1）鹽霧腐蝕試驗 選用乙酸鹽霧（ASS）對電阻點焊接頭進行鹽霧腐蝕試驗，試驗周期為48h、1000h。鹽霧腐蝕試驗中所使用試樣的尺寸為138mm×60mm（見圖1）。

圖1 電阻點焊工藝試驗試件尺寸

（2）脈動拉伸疲勞試驗 對未經鹽霧腐蝕的電阻點焊接頭和經48h、1000h鹽霧腐蝕的電阻點焊接頭分別進行脈動拉伸疲勞試驗。脈動拉伸疲勞試驗按照ISO 14324：2003《電阻點焊 焊縫的有損檢驗點焊焊縫的疲勞試驗法》的要求進行試件加工，并按照該標準規定進行試驗，應力比R=0.1，指定循環壽命取1×107次。在試驗過程中，當疲勞裂紋尺寸足夠大而導致載荷加不上去時，可自動卸載停振，并記錄循環次數。墊板厚度與相應母材厚度一致。采用JSM-6360LV型掃描電鏡對疲勞斷口進行微觀形貌分析。

3 試驗結果及分析

3.1 接頭疲勞性能對比

電阻點焊接頭F-N曲線對比如圖2所示，按常規方法確定F-N曲線和由升降法確定的1×107次循環下的疲勞極限，最終確定的未經鹽霧腐蝕及經48h、1000h鹽霧腐蝕的Q310NQL2+Q345NQR2電阻點焊接頭疲勞極限F0.1分別為4.55kN、3.71kN、3.87kN。

圖2 電阻點焊接頭F-N曲線對比

由此可看出，未經鹽霧腐蝕的接頭疲勞極限較高，經鹽霧腐蝕的接頭疲勞極限較低；經48h與1000h鹽霧腐蝕接頭的疲勞極限相差不大。

3.2 斷口分析

未經鹽霧腐蝕及經48h、1000h鹽霧腐蝕的Q310NQL2+Q345NQR2電阻點焊接頭疲勞試件的疲勞斷口宏觀形貌如圖3～圖5所示，微觀形貌如圖6～圖8所示。

圖3 未經鹽霧腐蝕的點焊接頭疲勞試件

圖5 經1000h鹽霧腐蝕的點焊接頭疲勞試件

圖6 未經鹽霧腐蝕電阻點焊接頭疲勞斷口微觀形貌

圖8 經1000h鹽霧腐蝕的電阻點焊接頭疲勞斷口微觀形貌

圖4 經48h鹽霧腐蝕的點焊接頭疲勞試件

圖7 經48h鹽霧腐蝕的電阻點焊接頭疲勞斷口微觀形貌

由此可看出，未經鹽霧腐蝕及經48h、1000h鹽霧腐蝕后的電阻點焊接頭試件起裂區無缺陷，沒有明顯起裂源。因為試件受剪切和拉伸兩種應力，根據試件的受力狀態，熔核處沿試件長度方向存在應力集中，且熔核為圓形，熔合區組織分布不均，所以最初在熔合區因應力集中而起裂；從圖6a可看出，熔合區起裂處有明顯的起伏，這是因為裂紋從初始位置啟裂后沿著熔合線擴展，并在擴展一定長度后，由于應力集中、缺口等因素形成新的裂紋源向著母材擴展，因此最終斷裂。由于疲勞斷口擴展時中斷較少，所以疲勞裂紋擴展區沒有明顯的疲勞輝紋；擴展區的大小隨疲勞循環次數的增加而增大；終斷區呈剪切韌窩+解理形態，韌窩較大。試件斷裂處無缺陷，因此可知應力集中是斷裂的主要原因。

4 結束語

1）對經過表面噴砂處理的Q 3 1 0 N Q L 2+Q345NQR2鋼進行電阻點焊工藝試驗，未經鹽霧腐蝕及經48h、1000h鹽霧腐蝕的電阻點焊接頭指定壽命為1×107次的疲勞極限F0.1分別為4.55kN、3.71kN、3.87kN。由此可知，未經鹽霧腐蝕的點焊接頭疲勞極限較高，經鹽霧腐蝕的點焊接頭疲勞極限較低；經過48h與1000h鹽霧腐蝕的點焊接頭疲勞極限相差不大。

2）所有疲勞斷裂試件均起裂于熔合區，擴展區隨著循環次數增加而增大，終斷區呈現剪切韌窩形態。