打磨方式對SMA490BW耐候鋼十字接頭疲勞性能的影響

王磊，曾泓潤，劉小鵬，回麗，叢家慧

(1.沈陽航空航天大學，航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學，機電工程學院，沈陽 110136)

0 前言

SMA490BW耐候鋼其由于碳含量低，抵抗破壞能力強，具有優質的抗變形能力和抗腐蝕性能[1-7]，是中國新一代CRH2型列車轉向架主要材料。轉向架是高速列車正常運行的關鍵部件，因其結構復雜不能一次性加工成形，只能通過焊接的形式對鋼板進行組合。但由于焊接缺陷與接頭應力集中的存在，使得焊接接頭成為列車轉向架的薄弱點。因此，轉向架焊接接頭的質量直接影響到鐵路車輛的運行安全[8]。

隨著中國高速鐵路的快速發展，實現轉向架輕量化的同時還要保證其足夠的疲勞強度，轉向架焊接接頭疲勞性能的研究尤為重要[9]。目前，于影霞等人[10]研究了SMA490BW耐候鋼焊接接頭超高周疲勞性能的影響因素，發現改善應力集中、細化表面層晶粒、引入殘余應力對延長焊接接頭壽命的貢獻比分別為59%，28%和13%。許良等人[11-12]對SMA490BW耐候鋼疲勞性能進行了研究，發現與光滑試樣(Kt=1)相比，缺口試樣(Kt=3)疲勞極限減小了61%，T-L取樣方向試樣的疲勞極限較L-T取樣方向高5.4%。何柏林等人[13]對機械打磨提高SMA490BW耐候鋼焊接接頭超高周疲勞性能進行了研究，發現對比原始焊態試樣，經機械打磨的試樣疲勞壽命提升約5倍。但是目前關于不同打磨方式對十字接頭疲勞性能的影響研究還較少，而工程上對焊接接頭打磨方式的選擇還比較隨意，沒有統一標準。文中研究不同打磨方式對SMA490BW耐候鋼十字接頭疲勞性能的影響，可為工程上采用合理的焊接接頭打磨方式提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用SMA490BW耐候鋼，是進口的低合金高強度熱軋耐候鋼，其化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 SMA490BW耐候鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 SMA490BW耐候鋼的力學性能

1.2 焊接工藝及焊接接頭試樣尺寸

焊接所用原始鋼板尺寸為300 mm×150 mm×12 mm。采取MAG熔化焊進行十字接頭的焊接，保護氣體為80%Ar+20%CO2，選用CHW55-CNH焊絲，焊絲直徑1.6 mm。

圖1為十字接頭試樣具體結構。對焊趾處進行簡單打磨和過渡圓弧打磨得到不同的打磨試樣，焊趾處示意圖如圖2所示。

圖1 SMA490BW耐候鋼十字接頭試樣結構

圖2 SMA490BW焊趾處示意圖

1.3 試驗過程與方法

采用QBG-100高頻疲勞試驗機，參照GB 3075—82《金屬軸向疲勞試驗方法》進行疲勞試驗，試驗條件為室溫空氣，應力比R=-1，正弦波加載。

采用Merlin Compact型掃描電子顯微鏡對SMA490BW耐候鋼十字焊接頭進行斷口觀察。

根據試驗件外形輪廓建立模型，在不考慮焊接缺陷與殘余應力的影響下，采用ABAQUS有限元軟件對SMA490BW耐候鋼十字焊接頭進行應力分析，計算焊趾處應力集中系數。對于焊趾處進行網格細化，遠離焊趾處可適當增大網格以減小模型規模，劃分的有限元網格如圖3所示。設置模型的邊界條件為試樣左端完全固定，右端施加50 MPa的均勻拉伸載荷[14]。

