軌道車輛用不銹鋼等離子-MAG復(fù)合焊接頭疲勞試驗(yàn)

田洪雷，劉龍璽，孫維光，姚宇新，朱 平，史春元

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.大連交通大學(xué)，遼寧 大連116028）

0 前言

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)輕量化是提高車輛運(yùn)行速度的必要途徑。實(shí)現(xiàn)車體減重的主要方式有合理選擇材料和優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)。不銹鋼車體結(jié)構(gòu)由底架、車頂、側(cè)墻、端墻等組成，其中側(cè)墻、端墻、車頂和底架中的橫梁及波紋地板等部件主要采用SUS301L系列奧氏體不銹鋼薄板材料，而底架的枕梁、牽引梁等部件則采用中厚板的低合金高強(qiáng)鋼材料[1-3]。與低合金高強(qiáng)鋼相比，不銹鋼的耐腐蝕性更高，可以減小材料厚度，進(jìn)而降低車重[2]；但奧氏體不銹鋼材料熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱率低、焊接變形難以控制且調(diào)修困難[1]，因此不宜采用傳統(tǒng)的MAG電弧焊方法。

等離子-MAG復(fù)合焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的復(fù)合熱源焊接新技術(shù)。與傳統(tǒng)MAG焊相比，等離子-MAG復(fù)合焊熱輸入降低，熱源能量更集中、熱影響區(qū)域較小，不易造成零部件變形[4-5]。為此，本研究針對軌道車輛制造常用的SUS301L奧氏體不銹鋼板材，通過疲勞試驗(yàn)比較等離子復(fù)合焊與普通MAG焊所焊接頭的疲勞性能，為實(shí)現(xiàn)等離子-MAG復(fù)合焊在不銹鋼底架結(jié)構(gòu)部件制造中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑镾US301L-MT奧氏體不銹鋼板材，試板尺寸300 mm×150 mm×8 mm，焊接材料采用ER308LSi焊絲，直徑 φ1.0 mm，保護(hù)氣體為 φ（Ar）98%+φ（CO2）2%混合氣體。母材及焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire %

表2 母材和焊絲的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of base metal and welding wire

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 焊接試板制備方法

分別采用等離子-MAG復(fù)合焊和普通MAG焊進(jìn)行焊接，其中等離子-MAG復(fù)合焊接系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)型SUPER-MIG等離子焊接電源、Fronius TPS5000 CMT焊機(jī)、MOTOMAN HP-20D機(jī)械手等組成。施焊前編寫機(jī)械手運(yùn)行程序，調(diào)整焊槍至工件的距離及焊槍姿態(tài)。接頭型式分別為平板對接和十字角接，其中對接接頭坡口角度60°，十字接頭單面坡口角度50°，鈍邊尺寸均為0，焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Technical parameter of welding

1.2.2 疲勞試驗(yàn)及斷口分析方法

采用升降法在QBG-200型全數(shù)字高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：恒幅正弦波脈動拉伸載荷，室溫空氣環(huán)境，應(yīng)力比R=0，頻率f=85～90 Hz，壽命設(shè)定 Nf=2×106周次。對接接頭疲勞試驗(yàn)為4級應(yīng)力水平，十字接頭疲勞試驗(yàn)為3級應(yīng)力水平。應(yīng)力臺階均取d=13 MPa。試驗(yàn)后用SUPRA55場發(fā)射掃描電鏡分析疲勞試樣斷口微觀形貌。焊接接頭疲勞試樣的形狀及尺寸如圖1所示，其中對接接頭為帶有焊縫余高的疲勞試件，十字接頭疲勞試件的焊腳尺寸K≥8（板厚）。

圖1 疲勞試樣Fig.1 Fatigue specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 疲勞強(qiáng)度估算方法

參照GB/T24176-2009標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計估計給定疲勞壽命下的疲勞強(qiáng)度，通過升降法疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得在不同的置信度1-α、失效概率P和指定疲勞壽命Nf=2×106周次下的焊接接頭疲勞強(qiáng)度。

在給定疲勞壽命N下的疲勞強(qiáng)度，通常按正態(tài)分布來表達(dá)：

式中 y=S（在N下的疲勞強(qiáng)度）；μy和σy分別為平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

式（1）給出了y失效的累積概率，定義了疲勞強(qiáng)度低于或等于y的樣品比例。

根據(jù)升降法，對于在不同應(yīng)力水平下按照疲勞試樣失效或非失效次序獲得的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將應(yīng)力水平按升序進(jìn)行排序，S0≤S1≤…≤Sl（l為應(yīng)力水平數(shù)），指定事件數(shù)fi指定應(yīng)力臺階d。對疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計分析按式（1）估計參數(shù)：

