張 敏，王文先

(1.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(jì)90年代在歐洲興起的車輛形式，具體是指對(duì)原有車軸的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了改變，通過中間的型鋼部分與分體軸頭的焊接連接，實(shí)現(xiàn)“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(shí)現(xiàn)沿路無站臺(tái)直接?？亢统丝偷臒o障礙乘車。因此該設(shè)計(jì)理念一經(jīng)推出即得到了迅速推廣，為歐洲、美國等當(dāng)今世界最先進(jìn)的城市交通系統(tǒng)所采用，該類型軌道交通車輛也得到了大量生產(chǎn)。

1 技術(shù)背景

焊接是低地板客車實(shí)現(xiàn)“變軸為橋”的關(guān)鍵工序，在低地板客車軸橋的生產(chǎn)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(chǎn)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(fù)雜，且焊趾處容易有咬邊、細(xì)微缺陷和應(yīng)力集中等問題，在交變載荷下這些因素極易導(dǎo)致焊縫疲勞裂紋的萌生、發(fā)展進(jìn)而失效。常規(guī)處理手段如打磨和補(bǔ)焊效率低、效果差且成本較高[1]。

TIG焊重熔就是將已經(jīng)完成焊接的接頭用TIG焊對(duì)焊趾部位重熔，以改善焊縫表面狀態(tài)，使母材與焊縫平滑過渡、消除焊趾處微小缺陷、改善接頭應(yīng)力集中的焊后焊縫處理方法。TIG焊重熔技術(shù)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(jié)構(gòu)的使用壽命，該技術(shù)在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)上的推廣和應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的EA4T和EN10025-3∶2004標(biāo)準(zhǔn)的S355ML兩種材料進(jìn)行焊接，材料機(jī)械性能如表1所示，焊接工藝規(guī)范如表2所示。

表1 原材料的力學(xué)性能

表2 焊接工藝規(guī)范

3 試驗(yàn)過程

3.1 組織觀察

對(duì)接頭各區(qū)域做500倍下的金相試驗(yàn)，各區(qū)組織照片如圖2所示。由圖2可見，重熔區(qū)的晶粒細(xì)化明顯。接頭各區(qū)域金相組織如表3所示。

表3 接頭各區(qū)域金相組織

圖2 接頭各區(qū)域500倍下組織照片

3.2 硬度試驗(yàn)

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

圖3 顯微硬度測試位置

接頭各區(qū)域的顯微硬度測試結(jié)果如表4所示。

由表4中數(shù)據(jù)可知：重熔區(qū)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(qū)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?yàn)橹厝蹍^(qū)附近冷卻速度較大，導(dǎo)致重熔區(qū)域的強(qiáng)度和硬度均有所增加。雖然部分區(qū)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(huì)使接頭的裂紋傾向增大，而是使強(qiáng)度和韌性升高[3]。

表4 顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV10

3.3 紅外熱成像疲勞試驗(yàn)

金屬材料在受到外力產(chǎn)生彈性變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱彈性效應(yīng)，即在彈性拉伸時(shí)溫度會(huì)降低，彈性壓縮時(shí)溫度會(huì)升高。而在受到外力產(chǎn)生塑性變形時(shí)，大部分會(huì)導(dǎo)致材料的溫度升高，將外力做的功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。因此，在對(duì)金屬材料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，可以通過監(jiān)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(kuò)展等行為[4]。

采用紅外熱成像儀監(jiān)測疲勞行為時(shí)的溫度變化進(jìn)而判斷疲勞行為是一種較先進(jìn)的方法，本試驗(yàn)即利用該設(shè)備在疲勞試驗(yàn)中測量整個(gè)試樣表面的溫度情況，對(duì)角接接頭(重熔和不重熔)的疲勞行為進(jìn)行直觀觀察，得出材料的疲勞壽命、疲勞裂紋萌生擴(kuò)展、疲勞加載溫度演變相關(guān)的結(jié)論。

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣制備及三點(diǎn)彎曲加載，疲勞試驗(yàn)試樣如圖4所示。疲勞試驗(yàn)設(shè)備采用HUF-2020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%。

