不銹鋼搭接激光非熔透焊接頭疲勞性能的研究

朱立紅　于英飛　郭濤　馮業(yè)坤++朱家寧　黃省三

摘 要：隨著不銹鋼軌道客車的不斷發(fā)展，目前車體焊裝中主要采用的電阻點(diǎn)焊技術(shù)將會(huì)逐漸被激光焊接取代。該文針對(duì)SUS301L奧氏體不銹鋼搭接激光非熔透焊接頭進(jìn)行疲勞性能研究，通過(guò)數(shù)據(jù)處理建立并繪制了接頭的S-N曲線，以此對(duì)不銹鋼搭接激光焊接頭的疲勞性能進(jìn)行分析與研究。

關(guān)鍵詞：激光焊 SUS301L奧氏體不銹鋼 S-N曲線 疲勞性能

中圖分類號(hào)：TQ639 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（c）-0001-03

近幾十年來(lái)，由于疲勞破壞而導(dǎo)致的災(zāi)難性事故頻繁發(fā)生，為滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，人們?cè)絹?lái)越重視疲勞破壞的影響。隨著工業(yè)的發(fā)展，新的工程結(jié)構(gòu)和新材料的使用帶來(lái)了疲勞研究的新課題，加上疲勞研究原來(lái)就存在的問(wèn)題，疲勞研究將賦予新的意義[1]。該研究即是根據(jù)疲勞研究的新趨勢(shì)，針對(duì)客車公司實(shí)際生產(chǎn)中面臨的技術(shù)難題而進(jìn)行的新型研究。

1 試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定

該文根據(jù)前期的激光焊接試驗(yàn)，選擇焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率2.0 kW、焊接速度22 mm/s、離焦量0.5 mm[2]。試驗(yàn)選取了激光功率、焊接速度兩個(gè)焊接參數(shù)見表1。

采用“二因素 三水平”的研究方法做正交試驗(yàn)表，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到激光焊接頭的力學(xué)性能，所得試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

說(shuō)明：方案三所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)分析不合理，所以舍棄。

2 激光焊接頭疲勞性能分析與研究

2.1 疲勞試驗(yàn)方法

在某些情況下需要通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)確立元件、結(jié)構(gòu)件或材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度曲線，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦S-N數(shù)據(jù)以圖形表示。此時(shí)，其橫坐標(biāo)為以對(duì)數(shù)形式示出的循環(huán)次數(shù)，而縱坐標(biāo)為以對(duì)數(shù)示出的應(yīng)力范圍[4]。而本實(shí)驗(yàn)采用的是以最大拉剪載荷（Fmax）及拉剪載荷范圍（F0.1）表征的激光焊接頭S-N曲線。

2.2 激光焊接頭疲勞性能測(cè)試

激光焊接頭疲勞性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 13816-92標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)技術(shù)要求，SUS301L系奧氏體不銹鋼板搭接的板厚組合為1+2 mm，疲勞試樣尺寸見圖1。試驗(yàn)條件：采用拉-拉加載方式；循環(huán)應(yīng)力比為r=0.1；加載頻率為130 Hz；在室溫、空氣介質(zhì)中進(jìn)行接頭疲勞性能測(cè)試；約定在107周次循環(huán)時(shí)仍未起裂的拉剪疲勞載荷為條件疲勞載荷。焊接接頭的疲勞性能采用GPS-200型疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照擬定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及疲勞性能分析

用最大拉剪載荷（Fmax）及拉剪載荷范圍（F0.1）表征的激光焊接頭S-N曲線如圖2所示。基于圖2的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（a）在激光焊接線能量=0.8636 kJ/cm的條件下，焊接接頭的疲勞載荷為：3.9 kN（最大拉剪載荷）、3.51 kN（拉剪載荷范圍）。