假定疲勞強(qiáng)度符合正態(tài)分布，在置信度為1-α、失效概率為P下的疲勞強(qiáng)度下極限按下式估計

式中 系數(shù) k（p，1-α，ν）為正態(tài)分布的單邊誤差限，根據(jù)自由度ν來估計標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2 焊接接頭疲勞強(qiáng)度

普通MAG焊和等離子-MAG復(fù)合焊對接接頭和十字接頭的升降法疲勞試驗(yàn)結(jié)果分布及數(shù)據(jù)分析分別如表4和表5所示。

表4 對接接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析Table 4 Fatigue test results and data analysis for butt welded joints

表5 十字接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析Table 5 Fatigue test results and data analysis for cruciform welded joints

根據(jù)表4和表5中后三列數(shù)據(jù)分別計算A、B、C和D值，并代入式（2）和式（3）獲得MAG焊和等離子-MAG復(fù)合焊對接接頭與十字接頭疲勞強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表6所示。取置信度1-α=95%時，由GB/T24176-2009表B.1查得不同失效概率下的相關(guān)系數(shù) k（p，1-α，ν），再由式（4）計算出疲勞強(qiáng)度的下極限值，獲得失效概率與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系，如圖2所示。

表6 焊接接頭疲勞強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 6 Fatigue strength and standard deviation of the welded joints

圖2 疲勞強(qiáng)度與失效概率的關(guān)系Fig.2 Relation of fatigue strength and failure probability

由表6可知，當(dāng)接頭型式為對接接頭時，在帶有焊縫余高的條件下，普通MAG焊接頭與等離子-MAG復(fù)合焊接頭在循環(huán)壽命為2×106條件下的中值疲勞強(qiáng)度分別為260 MPa、279 MPa。與普通MAG焊對接接頭相比，等離子-MAG復(fù)合焊對接接頭的中值疲勞強(qiáng)度提高7%以上。對于十字接頭型式，普通MAG焊接頭與等離子-MAG復(fù)合焊接頭的中值疲勞強(qiáng)度分別為155 MPa和161 MPa。與普通MAG焊十字接頭相比，等離子-MAG復(fù)合焊十字接頭的中值疲勞強(qiáng)度提高約4%，提高幅度小于對接接頭。

由圖2可知，置信度為95%時，失效概率減小，疲勞強(qiáng)度相應(yīng)降低。

2.3 焊接接頭疲勞斷裂特征

普通MAG焊和等離子-MAG復(fù)合焊的對接接頭和十字接頭疲勞破斷位置及疲勞裂紋宏觀形貌如圖3所示。

由圖3可知，無論是對接接頭還是十字接頭，疲勞裂紋大都發(fā)生在焊趾處，可見焊趾部位因幾何形狀發(fā)生突變而產(chǎn)生的應(yīng)力集中是導(dǎo)致接頭疲勞開裂的主要原因。

帶有焊縫余高的普通MAG焊和等離子-MAG復(fù)合焊的對接接頭和十字接頭試樣疲勞斷口微觀特征如圖4和圖5所示。可以看出，疲勞裂紋主要起始于近表面的夾雜物處，也有的萌生于試樣表面上微觀缺口處。在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，疲勞裂紋擴(kuò)展特征明顯，有些試樣存在疲勞條帶。在瞬時斷裂區(qū)分布大量韌窩，呈典型的韌性斷裂特征。

3 結(jié)論

（1）中等厚度SUS30IL-MT不銹鋼等離子-MAG復(fù)合焊帶有焊縫余高的對接接頭和十字接頭，在循環(huán)壽命2×106的條件下，中值疲勞強(qiáng)度分別為279MPa和160MPa。與MAG焊接頭相比，等離子-MAG復(fù)合焊對接接頭疲勞強(qiáng)度提高7%以上，十字接頭疲勞強(qiáng)度提高約4%。

圖3 焊接接頭疲勞裂紋宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearance of fatigue cracks in welded joints

圖4 對接接頭疲勞斷口微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of fatigue fracture of butt joints

圖5 十字接頭疲勞斷口微觀特征Fig.5 Microscopic characteristics of fatigue fracture of cruciform joints

（2）無論是對接接頭還是十字接頭，等離子-MAG復(fù)合焊接頭均在焊趾處發(fā)生疲勞破壞，可知焊趾應(yīng)力集中是導(dǎo)致接頭疲勞開裂的主要原因。

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