程艷艷

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062；2.吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通壓力逐漸增大，對(duì)出行工具提出了更高的要求。軌道客車具有快捷、方便和間隔時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其需求日益增加，因此軌道客車產(chǎn)業(yè)愈加受到重視。重要裝置的焊接部位在車輛行駛中承受多個(gè)方向的動(dòng)載荷[1-2]，這要求焊接母材具有良好的使用性能。目前S355鋼常用于軌道客車焊接構(gòu)件，其為一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和抗疲勞強(qiáng)度[3-5]。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量影響軌道客車的安全性和可靠性，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[6-8]。許鴻吉等人[9-10]對(duì)S355鋼半自動(dòng)氣體保護(hù)焊焊接接頭的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行了研究；嚴(yán)春妍等人[11]分析了激光-MIG復(fù)合焊的焊接接頭顯微組織、硬度分布規(guī)律，焊接過(guò)程溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布；趙軼磊等人[12-13]研究了MAG焊的焊接接頭組織和力學(xué)性能。

除了S355鋼焊接接頭的組織和性能，焊接接頭的疲勞性能也會(huì)對(duì)承載構(gòu)架質(zhì)量產(chǎn)生影響[14-15]，因此對(duì)焊接接頭進(jìn)行疲勞性能分析具有重要意義。文中以S355鋼MIG焊T形接頭為研究對(duì)象，分析焊接接頭的顯微組織和硬度，研究焊接接頭的高周疲勞性能，對(duì)斷口形貌進(jìn)行分析。該研究結(jié)果可對(duì)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用厚度為14.5 mm的S355鋼板，化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用MIG焊接方法，T形接頭，焊絲選用直徑1.2 mm的ER80S-G實(shí)心焊絲，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 S355鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 ER80S-G實(shí)心焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接時(shí)保護(hù)氣體為高純度氬氣，按照焊接工藝預(yù)熱，T形接頭的焊角尺寸按照EN15085—2007標(biāo)準(zhǔn)控制，表3為焊接工藝參數(shù)。

表3 焊接工藝參數(shù)

對(duì)全部試樣進(jìn)行著色探傷，檢驗(yàn)合格后在焊件上切取T形接頭試樣，用砂紙研磨后在拋光機(jī)上拋光，采用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，制成金相試樣，然后在MPC-400倒置金相顯微鏡上對(duì)試樣進(jìn)行觀察和分析。依據(jù)ENIS09015:2011標(biāo)準(zhǔn)使用HVS-1000型顯微硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試分析，測(cè)試點(diǎn)在a，b，c 3條線上，位置如圖1所示，其中a和c線上的測(cè)試點(diǎn)均在焊縫下2 mm內(nèi)。

圖1 T形接頭硬度測(cè)試位置示意圖

在INSTRON 880L疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，T形接頭疲勞試樣尺寸如圖2所示。疲勞試驗(yàn)用應(yīng)力控制，正弦波加載，應(yīng)力比R=0.1，選用5個(gè)應(yīng)力范圍水平測(cè)試，使用JSM-6490LV掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察。

圖2 疲勞試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭組織和硬度分析

S355鋼MIG焊T形接頭分為打底層、填充層和蓋面層，以蓋面焊為例分析焊接接頭的顯微組織，圖3為S355鋼MIG焊T形接頭的顯微組織。從圖3a可以看出焊縫中分布有沿奧氏體晶界生長(zhǎng)的塊狀和板條狀先共析鐵素體，鐵素體周圍析出珠光體，局部區(qū)域有少量小島狀復(fù)相組織的粒狀貝氏體，晶粒內(nèi)部有少量針狀鐵素體。圖3b為熔合區(qū)，顯微組織主要為先共析鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體。該區(qū)是焊縫和熱影響區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，焊接時(shí)局部金屬晶粒熔化，化學(xué)成分及組織不均勻，且晶粒大小不一致。圖3c為過(guò)熱區(qū)，晶粒較粗大且不均勻，顯微組織為鐵素體和珠光體，并分布有少量粒狀貝氏體。圖3d為正火區(qū)，顯微組織為細(xì)小均勻的塊狀鐵素體和珠光體。圖3e為母材區(qū)，該區(qū)域不受焊接熱循環(huán)影響，可以看到呈條帶狀垂直于軋制方向分布的珠光體和鐵素體。