圖3 十字接頭有限元網格

2 試驗結果與討論

2.1 打磨方式對焊接接頭疲勞性能的影響

圖4為根據疲勞試驗結果，試驗數據在50%存活率下90%置信度，采用最小二乘法進行擬合得到的SMA490BW耐候鋼不同打磨方式下的S-N曲線，表3為不同打磨方式對應的S-N曲線關系方程。從圖4可以看出，簡單打磨試樣與過渡圓弧打磨試樣的S-N曲線均位于未打磨試樣的上方，不同應力水平條件下過渡圓弧打磨試樣的疲勞壽命最高，簡單打磨試樣次之，未打磨試樣最差。未打磨試樣疲勞極限約為70.6 MPa，簡單打磨試樣約為98.6 MPa，過渡圓弧打磨試樣提高到約104.4 MPa。簡單打磨和過渡圓弧打磨相對比未打磨試樣的疲勞極限分別提高39.7%和47.9%。以上說明打磨質量越好，試樣的疲勞壽命越好，疲勞極限越高。

表3 S-N曲線方程

圖4 不同打磨方式S-N曲線對比

2.2 疲勞斷口形貌

圖5為不同試樣裂紋源形貌，未打磨試樣斷口上存在多個裂紋源，簡單打磨與過渡圓弧打磨裂紋萌生于焊趾表面，裂紋萌生部位減少。由此可見，不同方式打磨改善了焊趾表面質量，降低了由表面缺陷導致的焊趾裂紋萌生概率。圖6為不同試樣擴展區疲勞斷口形貌，不同打磨方式擴展區均可清晰觀察到疲勞條帶，簡單打磨與過渡圓弧打磨試樣擴展區較為平整，未打磨試樣擴展區由于多個裂紋源萌生出的裂紋不在同一平面，裂紋交匯處可以看到臺階狀與脊狀形態，形貌相對較為粗糙。圖7為不同試樣瞬斷區疲勞斷口形貌，均表現為尺寸大小各不相同的等軸韌窩，大韌窩周圍密集分布著小韌窩，表現為典型的韌性斷裂特征。

圖5 不同打磨方式裂紋源

圖6 不同打磨方式擴展區

圖7 不同打磨方式瞬斷區

2.3 打磨方式對焊趾處應力集中的影響

觀察不同打磨方式試樣的焊趾區幾何形狀，如圖8所示。圖8a中未打磨試樣的焊趾過渡較為尖銳，過渡圓弧半徑較小；圖8b中簡單打磨試樣焊趾處過渡半徑略有增大；圖8c中過渡圓弧打磨試樣實現了焊縫與母材之間平滑過渡，且焊趾過渡半徑明顯增大。

圖8 SMA490BW耐候鋼不同打磨狀態試驗件

圖9為未打磨、簡單打磨和過渡圓弧打磨試樣的主應力云圖。應力集中系數為焊趾處最大應力與所在截面平均應力之比[15]。通過計算得到未打磨、簡單打磨和過渡圓弧打磨的應力集中系數分別為1.558，1.402和1.297。對比未打磨接頭，簡單打磨和過渡圓弧打磨接頭的應力集中系數分別降低了10.0%和16.8%。

圖9 焊接接頭主應力云圖

通過仿真結果可以看出打磨質量越高應力集中系數越小，這是因為打磨處理可以消除表面缺陷(如魚鱗紋、凹坑、小咬邊等)，并使焊趾處平滑過渡，從而降低應力集中和裂紋萌生概率，明顯提高焊接接頭的疲勞性能。從試驗件斷裂位置可以發現，斷裂均位于焊趾區域，打磨雖可以一定程度降低焊趾處的應力集中，但并不能完全消除，焊趾區域仍然存在較大的應力集中，屬于疲勞破壞的薄弱部分。

3 結論

(1)未打磨試樣疲勞極限約為70.6 MPa，簡單打磨試樣約為98.6 MPa，過渡圓弧打磨試樣約為104.4 MPa。簡單打磨和過渡圓弧打磨對比未打磨的疲勞極限分別提高39.7%和47.9%。

(2)未打磨試樣斷口上存在多個裂紋源，簡單打磨與過渡圓弧打磨裂紋萌生位置減少，打磨改善了焊接接頭表面質量從而提高疲勞壽命，不同打磨方式試樣均為韌性斷裂。

(3)未打磨、簡單打磨和過渡圓弧打磨試樣的應力集中系數分別為1.558，1.402和1.297。簡單打磨和過渡圓弧打磨試樣的應力集中系數分別降低了10.0%和16.8%，對焊接接頭的疲勞壽命提高起關鍵作用。