激光填絲焊碳鋼車體不等厚對接接頭疲勞性能

李 洋，郭麗娟，劉東軍，田 慧，劉華偉

（中車唐山機車車輛有限公司制造技術中心，河北唐山063035）

0 前言

軌道車輛車體結構常用材料主要有碳鋼、不銹鋼、鋁合金3類。其中碳鋼材料具有低成本、易于修復等優勢，廣泛應用于普速客車的車體結構制造[1-2]。目前國內已開始在時速較低的動車組車體結構上使用碳鋼材料進行設計和生產試制。

焊接是車體結構中最主要的連接方式。激光填絲焊的熱輸入低于常規熔焊，焊接變形小，焊縫質量更好，同時降低了激光焊接對工件焊前坡口準備和接頭裝配精度的要求，易于實現自動化生產[3-5]。因此，激光填絲焊更適合長焊縫以及要求變形小的車體結構焊縫的焊接。試驗基于碳鋼車體及軌道交通關鍵結構件對激光填絲焊接技術的需求，針對厚度為2.5mm和4mm車體用碳鋼材料的不等厚對接接頭，研究激光填絲焊接接頭疲勞性能，為后續碳鋼車體相關結構件的激光填絲焊接提供數據支撐。

1 試驗設備、材料和方法

1.1 母材及焊接材料

母材為2.5mm厚的Q310NQL2鋼和4mm厚的Q345NQR2鋼，焊材采用φ1.0mm的ER50-G焊絲。母材及焊絲的化學成分及力學性能見表1、表2。

表1 母材和焊絲的化學成分 %

表2 母材性能

1.2 試驗設備

采用激光填絲焊，6 kW光纖激光器，送絲機為數字化TIG焊設備中的送絲機構。使用PLG-100型微機控制高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗。

1.3 試驗方法

1.3.1 焊接接頭形式及焊接工藝參數

針對2.5mm+4mm對接接頭，采用單道焊雙面成形。焊接接頭為I型坡口，接頭形式如圖1所示。

圖1 焊接接頭坡口形式

焊接時激光、焊絲以及試板的相對位置如圖2所示。激光、焊絲和焊接方向在一條線上，焊絲在前，激光在后。激光與試板成80°夾角，焊絲與試板成20°夾角。得到的最佳焊接工藝參數見表3所示。

圖2 焊絲、激光相對位置

1.3.2 疲勞試驗方法

按GB/T 13816-1992《焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法》標準要求進行疲勞試驗，以確定2.5mm+4mm激光填絲焊不等厚對接接頭（去掉背面余高）的疲勞性能。循環應力比R=0.1，指定循環壽命1×107次。在試驗過程中，當疲勞裂紋尺寸足夠大導致無法再增加載荷時，自動卸載停振，并記錄循環次數。

表3 焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1 疲勞試驗結果

2.5mm Q310NQL2鋼+4.0mm Q345NQR2鋼激光填絲焊對接接頭脈動拉伸疲勞試驗結果如表4所示。

表4 不等厚對接接頭脈動拉伸疲勞試驗結果

根據表4，通過升降法確定2.5mm Q310NQL2鋼+4.0mm Q345NQR2鋼激光填絲焊不等厚對接接頭的指定壽命為1×107次循環下的疲勞極限結果如圖3所示，“×”表示在該應力水平下試件未達到指定壽命時斷裂，“О”表示在該應力水平下試件達到指定壽命時未斷裂。可見應力水平有3級，有效試件數12個，子樣對共4個。中值疲勞極限為

圖3 疲勞極限升降

2.2 試件斷口形貌

2.5mm Q310NQL2鋼+4.0mm Q345NQR2鋼激光填絲焊對接接頭脈動拉伸疲勞試件宏觀形貌如圖4所示，箭頭所指為斷裂試件的裂紋處。

圖4 接頭脈動拉伸疲勞試件宏觀形貌

由圖 4可知，2.5 mm Q310NQL2鋼+4.0 mm Q345NQR2鋼激光填絲焊對接接頭脈動拉伸疲勞試件斷裂于焊趾（2.5mm板一側）處。2.5mm 厚Q310NQL2鋼+4.0mm厚Q345NQR2鋼激光填絲焊對接接頭疲勞試件斷口形貌如圖5所示。

由圖5可知，2.5mm厚Q310NQL2鋼+4.0mm厚Q345NQR2鋼激光填絲焊對接接頭部分斷裂脈動拉伸疲勞試件中，啟裂處位于試件邊緣；斷口具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞條紋清晰，說明斷裂是由應力循環造成的，擴展區的大小隨疲勞循環次數的增加而增大；瞬斷區斷口形貌為大小不一的淺韌窩，說明斷裂過程以韌性斷裂為主。

圖5 接頭典型疲勞試件微觀斷口形貌

3 結論

（1）在指定壽命為1×107次循環下，2.5mm厚Q310NQL2鋼+4.0mm厚Q345NQR2鋼激光填絲焊不等厚對接接頭的中值疲勞極限σ0.1為237.5MPa。

（2）疲勞試件斷裂位置在厚度2.5mm板一側的焊趾處，主要原因是該處存在較大的應力集中。

（3）疲勞裂紋是從試件邊緣啟裂，斷口具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞條紋清晰，擴展區的大小隨疲勞循環次數的增加而增大，瞬斷區斷口形貌為大小不一的淺韌窩，斷裂過程以韌性斷裂為主。

[1]馬洪光，閻鋒，鄧海.軌道客車車體結構材料選擇分析[J].鐵道機車車輛，2015，35（4）：54-58.

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