不同形狀的耐候鋼T形角接接頭疲勞性能研究

黃顯峰， 韓景茹， 黃君輝， 黃風龍， 暴興威

1. 中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002 2. 大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028

0 引言

近年來鐵路建設加速推進，鐵路貨車加快向輕量、高速轉型［1-2］，因此貨車安全問題尤為重要。T形角接接頭作為常見接頭形式被大量應用于鐵路貨車的轉向架焊接構架、鐵路貨車中梁、鐵路特種大車、起重機等箱型結構［3-4］。貨車運行時T形接頭相比于其他接頭受力更加復雜，容易發生疲勞開裂，T 形接頭的強度決定整車強度。截面突變現象在車輛傳遞載荷過程中常發生在T 形接頭，這會使該處產生應力集中，導致強度變弱。由于T 形接頭應力集中明顯，在交變載荷的作用下會最先發生相對滑移形成初始缺陷，初始缺陷在疲勞載荷的作用下逐漸擴展最終導致結構的斷裂［5］。Han 等［6］以6061-T6鋁合金氣體保護焊T形角接接頭為研究對象，通過試驗驗證了不同焊縫形狀對T 形接頭疲勞性能的影響。Koutarou 等［7］選取了5 種不同焊接條件下的激光電弧復合焊T 形接頭進行了疲勞試驗，試驗結果表明：接頭圓角的趾根角度與趾根曲率是影響T 形接頭疲勞強度的主要因素，疲勞強度與趾根角度成反比，與趾根曲率成正比。

目前針對T形角接接頭焊縫形狀對疲勞性能影響的研究較少，因此，本研究對Q450NQR1 高強度耐候鋼的角焊縫a10 焊接接頭、向內凹角焊縫焊接接頭、向外凸角焊縫焊接接頭進行三點彎曲疲勞試驗，并掃描觀察疲勞試件斷口，對比分析三種形狀接頭的疲勞強度、斷裂位置以及微觀形貌。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

該試驗材料為Q450NQR1高強度耐候鋼，采用熔化極活性氣體保護焊（MAG 焊），保護氣體為80%Ar+20%CO2，選用直徑1.2 mm的TH550-NQ-Ⅱ型焊絲。表1為母材與焊接材料熔敷金屬的化學成分，表2為母材與焊接材料熔敷金屬的力學性能。

表2 母材、焊接材料熔敷金屬力學性能Table 2 Mechanical properties of base metal and welding material

1.2 試驗方法

Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫（T 形角接接頭）焊接形式主要可分為三種，分別為角焊縫a10焊接接頭、向內凹角焊縫焊接接頭、向外凸角焊縫焊接接頭，其形狀及尺寸如圖1所示（實際焊接件和示意圖存在偏差）。采用多層多道焊，三種焊縫焊接順序相同，焊接時不開坡口，Q450NQR1高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫（T形角接接頭）焊接參數如表3所示。

圖1 多層多道焊角焊縫（T形角接接頭）形狀及尺寸Fig.1 Schematic diagram of shape and size of multi-layer multi-pass fillet weld （T-shaped fillet joint）

表3 工藝試驗焊接參數Table 3 Welding parameters of process test

試板焊后需要進行磁粉探傷，保證疲勞試樣中不得存在裂紋、氣孔、未熔合等影響疲勞性能的缺陷。疲勞試驗參照YB/T5349—2014《金屬材料 彎曲力學性能試驗方法》和JB/T7716—1995《焊接接頭四點彎曲疲勞試驗方法》，分別對Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊a10 角焊縫T 形角接接頭、向內凹焊縫T 形角接接頭、向外凸焊縫T 形角接接頭進行三點彎曲疲勞試驗來確定其疲勞性能。試驗設備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機，靜態負荷精度±1%，動負荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±2%。試驗采用循環應力比R=0.1，指定循環壽命選取為5×106次。試驗開始后，由于振動作用試件首先產生疲勞裂紋，當出現的疲勞裂紋尺寸足夠大時，載荷不能繼續向上加載，疲勞試驗機會自動卸載停止振動并記錄循環次數。三點彎曲疲勞試件尺寸以及三點彎曲試驗夾持方式如圖2、圖3所示。疲勞試驗后采用JSM-6360LV型掃描電鏡對三點彎曲疲勞斷口進行微觀形貌分析。

圖2 三點彎曲疲勞試件尺寸Fig.2 Dimensions of three-point bending fatigue specimens

圖3 三點彎曲試驗夾持方式Fig.3 Gripping mode for three-point bending test

2 試驗結果及分析

2.1 疲勞試驗結果分析

本試驗通過升降法來確定Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊T 形角接接頭在指定壽命為5×106次循環次數下的疲勞極限，圖4為三種接頭疲勞試件的疲勞極限升降圖。

