6082鋁合金三次焊接修補(bǔ)后的疲勞性能研究

陶富文，崔云龍

（1.南京浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210031；2.西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，四川成都 610031）

0 概述

近年來我國(guó)高速鐵路事業(yè)迅猛發(fā)展，而制約高速鐵路事業(yè)發(fā)展的重要因素是列車在高速行駛時(shí)的安全可靠性[1]。其中，結(jié)構(gòu)的疲勞失效是高速列車失效形式中最常見的一種，焊接接頭的疲勞可靠性在很大程度上決定著高速列車車體運(yùn)行的安全可靠性[2]。焊接修補(bǔ)是高速列車底架焊接的常見操作，而鋁合金在經(jīng)過多次焊接修補(bǔ)后容易導(dǎo)致接頭疲勞性能的下降[3]，EN1090-3標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，鋁合金焊接修補(bǔ)次數(shù)不宜超過兩次。為了探究經(jīng)過三次焊接修補(bǔ)之后接頭的疲勞性能能否滿足使用要求，本課題以高速列車底架常用材料6082鋁合金研究對(duì)象，對(duì)三次焊接修補(bǔ)后的接頭的疲勞性能進(jìn)行研究，為高速列車底架焊接提供參考。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為16 mm厚T6狀態(tài)的6082鋁合金軋制板材。填充焊絲型號(hào)ER5356，直徑φ1.2 mm。母材及填充焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 焊接工藝

焊接修補(bǔ)模擬試驗(yàn)所采用的接頭類型、焊接方法及工藝參數(shù)與實(shí)際焊接一致。焊接方法為MIG半自動(dòng)焊接，焊接坡口為帶襯墊單邊V型坡口，坡口具體尺寸及焊接順序如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表2。按照上述焊接工藝進(jìn)行三次焊接修補(bǔ)之后，使用所焊的試板加工疲勞試樣。

表1 母材及填充焊絲的化學(xué)成分%

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 坡口具體尺寸及焊接順序

1.3 疲勞試樣加工

由于所焊試板存在較大的焊接變形，取樣之前先將板件上下表面銑去一定厚度進(jìn)行找平。為了不影響材料軸向疲勞性能，加工時(shí)銑削方向始終與焊縫線垂直。

參照GB/T 13816-1992金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)疲勞試樣。本試驗(yàn)的疲勞試樣設(shè)計(jì)成帶圓弧的變截面形狀，具體形狀和尺寸如圖2所示。由于上下表面及圓弧面均為加工面，為避免表面質(zhì)量對(duì)疲勞性能的影響，這些面均需要進(jìn)行磨削加工，表面粗糙度達(dá)到Ra1.6以上。按給定尺寸和試驗(yàn)要求，共加工六個(gè)疲勞試樣。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及方法

圖2 疲勞試樣具體尺寸

參照標(biāo)準(zhǔn)XIII-2151r2-07_r23 IIW《焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)》及車輛設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算所得的疲勞強(qiáng)度要求，在垂直焊縫方向上加載28MPa應(yīng)力的條件下，循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次沒有斷裂視為合格。實(shí)際試驗(yàn)按上述要求設(shè)計(jì)載荷，試驗(yàn)應(yīng)力比R=0.1，σmax=28MPa，σmin=2.8 MPa。疲勞試驗(yàn)所采用疲勞試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為USF-2000。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

對(duì)六根疲勞試樣進(jìn)行高頻疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，1#、2#、4#和5#試樣經(jīng)過107次以上循環(huán)后，試樣表面并未出現(xiàn)裂紋。3#試樣在尚未達(dá)到指定循環(huán)周次的情況下出現(xiàn)裂紋，裂紋位于焊趾處。6#試樣達(dá)到了指定的循環(huán)周次，但其表面存在一條長(zhǎng)約5 mm的淺裂紋，裂紋位于焊縫熱影響區(qū)。

6082鋁合金為熱處理強(qiáng)化鋁合金，對(duì)焊接熱過程敏感[4]。6082鋁合金在經(jīng)過三次焊接修補(bǔ)后，因?yàn)橹貜?fù)受熱，極易造成焊縫附近的母材晶粒粗大并且容易引發(fā)再熱裂紋等焊接缺陷，導(dǎo)致焊接接頭的疲勞性能下降，所以本試驗(yàn)的六根疲勞試樣中有兩根未能達(dá)到疲勞強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

高速列車底架常用材料6082鋁合金焊接修補(bǔ)三次后，接頭的疲勞性能無法滿足使用要求。6082鋁合金焊接修補(bǔ)次數(shù)不宜超過兩次。

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[1]金學(xué)松，郭 俊，肖新標(biāo)，等.高速列車安全運(yùn)行研究的關(guān)鍵科學(xué)問題[J].工程力學(xué)，2009（26）：8-22.

[2]薛 華.高速列車用A6N01S和A7N01S鋁合金焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[3]于金朋，張立民，張衛(wèi)華，等.多次焊補(bǔ)對(duì)高速列車鋁合金焊接接頭的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33（11）：77-82

[4]許鴻吉，唐海鷹，劉志平，等.6082鋁合金MIG焊焊接接頭組織與力學(xué)性能研究[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010，39（1）：131-133.