焊接接頭的硬度分布如圖4所示，可以看出T形接頭中a，b，c 3條線上的硬度分布規(guī)律一致，熱影響區(qū)和焊縫的硬度均高于母材，最高硬度都出現(xiàn)在熱影響區(qū)。不同位置的硬度值均在允許范圍內(nèi)，符合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)ENISO 15614—1:2017[16]的要求。

2.2 疲勞性能分析

在高于實(shí)際工作應(yīng)力下對(duì)S355鋼T形焊接接頭進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 24176—2009對(duì)表4中的疲勞數(shù)據(jù)處理，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到S355鋼T形接頭的疲勞S-N曲線，如圖5所示，表達(dá)式為

圖5 S355鋼T形接頭S-N曲線

表4 S355鋼T形焊接接頭試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

(1)

2.3 斷口形貌分析

通過(guò)疲勞斷裂試件，分析S355鋼T形焊接接頭疲勞斷裂情況，如圖6所示?？梢钥吹讲煌瑧?yīng)力范圍疲勞試驗(yàn)后，試件斷裂部位均在T形接頭端部的焊趾處。這是由于焊件為T形接頭，焊縫向母材金屬過(guò)渡處有明顯的截面變化，在疲勞試驗(yàn)交變載荷作用下應(yīng)力集中系數(shù)比試樣其它位置高，且該處焊縫厚度較薄，有一定淬硬傾向，故容易在該處斷裂。

圖6 疲勞斷裂后的試件

S355鋼T形焊接接頭疲勞宏觀斷口形貌如圖7所示，疲勞斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)，能夠看到明顯的疲勞弧線，具有疲勞斷裂的典型特征。疲勞裂紋通常起源于試樣表面、缺陷處或者應(yīng)力最大處，試驗(yàn)中疲勞裂紋萌生在應(yīng)力集中的T形接頭端部焊趾處，在斷口上存在多處疲勞源。疲勞裂紋逐步向板厚方向擴(kuò)展，形成表面光滑并伴有放射紋路的擴(kuò)展區(qū)，占據(jù)斷面的大部分區(qū)域。瞬時(shí)斷裂區(qū)位于斷口兩側(cè)，表面較粗糙，在斷口邊緣有剪切唇。

圖7 S355鋼T形接頭疲勞斷口宏觀形貌

采用SEM對(duì)S355鋼T形接頭疲勞斷口進(jìn)行觀察，微觀形貌如圖8所示。疲勞裂紋萌生于焊趾處的尺寸較小的疏松處，該處的強(qiáng)度較弱，且應(yīng)力集中，放射紋向周圍擴(kuò)展，如圖8a所示。圖8b為疲勞擴(kuò)展區(qū)形貌，能夠看到疲勞條帶，多處產(chǎn)生了二次裂紋。圖8c為疲勞瞬斷區(qū)，可以看到許多大小不一的韌窩，且有朝一個(gè)方向的撕裂跡象。

圖8 S355鋼T形接頭疲勞斷口微觀形貌

3 結(jié)論

(1)S355鋼T形接頭的焊縫組織為先共析鐵素體、珠光體、粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體。熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)組織類似，正火區(qū)的晶粒較其它區(qū)域均勻細(xì)小。焊接接頭的硬度符合焊接工藝評(píng)定要求，其中熱影響區(qū)的硬度最高。

(3)在軸向高應(yīng)力作用下S355鋼T形接頭疲勞斷口存在多個(gè)疲勞源，萌生于兩側(cè)的端部焊趾疏松處；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有疲勞條帶及二次裂紋；瞬斷區(qū)有大量韌窩，具有韌性斷裂的典型形貌。