趙瑞榮 闞 盈 姜云祿 陳懷寧 韓曉輝

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111； 2.中國科學(xué)院金屬研究所,沈陽 110016)

考慮殘余應(yīng)力的激光搭接焊接頭拉伸和疲勞試樣寬度標(biāo)準(zhǔn)化

趙瑞榮1闞 盈2姜云祿2陳懷寧2韓曉輝1

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111； 2.中國科學(xué)院金屬研究所,沈陽 110016)

抗剪強度和疲勞強度是激光搭接焊接頭性能的兩個最重要指標(biāo)。關(guān)于激光搭接焊接頭的拉伸和疲勞試樣的寬度選取，目前還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)定。以不銹鋼薄板激光搭接焊接頭為研究對象，通過殘余應(yīng)力數(shù)值與試樣寬度變化關(guān)系的測定，確定了考慮和不考慮殘余應(yīng)力影響的拉伸和疲勞試樣合理寬度，比較了有無殘余應(yīng)力試樣抗剪強度的區(qū)別。結(jié)果表明，殘余應(yīng)力通過改變焊接接頭受力狀態(tài)和微觀變形均勻性降低了薄板激光搭接焊接試樣的抗剪強度。

殘余應(yīng)力 激光搭接焊 疲勞試樣 拉伸試樣 試樣寬度

0 序 言

激光搭接焊是近年來被廣泛應(yīng)用于軌道客車車體焊接的一種新焊接工藝[1-2]。與傳統(tǒng)的電阻點焊相比，激光搭接焊接工藝具有變形小、外觀美觀、密封性好、車身抗沖擊性能和疲勞性能優(yōu)等特點[3]。抗剪性能和疲勞性能是對激光搭接焊接頭進行質(zhì)量檢驗的重要指標(biāo)。

在點焊接頭的拉伸試驗過程中，試件尺寸可能對試驗結(jié)果有重要影響[4]。目前，對于激光搭接焊接構(gòu)件，特別是非熔透型的焊件，其拉伸試樣和疲勞試樣寬度的確定還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，只有點焊標(biāo)準(zhǔn)可作為參考。關(guān)于點焊疲勞試驗的標(biāo)準(zhǔn)，ISO 14324《電阻點焊——焊接的破壞性試驗——對點焊接頭的疲勞試驗方法》[5]規(guī)定：當(dāng)板厚為0.5～1.5 mm時，點焊接頭疲勞試樣寬度為45 mm；當(dāng)板厚為1.5～3 mm時，點焊接頭拉伸疲勞試樣寬度為60 mm。關(guān)于點焊拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)，ISO 14273《電阻點焊、縫焊和凸焊的抗剪試驗用樣品尺寸和程序》[6]中的規(guī)定寬度與ISO 14324 中規(guī)定的疲勞試樣沒有差別，可以認為拉伸試樣和疲勞試樣通用。此外，JIS Z 3138《點焊接頭疲勞試驗方法》和GB/T 15111《點焊接頭剪切拉伸疲勞試驗方法》對點焊接頭的拉伸和疲勞試樣尺寸也有具體規(guī)定，但數(shù)值較上偏小。

在焊接過程中，材料經(jīng)常由于不均勻的受熱和變形而在構(gòu)件中產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力[7-8]。焊接殘余應(yīng)力對焊接構(gòu)件疲勞性能的影響是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。然而在從激光搭接焊接構(gòu)件上切取試樣的過程中，殘余應(yīng)力根據(jù)試樣寬度不同而部分或完全釋放。而已有的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的拉伸試樣和疲勞試樣寬度沒有明確規(guī)定和考慮制備試樣過程中殘余應(yīng)力的影響問題。

文中首先通過試驗確定了含殘余應(yīng)力的不銹鋼薄板激光搭接焊接頭拉伸和疲勞試樣的最小寬度、不受殘余應(yīng)力影響的拉伸及疲勞試樣的最大寬度，然后通過兩種寬度試樣的拉伸試驗，進一步驗證了殘余應(yīng)力對不銹鋼薄板激光搭接焊接頭剪切性能的影響。研究結(jié)果可為進一步研究激光搭接焊接頭的疲勞性能提供參考。

1 試驗材料和方法

試驗材料為尺寸為1 000 mm×300 mm×2 mm的冷作硬化的EN1.4318-2G奧氏體不銹鋼薄板，屈服強度360 MPa，抗拉強度880 MPa，斷后伸長率48%。化學(xué)成分見表1。激光焊使用軸流式二氧化碳激光器，光束波長10.6 μm，光斑直徑0.6 mm，焦距330 mm，保護氣為50Ar+50He(體積分數(shù)，%)，流量18 L/min，同軸頂吹方式。激光焊工藝參數(shù)為：激光功率3.0 kW，焊接速度3.2 mm/min，離焦量0 mm。采用0°激光入射角(與試板法線夾角)，試板搭接量30 mm。圖1是采用激光搭接焊完成的試板，根據(jù)車體生產(chǎn)要求，下板為非熔透焊接。