圖4 疲勞試驗(yàn)試樣

疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)及接頭疲勞性能如表5所示。

表5 疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)及接頭疲勞性能

角接接頭(不重熔)不同應(yīng)力狀態(tài)下的循環(huán)次數(shù)-溫度曲線對(duì)比如圖5所示。

圖5 角接接頭(不重熔)不同應(yīng)力狀態(tài)下循環(huán)次數(shù)—溫度曲線

通過對(duì)角接接頭(不重熔)在不同應(yīng)力(41.6 MPa和25 MPa)下的疲勞曲線進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力較高的加載情況下，接頭的升溫速度較快，且由于應(yīng)力較大，約10 000次加載時(shí)即萌生疲勞裂紋，從疲勞裂紋萌生到擴(kuò)展經(jīng)歷了約38 000次循環(huán)加載，在疲勞裂紋擴(kuò)展至塑性消失時(shí)，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(yīng)力較低條件下，試樣加載至100 000次左右時(shí)，溫度上升速度突增，此時(shí)疲勞裂紋開始萌生，且由于應(yīng)力較低，疲勞裂紋擴(kuò)展較慢，熱量積聚導(dǎo)致溫度上升較高，最終加載至330 000次時(shí)才達(dá)到徹底斷裂。

角接接頭(重熔)不同應(yīng)力狀態(tài)下的循環(huán)次數(shù)—溫度曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 角接接頭(重熔)不同應(yīng)力狀態(tài)下循環(huán)次數(shù)—溫度曲線

通過對(duì)角接接頭(重熔)在不同應(yīng)力(41.6 MPa和25 MPa)下的疲勞曲線進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力較高的加載情況下，接頭的初始升溫速度較快，且由于應(yīng)力較大，開始加載時(shí)即萌生疲勞裂紋，從疲勞裂紋萌生到擴(kuò)展經(jīng)歷了約80 000次循環(huán)加載，在疲勞裂紋擴(kuò)展至塑性消失時(shí)，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(yīng)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(yīng)力較低，疲勞裂紋擴(kuò)展較慢，熱量積聚導(dǎo)致溫度上升較高，最終加載至約620 000次時(shí)才達(dá)到完全斷裂。

通過對(duì)角接接頭(不重熔)和角接接頭(重熔)在不同應(yīng)力(41.6 MPa和25 MPa)下的疲勞曲線(見圖7)的研究可以發(fā)現(xiàn)，較低應(yīng)力和較高應(yīng)力的加載條件下，經(jīng)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(chǎn)生的彈性能較大，從側(cè)面說明了其具有較好的疲勞性能。

圖7 多種變量下的循環(huán)次數(shù)—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(duì)角接接頭疲勞斷口進(jìn)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(jié)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(duì)于各個(gè)接頭疲勞斷口形貌分析：裂紋起源一般為微小缺陷或應(yīng)力集中部位，在循環(huán)加載下從起裂源開始發(fā)生裂紋的擴(kuò)展；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口，紋路較清晰、光亮細(xì)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(kuò)展區(qū)斷口較為平直，附近殘留的塑性變形較小，擴(kuò)展方向垂直于主正應(yīng)力；最終瞬斷區(qū)為斷口右側(cè)的纖維狀并含剪切唇的變形區(qū)域，此區(qū)域的斷口無金屬光澤，裂紋前沿線呈弧形狀，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終瞬斷區(qū)以此分界，同時(shí)，與不重熔角接接頭相比，重熔后的角接接頭在斷裂時(shí)表現(xiàn)為韌性較好、斷口呈撕裂狀，結(jié)合疲勞壽命分析，角接接頭疲勞性能顯著提高，表現(xiàn)為韌性斷裂[5]。

4 結(jié)論

(1) 通過對(duì)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(yīng)力集中，接頭疲勞性能顯著提高，焊接結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)期也將提高。

(2) 重熔后晶粒細(xì)化。

(3) 接頭硬度略有提高，但接頭不會(huì)因此出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象。

(4) 重熔后的角接接頭在斷裂時(shí)表現(xiàn)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(shù)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(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。