快捷貨車轉(zhuǎn)向架用Q345E鋼板焊接接頭疲勞性能研究

魏世同　姜海昌　陸善平

摘要：采用熔化極非惰性氣體保護電弧焊（MAG）工藝對快捷貨車轉(zhuǎn)向架用Q345E鋼板進行焊接試驗，經(jīng)無損檢測合格后對焊接接頭進行疲勞性能試驗，制定了焊接接頭的疲勞S-N曲線，并采用升降法確定了接頭的疲勞極限及標準偏差，通過對疲勞試樣斷口進行系統(tǒng)分析，確定了接頭的疲勞失效機制，結(jié)果表明：接頭焊縫內(nèi)的微小氣孔和夾渣缺欠對接頭的疲勞性能有明顯影響，該缺欠在接頭疲勞試驗過程中將成為疲勞裂紋的萌生位置，進而惡化接頭的疲勞性能。

關(guān)鍵詞：富氬基CO2焊;疲勞極限;S-N曲線;掃描電鏡;疲勞斷口

中圖分類號：TG457.11 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0105-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.20

0 前言

基于貨運市場需求，尤其是貨運的物流化發(fā)展，快捷貨物運輸已經(jīng)成為世界鐵路運輸?shù)闹饕l(fā)展方向之一[1-2]。目前我國鐵路開行的行包行郵專列在運輸能力、服務(wù)水平方面與客戶的要求還存在差距，尚不能完全滿足社會需求，快捷貨運市場潛力巨大。通過快捷運送小批量、高附加值的貨物，提高運輸資源利用率，可以提高鐵路貨物運輸?shù)母偁幜3]。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為車輛系統(tǒng)中一個至關(guān)重要的核心部件，它集承載、牽引、緩沖、轉(zhuǎn)向及制動等功能于一身，并直接承載車體質(zhì)量，保證車輛順利通過曲線軌道。近年來，鐵路貨車主機廠紛紛研制開發(fā)160 km/h快捷貨車轉(zhuǎn)向架，其在車輛運行過程中承受著復(fù)雜的交變高頻載荷，其中焊接接頭作為薄弱環(huán)節(jié)，對其疲勞性能的評價工作尤為重要[4-5]。

我國自主研制的快捷貨車的轉(zhuǎn)向架用材料為Q345E鋼板，其構(gòu)架焊接普遍采用熔化極非惰性氣體保護電弧焊，該方法既減輕了純CO2焊時的強氧化性，使電弧燃燒更穩(wěn)定，減小飛濺，容易獲得軸向噴射過渡，還避免了單一氬氣焊接時存在的陰極飄移現(xiàn)象和成本高等問題，改善了焊絲金屬與母材金屬的浸潤性，焊縫成形好。

本試驗使用直徑φ1.2 mm的ER50-6低合金鋼焊絲對Q345E鋼板進行現(xiàn)場焊接工藝試驗，制備Q345E焊接接頭，之后對焊接接頭進行脈動疲勞試驗，繪制接頭S-N曲線，確定疲勞極限及標準偏差，并觀察典型疲勞試樣斷口，確定接頭失效機制。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)高強鋼焊接接頭疲勞失效分析。

1 試驗方法

采用熔化極非惰性氣體保護電弧焊[φ（Ar）80%

+φ（CO2）20%]對快捷貨車轉(zhuǎn)向架用Q345E鋼板進行焊接，尺寸400 mm×200 mm×14 mm，母材及焊絲成分如表1所示。Q345E鋼板力學(xué)性能如表2所示。焊接接頭形式為Y型坡口，如圖1所示，采用5道進行焊接，采用脈沖焊接模式，焊接電流220 A，電弧電壓25 V，層間溫度≤150 ℃，焊后對焊接試板進行消應(yīng)力退火處理（550 ℃保溫2.5 h）。

焊接接頭疲勞試樣尺寸如圖2所示，試樣為矩形截面，焊縫位于平行段中心位置，疲勞試驗按照GB/T3075-2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》要求進行，應(yīng)力比R=0，采用不同應(yīng)力水平進行疲勞試驗，制定焊接接頭的疲勞S-N曲線，并采用升降法確定接頭的疲勞極限及標準偏差。

