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        焊后處理工藝對(duì)Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能的影響

        2012-07-02 03:26:28陳大慶陳增有馬清波許鴻吉

        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(zé)任公司,黑龍江 齊齊哈爾 161002;2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

        0 引言

        隨著我國鐵路運(yùn)輸?shù)牡诹未筇崴?,客運(yùn)平均可以達(dá)到160 km/h,貨運(yùn)也可以達(dá)到120 km/h,而焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架是我國高速貨車必然采用的走行部技術(shù)模式[1].轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架不僅是鐵道車輛鋼結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件,也是負(fù)載條件特別苛刻的零部件,在車輛運(yùn)行過程中,承受各安裝部件的工作載荷以及牽引,制動(dòng)和慣性力[2-3].

        眾所周知,疲勞破壞是焊接結(jié)構(gòu)破壞的重要形式.統(tǒng)計(jì)資料表明,由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu),約占失效結(jié)構(gòu)的90%[4-5].由于在焊趾處具有應(yīng)力集中、焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)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(duì)疲勞性能有較大影響[6-8].大量運(yùn)用實(shí)踐表明焊接接頭的疲勞強(qiáng)度問題相當(dāng)突出,已嚴(yán)重制約結(jié)構(gòu)的安全可靠及耐久運(yùn)用,故對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析和優(yōu)化得到了極為廣泛的關(guān)注與重視[9-10].本文以Q345E低合金鋼為對(duì)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(duì)焊接接頭疲勞性能的影響.

        1 試驗(yàn)材料及方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)材料為Q345E低合金結(jié)構(gòu)鋼,熱軋狀態(tài)供貨.選用SM-70焊絲,焊絲直徑為1.2 mm,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2.其化學(xué)成分、力學(xué)性能分別見表1、表2.

        表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

        表2 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

        1.2 試驗(yàn)方法

        對(duì)機(jī)械加工的K型坡口Q345E低合金鋼角接接頭進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),試件寬為25 mm.試驗(yàn)設(shè)備為PLG-100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī).技術(shù)規(guī)格為靜態(tài)負(fù)荷精度±1%,動(dòng)負(fù)荷平均波動(dòng)度±1%,動(dòng)負(fù)荷振幅波動(dòng)度±2%,循環(huán)應(yīng)力比R=0.1,指定循環(huán)壽命取2×106次.

        2 試驗(yàn)結(jié)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(jī)械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環(huán)下的疲勞極限,有4級(jí)應(yīng)力水平,有效試件數(shù)18個(gè),有7個(gè)字樣對(duì),結(jié)果如圖1所示.

        圖1 焊趾不處理?xiàng)l件疲勞極限升降圖

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

        最終確定的焊趾不處理K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭三點(diǎn)彎曲疲勞(應(yīng)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?xiàng)l件疲勞極限升降圖

        2.2 焊趾打磨試驗(yàn)結(jié)果及分析

        通過升降法確定焊趾打磨K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環(huán)下的疲勞極限,有6級(jí)應(yīng)力水平,有效試件數(shù)15個(gè),有7個(gè)子樣對(duì),其結(jié)果如圖3所示.

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

        最終確定的焊趾打磨K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭三點(diǎn)彎曲疲勞(應(yīng)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(yàn)結(jié)果及分析

        通過配對(duì)如圖5升降法確定焊趾噴丸處理K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環(huán)下的疲勞極限,有6級(jí)應(yīng)力水平,有效試件數(shù)12個(gè),共有4個(gè)子樣對(duì).

        圖5 焊趾噴丸處理?xiàng)l件疲勞極限升降圖

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

        最終確定的焊趾噴丸K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭三點(diǎn)彎曲疲勞(應(yīng)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(yàn)結(jié)果及分析

        通過升降法確定焊趾打磨+噴丸K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環(huán)下的疲勞極限,有4級(jí)應(yīng)力水平,有效試件數(shù)12個(gè),共有6個(gè)子樣對(duì),其結(jié)果如圖7所示.

        圖7 焊趾打磨+噴丸處理?xiàng)l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(jī)械加工坡口)角接接頭指定壽命為2×106次循環(huán)下的中值疲勞極限為:

        最終確定的焊趾打磨+噴丸K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭三點(diǎn)彎曲疲勞(應(yīng)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(duì)比

        圖9是Q345E低合金鋼焊趾不同處理方法K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭中值S-N曲線的對(duì)比.可以看出:三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)確定的指定壽命為2×106次的中值疲勞強(qiáng)度σ0.1:焊趾不處理K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭為145.2 MPa,焊趾打磨K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭為164.2 MPa,焊趾噴丸K型(機(jī)械加工坡口)角接接頭為180.6 MPa,焊趾打磨 +噴丸 K型(機(jī)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(xì)節(jié)處理工藝對(duì)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(shí)效果最佳.

        圖9 S-N曲線對(duì)比

        3 結(jié)論

        (1)由三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)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(qiáng)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(xì)節(jié)處理工藝對(duì)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(shí)效果最佳.

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