焊后處理工藝對Q345E低合金鋼焊接接頭疲勞性能的影響

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

隨著我國鐵路運輸?shù)牡诹未筇崴伲瓦\平均可以達到160 km/h，貨運也可以達到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，也是負載條件特別苛刻的零部件，在車輛運行過程中，承受各安裝部件的工作載荷以及牽引，制動和慣性力［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疲勞性能有較大影響［6-8］.大量運用實踐表明焊接接頭的疲勞強度問題相當(dāng)突出，已嚴(yán)重制約結(jié)構(gòu)的安全可靠及耐久運用，故對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度分析和優(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+噴丸處理對焊接接頭疲勞性能的影響.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為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 試驗材料的化學(xué)成分 %

表2 試驗材料的力學(xué)性能

1.2 試驗方法

對機械加工的K型坡口Q345E低合金鋼角接接頭進行三點彎曲疲勞試驗，試件寬為25 mm.試驗設(shè)備為PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機.技術(shù)規(guī)格為靜態(tài)負荷精度±1%，動負荷平均波動度±1%，動負荷振幅波動度±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級應(yīng)力水平，有效試件數(shù)18個，有7個字樣對，結(jié)果如圖1所示.

圖1 焊趾不處理條件疲勞極限升降圖

由升降法確定的焊趾不處理K型(機械加工坡口)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(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(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 焊趾打磨處理條件疲勞極限升降圖

2.2 焊趾打磨試驗結(jié)果及分析

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

由升降法確定的焊趾打磨K型(機械加工坡口)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(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(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 焊趾噴丸試驗結(jié)果及分析

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

圖5 焊趾噴丸處理條件疲勞極限升降圖

由升降法確定的焊趾噴丸處理K型(機械加工坡口)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(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(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+噴丸試驗結(jié)果及分析

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

圖7 焊趾打磨+噴丸處理條件疲勞極限升降圖

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(機械加工坡口)角接接頭三點彎曲疲勞(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+噴丸對比

圖9是Q345E低合金鋼焊趾不同處理方法K型(機械加工坡口)角接接頭中值S-N曲線的對比.可以看出:三點彎曲疲勞試驗確定的指定壽命為2×106次的中值疲勞強度σ0.1:焊趾不處理K型(機械加工坡口)角接接頭為145.2 MPa，焊趾打磨K型(機械加工坡口)角接接頭為164.2 MPa，焊趾噴丸K型(機械加工坡口)角接接頭為180.6 MPa，焊趾打磨 +噴丸 K型(機械加工坡口)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，焊接接頭焊后細節(jié)處理工藝對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效果最佳.

圖9 S-N曲線對比

3 結(jié)論

(1)由三點彎曲疲勞試驗確定的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)焊接接頭焊后細節(jié)處理工藝對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效果最佳.

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