2 試驗結(jié)果與分析

不同疲勞載荷條件下Q345E焊接接頭疲勞性能測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，當(dāng)疲勞載荷小于等于360 MPa時，經(jīng)過1×107次疲勞循環(huán)后接頭未發(fā)生開裂，當(dāng)疲勞載荷高于360 MPa時，接頭在1×107次疲勞循環(huán)次數(shù)以內(nèi)發(fā)生斷裂，斷裂位置可能在焊縫內(nèi)或母材處，在相同疲勞載荷條件下，斷裂于母材的疲勞循環(huán)次數(shù)明顯高于斷裂于焊縫的疲勞循環(huán)次數(shù)。Q345E焊接接頭S-N疲勞曲線如圖3所示。

根據(jù)試驗結(jié)果，采用升降法計算接頭疲勞極限數(shù)據(jù)分析如表4所示。由表4可計算得到對應(yīng)于1.0×107的中值疲勞極限及其標準偏差，計算公式如式（1）～式（6）所示。

計算可得，A=4，B=4，C=4，D=0，疲勞極限μy=367.5 MPa，標準偏差σy=0.70 MPa。

焊接接頭經(jīng)疲勞循環(huán)后斷于焊縫及母材的試樣照片如圖4所示，由斷裂試樣上表面及側(cè)面照片可清楚分辨出試樣的斷裂位置，圖4a斷于焊縫內(nèi)，圖4b斷于母材。

不同疲勞載荷條件下斷裂試樣斷口掃描電鏡分析照片如圖5～圖8所示。

圖5和圖6分別為疲勞載荷為375 MPa的8#和13#試樣斷口掃描電鏡照片，均斷于焊縫，8#試樣的疲勞裂紋起源于焊縫內(nèi)夾渣處，之后向四周擴展，夾渣成分如表5所示，13#試樣的疲勞裂紋起源于焊縫內(nèi)氣孔處，之后向四周擴展。

圖7和圖8分別為疲勞載荷480 MPa的19#和20#試樣斷口掃描電鏡照片。19#試樣斷于母材，疲勞斷口上無氣孔和夾渣缺欠，疲勞裂紋沿試樣表面的尖角處萌生，并向試樣內(nèi)部擴展;而20#試樣斷于焊縫處，疲勞裂紋起源于焊縫內(nèi)夾渣處，之后向四周擴展，夾渣成分如表6所示，焊縫內(nèi)的氣孔和夾渣缺欠作為應(yīng)力集中位置，可以促使疲勞裂紋的發(fā)生，降低接頭的疲勞壽命，因此在相同疲勞載荷條件下，斷裂于母材試樣的疲勞循環(huán)次數(shù)（19#試樣）明顯高于斷裂于焊縫試樣的疲勞循環(huán)次數(shù)（20#試樣）。

3 結(jié)論

對快捷貨車轉(zhuǎn)向架用Q345E鋼板熔化極非惰性氣體保護電弧焊接頭進行疲勞性能試驗，制定了焊接接頭的疲勞S-N曲線，并采用升降法確定了接頭的疲勞極限及標準偏差分別為367.5 MPa和0.70 MPa，通過對不同疲勞載荷條件下疲勞試樣的斷口分析確定了接頭的疲勞失效機制，接頭焊縫內(nèi)的微小氣孔和夾渣缺欠在疲勞試驗過程中將成為疲勞裂紋的萌生位置，惡化接頭的疲勞性能，本研究對于工程應(yīng)用具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1] 李培行，劉宏友，蘇硯幫. 快速貨車轉(zhuǎn)向架發(fā)展及構(gòu)架強度試驗標準探討[J]. 國外鐵道車輛，2018，55（6）：35-40.

[2] 韓立，趙雷，刁克軍，等. 時速160 km快捷貨車352226A型軸承仿真分析[J]. 鐵道車輛，2018，56（4）：5-8.

[3] 劉宏友，高常君，王云鵬，等. 160 km/h快捷貨車轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)臨界速度的確定方法[J]. 鐵道車輛，2017，55（6）：1-5，18.

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[5] 馬清波，黃顯峰，黃鳳龍，等. 鐵路快捷貨車焊接轉(zhuǎn)向架典型接頭疲勞性能研究與應(yīng)用[J]. 電焊機，2019，49（2）：72-75.