（b）在激光焊接線能量=0.9091 kJ/cm的條件下，焊接接頭的疲勞載荷為：4.0 kN（最大拉剪載荷）、3.60 kN（拉剪載荷范圍）。

圖3為不同線能量下激光焊接頭疲勞斷裂位置。可以看出，在兩種不同的線能量下疲勞裂紋均萌生于上板、下板與焊縫的交匯處。在高載荷條件下，疲勞裂紋在焊縫和下板中擴(kuò)展；在中、低載荷條件下，疲勞裂紋在下板中擴(kuò)展，擴(kuò)展方向近似垂直于板厚的方向，斷裂發(fā)生在2 mm厚的下板。

3 結(jié)語(yǔ)

該文以SUS301L奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，選取了不同線能量下激光焊接頭進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理建立并繪制接頭的S-N曲線，對(duì)S-N曲線進(jìn)行分析，得到了不同線能量下，激光焊接頭的疲勞載荷（最大拉剪載荷及拉剪載荷范圍），并對(duì)接頭疲勞斷裂位置進(jìn)行了研究，得到不同載荷條件下接頭疲勞斷裂的位置的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔約賢，王長(zhǎng)利.金屬斷口分析四[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 陳慶雷.SUS301L奧氏體不銹鋼激光焊接頭組織與力學(xué)性能的研究[D].吉林大學(xué)，2012.

[3] R.V.Duhamel，C.M.Banas.Laser in materials processing：Laser weldi ng of steels and nickel alloys[C].American Society of Metals，1983.

[4] 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.endprint

摘 要：隨著不銹鋼軌道客車的不斷發(fā)展，目前車體焊裝中主要采用的電阻點(diǎn)焊技術(shù)將會(huì)逐漸被激光焊接取代。該文針對(duì)SUS301L奧氏體不銹鋼搭接激光非熔透焊接頭進(jìn)行疲勞性能研究，通過(guò)數(shù)據(jù)處理建立并繪制了接頭的S-N曲線，以此對(duì)不銹鋼搭接激光焊接頭的疲勞性能進(jìn)行分析與研究。

關(guān)鍵詞：激光焊 SUS301L奧氏體不銹鋼 S-N曲線 疲勞性能

中圖分類號(hào)：TQ639 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（c）-0001-03

近幾十年來(lái)，由于疲勞破壞而導(dǎo)致的災(zāi)難性事故頻繁發(fā)生，為滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，人們?cè)絹?lái)越重視疲勞破壞的影響。隨著工業(yè)的發(fā)展，新的工程結(jié)構(gòu)和新材料的使用帶來(lái)了疲勞研究的新課題，加上疲勞研究原來(lái)就存在的問(wèn)題，疲勞研究將賦予新的意義[1]。該研究即是根據(jù)疲勞研究的新趨勢(shì)，針對(duì)客車公司實(shí)際生產(chǎn)中面臨的技術(shù)難題而進(jìn)行的新型研究。

1 試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定

該文根據(jù)前期的激光焊接試驗(yàn)，選擇焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率2.0 kW、焊接速度22 mm/s、離焦量0.5 mm[2]。試驗(yàn)選取了激光功率、焊接速度兩個(gè)焊接參數(shù)見表1。

采用“二因素 三水平”的研究方法做正交試驗(yàn)表，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到激光焊接頭的力學(xué)性能，所得試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

說(shuō)明：方案三所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)分析不合理，所以舍棄。

2 激光焊接頭疲勞性能分析與研究

2.1 疲勞試驗(yàn)方法

在某些情況下需要通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)確立元件、結(jié)構(gòu)件或材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度曲線，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦S-N數(shù)據(jù)以圖形表示。此時(shí)，其橫坐標(biāo)為以對(duì)數(shù)形式示出的循環(huán)次數(shù)，而縱坐標(biāo)為以對(duì)數(shù)示出的應(yīng)力范圍[4]。而本實(shí)驗(yàn)采用的是以最大拉剪載荷（Fmax）及拉剪載荷范圍（F0.1）表征的激光焊接頭S-N曲線。