依據(jù)GB/T 31218—2014《金屬材料 殘余應(yīng)力測定 全釋放應(yīng)變法》[9]標(biāo)準(zhǔn)進行全釋放法殘余應(yīng)力測量。為了方便和準(zhǔn)確測量焊接殘余應(yīng)力的變化，在焊接試板上距起弧125 mm處開始取樣，測量用應(yīng)變片為BE120-05AA型，柵長0.5 mm。為確定存在殘余應(yīng)力試樣的最小寬度，對試樣進行逐級切割，記錄切割前后應(yīng)變的變化情況，切割順序及測試點位置如圖2所示，應(yīng)變片距離端部W0=55 mm，W1～Wn為每次切掉的寬度。測試點1位于焊縫中心，點2和點3距焊縫中心各3 mm。沿焊縫長度方向的逐步切割量分別為15 mm。最終測量焊接殘余應(yīng)力時，切割量為5 mm，切割完的試樣尺寸為8 mm×6 mm。根據(jù)測量的應(yīng)變變化量，利用胡克定律計算焊接殘余應(yīng)力變化量。

表1 EN 1.4318-2G不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 激光搭接焊接試板

圖2 殘余應(yīng)力測試點及切割順序示意圖

為避免殘余應(yīng)力對抗剪強度的影響，對兩種寬度的試樣進行了消除應(yīng)力熱處理。熱處理工藝為900 ℃×0.5 h。

在激光搭接焊接試板上切取的拉伸試樣尺寸示意圖如圖3所示，其中t為板材厚度;W為板材寬度;a為搭接量。為了防止在拉伸過程中產(chǎn)生偏心，在上下板上焊接墊板。拉伸試驗在Zwick 150 kN拉伸試驗機上進行，考慮到搭接焊縫界面熔寬的不穩(wěn)定性，每個條件下的試驗重復(fù)4次。

圖3 激光搭接焊接拉伸試樣尺寸示意圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1殘余應(yīng)力與試樣寬度的關(guān)系

逐級切割后焊縫中心及兩側(cè)的橫向和縱向殘余應(yīng)力變化測試結(jié)果分別如圖4和圖5所示。從圖4中可以看出焊縫及焊縫兩側(cè)的橫向殘余應(yīng)力在各次切割后變化均在20 MPa以內(nèi)，實際上由于應(yīng)變片尺寸的限制該數(shù)值偏小(已由其它方法驗證)。由圖5可以看出,第一次切割后(距應(yīng)變片40 mm)各測試點的縱向應(yīng)力變化均小于20 MPa，說明此時縱向殘余應(yīng)力基本保留在試樣內(nèi)部沒有釋放；第二次切割后(距應(yīng)變片25 mm)焊縫中心的測試點1應(yīng)力釋放了40 MPa；第三次切割后(應(yīng)變片距切割邊緣10 mm)各測試點的應(yīng)力釋放量較大，基本達到應(yīng)力峰值的一半以上；當(dāng)應(yīng)變片距切割邊緣5 mm時，測試點1的應(yīng)變釋放量為140 MPa，與最終釋放量相差20 MPa。

圖4 橫向殘余應(yīng)力釋放量測試結(jié)果

圖5 縱向殘余應(yīng)力釋放量測試結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果，認為獲得含有與焊接試板相當(dāng)大小殘余應(yīng)力的拉伸或疲勞試樣，試樣的寬度至少為80 mm；為了獲得無殘余應(yīng)力的拉伸或疲勞試樣，試樣寬度需≤10 mm。對于非熔透激光焊試樣，試樣寬度也不能過窄，否則由于焊縫熔寬的不穩(wěn)定，會導(dǎo)致拉伸或疲勞試驗結(jié)果分散性增大。

2.2兩種寬度試樣的抗剪強度

對于薄板激光搭接焊接頭，采用什么樣的試樣寬度進行拉伸目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。搭接接頭和點焊接頭不同，點焊接頭存在一個最小寬度，否則影響試驗結(jié)果的一致性。但是搭接焊接頭由于焊縫連續(xù)，不需要像點焊接頭那樣進行最小寬度的界定。前已證明，較寬的拉伸試樣和較窄的拉伸試樣內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力明顯不同，如此不同寬度的試樣對抗剪強度或疲勞強度的影響如何，需要進一步研究。