圖4 疲勞極限升降圖Fig.4 Fatigue limit lift diagram

由升降法確定的Q450NQR1 高強度耐候鋼三種不同形狀焊接接頭在指定壽命為5×106次循環下的中值疲勞極限為：

角焊縫a10：

向內凹焊縫：

向外凸焊縫：

根據上述數據可繪制出不同形狀焊接接頭三點彎曲疲勞（應力比R=0.1）的中值S-N曲線，如圖5所示。

圖5 中值S-N曲線Fig.5 Median S-N curve

由三點彎曲疲勞試驗確定的指定壽命為5×106次循環下的Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊a10角焊縫T形角接接頭中值疲勞極限為289 MPa，向內凹角焊縫T 形角接接頭為241 MPa，向外凸角焊縫T 形角接接頭為277.5 MPa；由以上數據可知，向內凹角焊縫T形角接接頭的疲勞極限值最低。

理論上，向內凹焊縫向基體金屬過渡最為平滑，在焊趾處應力集中最小，接頭疲勞性能應該最高，但本試驗采用多層多道焊，雖然焊縫整體形狀為向內凹，但表層焊縫并不能做到圓滑過渡，局部焊縫凸起，連接處同樣會產生應力集中，多道焊向內凹焊縫接頭性能并不優異，疲勞極限值最低。向外凸焊縫在焊趾處也存在應力集中，在載荷作用下傳力線彎曲程度過大，疲勞極限值雖高于向內凹焊縫，但仍低于平面形狀的角焊縫a10 接頭。結合試驗數據得出，多層多道焊角焊縫a10 接頭的疲勞強度＞向外凸焊縫＞向內凹焊縫。

2.2 疲勞試件斷口分析

疲勞試件宏觀形貌如圖6所示。Q450NQR1高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫a10（T 形角接接頭）三點彎曲疲勞試件共有有效試件14個，其中有8個斷裂試件，其斷裂位置均位于焊趾。多層多道焊向內凹角焊縫（T形角接接頭）三點彎曲疲勞試件共有有效試件12個，其中有5個斷裂試件，4個試件在兩焊縫之間斷裂，1 個試件在焊趾處斷裂。多層多道焊向外凸角焊縫（T形角接接頭）三點彎曲疲勞試件共有有效試件14個，其中有7個斷裂試件，3個試件在兩焊縫之間斷裂，4個試件在焊趾處斷裂。

可見，試件斷裂位置都位于焊趾或兩焊縫之間，焊趾處裂紋向母材延伸。斷裂位置在焊趾或焊縫之間的主要原因為：當采用多層多道焊進行焊接時，相鄰焊道之間過渡并不圓滑，焊縫表面形狀變化與焊趾處高度相似，所以也存在較大應力集中。另外，焊接殘余應力也是影響因素之一，對于T形接頭，在垂直焊縫方向上，焊縫和熱影響區在冷卻過程中會被周圍溫度較低的區域所束縛，焊縫與母材連接的焊趾處也會存在很大的殘余拉應力。所以，采用多道焊焊接的T形角接接頭普遍在焊趾或焊縫之間發生疲勞斷裂［8-9］。

使用JSM-6360LV型掃描電鏡對三點彎曲疲勞斷口進行微觀形貌分析，三點彎曲疲勞斷口掃描如圖7所示?？梢钥闯?，各區域具有典型疲勞斷裂特征。啟裂位置位于焊趾或焊縫之間，啟裂區均未觀察到焊接缺陷，開裂原因是存在較大的應力集中。在啟裂區中，存在一系列同擴展方向一致的清晰細密的條紋，這種條紋是有一定高度差的撕裂棱，疲勞裂紋萌生后擴展的一小段時間內需要克服很大的滑移抗力，故形成了這樣一種呈向外放射狀的條紋［10］；擴展區裂紋呈明顯河流狀分布，擴展區大小隨疲勞循環次數增加而增大；終斷區觀察到大小、深淺不一的韌窩組織，其斷口為韌窩型韌性斷裂［11］。

圖7 疲勞斷口形貌Fig.7 Fatigue fracture morphology

3 結論

（1）由三點彎曲疲勞試驗確定的Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫a10（T 形角接接頭）焊接接頭接頭指定壽命為5×106次循環下的中值疲勞極限為289 MPa，向內凹角焊縫為241 MPa，向外凸角焊縫為277.5 MPa；多層多道焊角焊縫a10接頭的疲勞強度＞向外凸焊縫疲勞強度＞向內凹焊縫接頭疲勞強度，原因為向內凹與向外凸焊縫過渡粗糙，焊趾或焊縫之間均會存在很大應力集中。

（2）形狀的Q450NQR1 高強度耐候鋼多層多道焊角焊縫（T 形角接接頭）無明顯缺陷，斷口啟裂區和擴展區具有典型的疲勞斷裂特征，啟裂位置位于焊趾或焊縫之間，啟裂區均未觀察到焊接缺陷，開裂原因是較大的應力集中，擴展區存在明顯的疲勞輝紋，觀察終斷區判斷斷口為韌窩型韌性斷裂。