2.2 激光焊接頭疲勞性能測(cè)試

激光焊接頭疲勞性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 13816-92標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)技術(shù)要求，SUS301L系奧氏體不銹鋼板搭接的板厚組合為1+2 mm，疲勞試樣尺寸見圖1。試驗(yàn)條件：采用拉-拉加載方式；循環(huán)應(yīng)力比為r=0.1；加載頻率為130 Hz；在室溫、空氣介質(zhì)中進(jìn)行接頭疲勞性能測(cè)試；約定在107周次循環(huán)時(shí)仍未起裂的拉剪疲勞載荷為條件疲勞載荷。焊接接頭的疲勞性能采用GPS-200型疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照擬定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及疲勞性能分析

用最大拉剪載荷（Fmax）及拉剪載荷范圍（F0.1）表征的激光焊接頭S-N曲線如圖2所示。基于圖2的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（a）在激光焊接線能量=0.8636 kJ/cm的條件下，焊接接頭的疲勞載荷為：3.9 kN（最大拉剪載荷）、3.51 kN（拉剪載荷范圍）。

（b）在激光焊接線能量=0.9091 kJ/cm的條件下，焊接接頭的疲勞載荷為：4.0 kN（最大拉剪載荷）、3.60 kN（拉剪載荷范圍）。

圖3為不同線能量下激光焊接頭疲勞斷裂位置。可以看出，在兩種不同的線能量下疲勞裂紋均萌生于上板、下板與焊縫的交匯處。在高載荷條件下，疲勞裂紋在焊縫和下板中擴(kuò)展；在中、低載荷條件下，疲勞裂紋在下板中擴(kuò)展，擴(kuò)展方向近似垂直于板厚的方向，斷裂發(fā)生在2 mm厚的下板。

3 結(jié)語(yǔ)

該文以SUS301L奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，選取了不同線能量下激光焊接頭進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理建立并繪制接頭的S-N曲線，對(duì)S-N曲線進(jìn)行分析，得到了不同線能量下，激光焊接頭的疲勞載荷（最大拉剪載荷及拉剪載荷范圍），并對(duì)接頭疲勞斷裂位置進(jìn)行了研究，得到不同載荷條件下接頭疲勞斷裂的位置的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔約賢，王長(zhǎng)利.金屬斷口分析四[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 陳慶雷.SUS301L奧氏體不銹鋼激光焊接頭組織與力學(xué)性能的研究[D].吉林大學(xué)，2012.

[3] R.V.Duhamel，C.M.Banas.Laser in materials processing：Laser weldi ng of steels and nickel alloys[C].American Society of Metals，1983.

[4] 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.endprint

摘 要：隨著不銹鋼軌道客車的不斷發(fā)展，目前車體焊裝中主要采用的電阻點(diǎn)焊技術(shù)將會(huì)逐漸被激光焊接取代。該文針對(duì)SUS301L奧氏體不銹鋼搭接激光非熔透焊接頭進(jìn)行疲勞性能研究，通過(guò)數(shù)據(jù)處理建立并繪制了接頭的S-N曲線，以此對(duì)不銹鋼搭接激光焊接頭的疲勞性能進(jìn)行分析與研究。

關(guān)鍵詞：激光焊 SUS301L奧氏體不銹鋼 S-N曲線 疲勞性能

中圖分類號(hào)：TQ639 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（c）-0001-03

近幾十年來(lái)，由于疲勞破壞而導(dǎo)致的災(zāi)難性事故頻繁發(fā)生，為滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，人們?cè)絹?lái)越重視疲勞破壞的影響。隨著工業(yè)的發(fā)展，新的工程結(jié)構(gòu)和新材料的使用帶來(lái)了疲勞研究的新課題，加上疲勞研究原來(lái)就存在的問(wèn)題，疲勞研究將賦予新的意義[1]。該研究即是根據(jù)疲勞研究的新趨勢(shì)，針對(duì)客車公司實(shí)際生產(chǎn)中面臨的技術(shù)難題而進(jìn)行的新型研究。