根據(jù)前述殘余應(yīng)力與試樣寬度的關(guān)系，考慮到后期疲勞試驗的方便性，采用80 mm和10 mm兩種寬度的拉伸試樣，對比有無殘余應(yīng)力對試樣抗剪強度的影響?？紤]到試樣尺寸效應(yīng)，即寬窄試樣可能呈現(xiàn)不同的剛度或應(yīng)變狀態(tài)，將兩種寬度試樣同時進行消除殘余應(yīng)力退火處理，使之在無應(yīng)力的相同條件下進行抗剪強度比較。為了避免較窄試樣的抗剪強度受到界面焊縫寬度不均勻的干擾，文中采用4個不同截面處試樣計算抗剪強度，抗剪強度計算方法為：

(1)式中，F(xiàn)為拉斷力;W為板寬;d為焊縫截面平均熔寬。

圖6為10 mm和80 mm兩種寬度試樣的抗剪強度試驗結(jié)果。可以看出，存在殘余應(yīng)力的80 mm寬試樣抗剪強度顯著低于無應(yīng)力的10 mm窄試樣；經(jīng)過消除殘余應(yīng)力熱處理的試樣，10 mm 和80 mm兩種寬度試樣的抗剪強度沒有明顯差別。

經(jīng)過冷作強化的材料，高溫?zé)崽幚頃箯姸让黠@下降：寬度10 mm的試樣熱處理后抗剪強度平均下降50 MPa左右。然而，寬度80 mm的試樣熱處理后抗剪強度平均上升了60 MPa左右，這表明試樣中的殘余應(yīng)力確實降低了焊件的抗剪強度。

圖6 不同熱處理情況下10 mm 和80 mm寬度試樣的抗剪強度

已有研究認為，殘余應(yīng)力對焊件強度是否有影響取決于加載后焊件內(nèi)部應(yīng)力是否均勻[10]。如果焊件塑性變形能力強，則殘余應(yīng)力在加載后易于均勻化，對焊件強度影響不大。圖7為兩種拉伸試樣熱處理前的斷口照片，可以發(fā)現(xiàn)，兩種寬度試樣斷口韌窩都較細小，但80 mm試樣斷口韌窩分布不均勻，這說明殘余應(yīng)力導(dǎo)致微觀變形不均勻，從而降低了80 mm試樣的抗剪強度。

圖7 不同寬度試樣未熱處理時的斷口形貌

另一方面，殘余應(yīng)力的存在可能對試樣拉伸后的形狀產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致焊件受力狀態(tài)的改變。圖8是不同寬度試樣拉伸后的形狀。從圖8中可以看到，10 mm 試樣熱處理和未熱處理的試樣拉伸后的形狀差別很??；80 mm試樣未熱處理和熱處理試樣拉伸后搭接處的旋轉(zhuǎn)角度明顯不同。表2列出了4種試樣搭接處的旋轉(zhuǎn)角度，寬試樣由于較大的剛度和殘余應(yīng)力的存在影響了角度旋轉(zhuǎn)。

圖8 10 mm 和80 mm寬度試樣的拉伸后形狀

表2 拉伸試驗后試樣搭接處旋轉(zhuǎn)角度

試樣旋轉(zhuǎn)角度θ(°)10mm未處理1910mm熱處理2080mm未處理480mm熱處理11

搭接處產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時，拉伸載荷可分解為切向分力和法向分力，旋轉(zhuǎn)角度θ越大，法向分力越大，當(dāng)分力產(chǎn)生的應(yīng)力達到材料的真實抗剪或抗拉強度時試樣斷裂。該試驗中，接頭處主要發(fā)生的是剪切變形，材料先達到抗剪強度而發(fā)生斷裂，因此當(dāng)接頭材料抗剪強度相同時，旋轉(zhuǎn)角度越大試樣的抗剪強度越高。

一般情況下，抗剪強度存在差別的焊接接頭其疲勞性能也會有所差別，因此文中提出的含有殘余應(yīng)力的拉伸試樣尺寸，可用于進一步研究殘余應(yīng)力對激光搭接焊接頭疲勞性能的影響。

3 結(jié) 論

(1)提出了一種考慮殘余應(yīng)力的拉伸和疲勞試樣寬度確定方法。對于2 mm+2 mm不銹鋼板搭接焊接頭，有無殘余應(yīng)力的試樣寬度分別為80 mm和10 mm。

(2)試樣寬度對拉伸后試樣的形狀有影響。較窄試樣拉伸后搭接處旋轉(zhuǎn)角度大，較寬試樣拉伸后搭接處旋轉(zhuǎn)角度小，殘余應(yīng)力影響旋轉(zhuǎn)角度。

(3)殘余應(yīng)力通過改變接頭受力狀態(tài)和微觀變形均勻性降低了薄板激光搭接焊接試樣的抗剪強度。

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2016-06-21

TG407

趙瑞榮，1987年出生，工程師。主要從事軌道車輛車體制造技術(shù)研究。