預拉伸對不銹鋼電阻點焊接頭疲勞壽命的影響

朱國仁，龐立林，朱慨迅，楊明，王洪瀟

(1.吉林大學,長春 130022；2.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

0 前言

電阻點焊以其生產效率高、簡單易操作等特點，普遍應用在軌道交通客車與汽車的生產中[1]。焊點的強度對于車身體結構的各種性能起到至關重要的作用[2]。因此較好的焊接接頭質量是提升客車和汽車安全性和可靠性的重要途徑。而在實際焊接過程中，接頭處往往伴隨著殘余應力問題[3-4]，若焊接殘余應力與疲勞載荷疊加后在材料表面形成拉應力，則不利于構建的疲勞強度[5]。

文中施加預拉載荷的方式能夠調整殘余應力，通過試驗能夠得出預拉載荷的最優選取區間，將不銹鋼電阻點焊接頭的疲勞壽命從有限壽命區提升至無限壽命區[6-7]。

1 試樣規格

標準接頭試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗參數見表1。試樣由兩塊長150 mm、寬50 mm、厚度不同的不銹鋼鋼板通過電阻點焊焊接而成。為防止由于焊接板不等厚而導致在疲勞試驗中產生偏心現象，在焊接板兩側焊有墊板，從而實現受力均勻[8]。

圖1 試樣及試樣形狀

表1 試驗參數

2 預拉載荷對疲勞壽命的影響

2.1 試驗設備

拉伸試驗機型號為：WDW—200型電子式萬能試驗機，載荷示值誤差≤±1%；疲勞試驗機型號為：LPJ—20E-2型高頻拉壓疲勞試驗機，載荷示值誤差≤±1%。

選取1，2兩組試樣，在室溫空氣介質中進行，等幅正弦曲線變化的剪切拉壓，試驗應力比為0.1，試驗頻率為100～150 Hz，將1×107默認為疲勞極限壽命次數[9]。

2.2 疲勞試驗載荷水平的選取

(1)

(2)

這一載荷水平下不銹鋼電阻點焊的疲勞壽命散差較小，因此各組疲勞測試進行兩次試驗即可作為解釋性試驗。

2.3 預拉伸試驗的具體方法

試件在疲勞試驗機上安裝好后，進行預拉伸，持續時間為1 min；隨后將載荷卸載為0，進行疲勞測試，后文采用的名詞均用符號代替，不再贅述。

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2.4 未進行預拉伸試樣的疲勞壽命

1，2號試樣試驗數據詳見表2。

表2 未拉伸試樣試驗數據

可以看出雖然兩組試樣的中值疲勞壽命相差數倍，但二者疲勞壽命均在中短壽命區內。說明給定的Pmax遠遠超過疲勞極限。又由于電阻點焊工藝性已經趨于成熟，在高載荷水平下散差較小，因此當疲勞壽命增加時能夠更好的表現出預拉伸載荷對疲勞壽命大小的影響。

2.5 預拉伸試樣的疲勞壽命

表3 1號試樣拉伸后試驗數據

表4 2號試樣拉伸后試驗數據

2.6 預拉力對疲勞壽命影響分析及其選取范圍

圖2 載荷-壽命曲線圖

分析原因，在交變應力作用下，接頭內部產生塑性變形，殘余應力發生松弛[10-11]。而當T>Pmax時，殘余應力提前產生更大程度的釋放，從而提高疲勞壽命。而在預拉載荷增大到一定程度后對焊接接頭的機械性造成了破壞，反而減少焊接接頭應有的疲勞壽命。

當T達到55%以上時兩焊接板將出現分離現象,這一現象隨著T的增大更加明顯，如圖3所示，且將T卸載后形狀無法恢復，對接頭外形、尺寸及其他各方面性能有極大的影響。因此50%左右為最優區間，能夠最大程度提升疲勞壽命。

圖3 試件變形圖

3 殘余應力測試

疲勞測試中，殘余應力作為平均應力對疲勞壽命產生影響。點焊時由于溫度梯度的影響，中央部分存在顯著熱膨脹現象，但由于受到四周巨大的束縛力，使之發生塑性壓縮.冷卻后，中央部分將在徑向上產生接近于屈服極限的殘余拉應力。傳統點焊產生的殘余應力分布如圖4[11]所示。

圖4 殘余應力分布圖

在預拉過程中，圓形分布的殘余應力會隨受力方向發生變化，即從圓形分布變為以受力方向X軸為長軸的橢圓形，殘余應力與外載荷疊加，產生塑性變形，而在Y方向上，受力影響較小且發生均勻變化，但由于為限制X方向上變形也會產生壓縮應變從而減小拉應力，因此需要同時測定兩個方向上的殘余應力，如圖5所示。目前較為先進的X射線衍射法[12-15]只能測得表面位置的殘余應力，因此為測得更準確的殘余應力分布，采用鉆孔法更為合理。

圖5 焊點位置拉伸過程示意圖

(3)

(4)

式中：A取-0.46；B取-0.79[11]。

圖6 殘余應力測試試樣

表5 各方向殘余應力

焊態試件X，Y方向上殘余拉應力在600 MPa以上，對接頭疲勞壽命產生嚴重影響。預拉伸后，X方向殘余拉應力降至67 MPa，而X方向也是疲勞試驗中交變載荷的方向，因此疲勞極限大幅提升；Y方向上，殘余應力下降至1/3也是提高疲勞壽命的另一保障。

4 結論

(3)在選取最優區間的預拉載荷后，焊點內部殘余拉應力在受力方向減小較多，能夠低于100 MPa，垂直受力方向也能夠降至1/3。