1 試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定

該文根據(jù)前期的激光焊接試驗(yàn)，選擇焊接最優(yōu)參數(shù)為：激光功率2.0 kW、焊接速度22 mm/s、離焦量0.5 mm[2]。試驗(yàn)選取了激光功率、焊接速度兩個(gè)焊接參數(shù)見表1。

采用“二因素 三水平”的研究方法做正交試驗(yàn)表，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到激光焊接頭的力學(xué)性能，所得試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

說(shuō)明：方案三所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)分析不合理，所以舍棄。

2 激光焊接頭疲勞性能分析與研究

2.1 疲勞試驗(yàn)方法

在某些情況下需要通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)確立元件、結(jié)構(gòu)件或材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度曲線，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦S-N數(shù)據(jù)以圖形表示。此時(shí)，其橫坐標(biāo)為以對(duì)數(shù)形式示出的循環(huán)次數(shù)，而縱坐標(biāo)為以對(duì)數(shù)示出的應(yīng)力范圍[4]。而本實(shí)驗(yàn)采用的是以最大拉剪載荷（Fmax）及拉剪載荷范圍（F0.1）表征的激光焊接頭S-N曲線。

2.2 激光焊接頭疲勞性能測(cè)試

激光焊接頭疲勞性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 13816-92標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)技術(shù)要求，SUS301L系奧氏體不銹鋼板搭接的板厚組合為1+2 mm，疲勞試樣尺寸見圖1。試驗(yàn)條件：采用拉-拉加載方式；循環(huán)應(yīng)力比為r=0.1；加載頻率為130 Hz；在室溫、空氣介質(zhì)中進(jìn)行接頭疲勞性能測(cè)試；約定在107周次循環(huán)時(shí)仍未起裂的拉剪疲勞載荷為條件疲勞載荷。焊接接頭的疲勞性能采用GPS-200型疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照擬定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及疲勞性能分析

用最大拉剪載荷（Fmax）及拉剪載荷范圍（F0.1）表征的激光焊接頭S-N曲線如圖2所示。基于圖2的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（a）在激光焊接線能量=0.8636 kJ/cm的條件下，焊接接頭的疲勞載荷為：3.9 kN（最大拉剪載荷）、3.51 kN（拉剪載荷范圍）。

（b）在激光焊接線能量=0.9091 kJ/cm的條件下，焊接接頭的疲勞載荷為：4.0 kN（最大拉剪載荷）、3.60 kN（拉剪載荷范圍）。

圖3為不同線能量下激光焊接頭疲勞斷裂位置。可以看出，在兩種不同的線能量下疲勞裂紋均萌生于上板、下板與焊縫的交匯處。在高載荷條件下，疲勞裂紋在焊縫和下板中擴(kuò)展；在中、低載荷條件下，疲勞裂紋在下板中擴(kuò)展，擴(kuò)展方向近似垂直于板厚的方向，斷裂發(fā)生在2 mm厚的下板。

3 結(jié)語(yǔ)

該文以SUS301L奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，選取了不同線能量下激光焊接頭進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理建立并繪制接頭的S-N曲線，對(duì)S-N曲線進(jìn)行分析，得到了不同線能量下，激光焊接頭的疲勞載荷（最大拉剪載荷及拉剪載荷范圍），并對(duì)接頭疲勞斷裂位置進(jìn)行了研究，得到不同載荷條件下接頭疲勞斷裂的位置的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔約賢，王長(zhǎng)利.金屬斷口分析四[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 陳慶雷.SUS301L奧氏體不銹鋼激光焊接頭組織與力學(xué)性能的研究[D].吉林大學(xué)，2012.

[3] R.V.Duhamel，C.M.Banas.Laser in materials processing：Laser weldi ng of steels and nickel alloys[C].American Society of Metals，1983.

[4] 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.endprint