301L不銹鋼電阻點焊搭接接頭疲勞性能研究

梁景恒，陳俊宏，于壯壯，張子博，董園園，張濤

中國兵器工業第五二研究所煙臺分所有限責任公司 山東煙臺 264003

1 序言

奧氏體不銹鋼具有無磁性、良好的焊接性以及耐蝕性等特征。301L奧氏體不銹鋼冷軋板是制造軌道輕量客車的主要材料，滿足車輛所需要的全部強度等級和優異的力學性能。客車車體采用搭接電阻點焊的焊接工藝，車體結構主要的失效模式是疲勞斷裂，嚴重影響了點焊結構的使用壽命，更是關系到整個車輛的運行安全[1-6]。

整車車體疲勞強度計算需要單點疲勞強度作為數據支撐。電阻點焊單點試樣疲勞過程中最大應力位于焊點兩端受力側的母材熱影響區，由于其搭接連接方式導致兩板中心不在一條直線上，所以受力后會產生一定角度的偏轉，進一步加劇應力集中程度[7-10]。在車體結構中電阻點焊并不是以單點形式存在，而是由兩張大尺寸母材經多個焊點一起拼接而成，大尺寸母材以及相鄰焊點的約束作用會降低單點受力后的偏轉程度，因此用常規單點試樣數據來計算整車車體疲勞強度的準確性較低。在現代社會，裝備輕量化對于全面實現節能減排具有重要意義，因此在滿足車體強度需求的前提下合理減薄材料厚度是許多企業的共同目標。

本文正是基于上述問題，通過開展試樣受力后仿真計算，并結合實驗室疲勞測試計算結果，研究不同板厚以及試樣形狀對接頭疲勞性能的影響規律，為車體強度模擬計算提供依據，為車體厚度選擇提供技術支持。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗材料為301L不銹鋼，其化學成分和力學性能分別見表1、表2。

表1 301L不銹鋼化學成分（質量分數）（%）

表2 301L不銹鋼力學性能

2.2 試驗方法

試驗用不帶翼板試樣尺寸如圖1所示，帶翼板試樣尺寸如圖2所示。所用板厚從0.8～4mm進行不同搭配，焊點直徑統一為10mm。

圖1 不帶翼板不同板厚組合常規試樣尺寸

圖2 帶翼板不同板厚組合試樣尺寸

模擬用Patron軟件對不帶翼板和帶翼板的試樣進行六面體單元建模，采用殼單元拉伸為實體單元的辦法。模擬輸入的材料彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，單側約束，另一端沿試樣長度方向施加載荷。為了便于比較，所有規格試樣施加載荷均設為6kN，計算過程不考慮材料的彈塑性變形，獲得不同試樣missy應力。

為驗證模擬計算結果，疲勞試驗采用QBG-20高頻疲勞試驗機，頻率為80～100Hz，應力比R＝0.1，測得循環壽命107次下存活率為50%的中值疲勞極限。

3 結果與分析討論

3.1 模擬計算結果

針對不同厚度組合進行分組，第1組為0.8mm薄板不變，匹配厚度分別為0.8mm、1.5mm、2mm、3mm和4mm；第2組為4mm厚板不變，匹配厚度分別為0.8mm、1.5mm、2mm、3mm和4mm。對第3組帶翼板的試樣，因為考慮到厚板剛性較好，所以加翼板的組合采用4mm不變，匹配厚度分別為0.8mm、1.5mm、2mm、3mm和4mm的組合。對3組試樣施加6kN力后，試樣均發生不同程度的翹曲，在焊點受力側熱影響區附近應力增長最快且為最大應力集中處。同組試樣隨板厚的增加，熔核周圍的應力分布差逐步變小，最大應力值逐步降低。截取每組試樣最大應力集中側的試板（即薄板側）仿真結果，不帶翼板不同組合試樣與帶翼板不同組合試樣受力后焊點兩端受力側最大應力仿真結果分別如圖3和圖4所示，仿真計算焊點兩端受力側最大應力結果見表3，不同組合試樣仿真最大應力分布曲線如圖5所示。

圖4 帶翼板不同組合試樣受力后焊點兩端受力側最大應力仿真結果

圖5 不同組合試樣仿真最大應力分布曲線

表3 仿真計算焊點兩端受力側最大應力結果

3.2 疲勞試驗結果

將試驗數據按照GB/T 24175—2009《金屬材料疲勞試驗 數據統計方案與分析方法》進行統計計算，所得不同組合試樣的中值疲勞極限結果見表4，不同組合試樣疲勞試驗結果分布曲線如圖6所示，異種厚度搭接點焊的試樣疲勞斷裂位置均為薄板受力側靠近熔核的熱影響區處（見圖7），同種板厚則兩板隨機出現，帶翼板的試樣疲勞裂紋位置與不帶翼板的試樣一致。

圖6 不同組合試樣疲勞試驗結果分布曲線

表4 不同組合試樣中值疲勞極限結果

3.3 討論

搭接結構使得電阻點焊接頭試樣受力后任一尺寸下應力不均勻分布，而疲勞破壞也是從焊點兩端受力側熱影響區處萌生裂紋，因此實驗室條件下采用板材或熔核橫截面積來計算試驗名義應力具有不準確的特點。工程應用下一般以載荷來評價接頭強度，而模擬計算則可在任一節點提取應力，更貼合實際情況。對比模擬計算與試驗結果時僅考慮趨勢及數值比。

從圖3、圖4可看到，試樣受力后最大應力位于焊點兩端受力側熱影響區附近，0.8mm側板厚不變的組合，匹配板厚越厚，最大應力越低（見圖3a～e）；當板厚4mm不變時，與其匹配的板厚越厚，最大應力也越低，并且最大應力與0.8mm厚不變的組合相比要低約50%（見圖3f～i）。增加翼板后最大應力得到進一步降低（見圖4），這是因為翼板的支撐作用降低了試樣受力后發生的偏轉，熔核周圍應力差變小，同時還可以看到增加翼板后3mm＋4mm和4mm＋4mm兩個板厚組合最大應力擬合線段趨于水平，說明該種結構下最大應力接近最小值。

由表4可知，在一定板厚范圍內，0.8mm厚薄板不變，匹配板厚度從0.8mm增加至4mm，疲勞強度增長219%；當4mm側板厚度不變時，匹配板厚度從0.8mm增加至4mm，疲勞強度增長81%，疲勞強度增加的幅度較0.8mm側板厚度不變的組合差，這說明試樣板厚較薄時，其剛性對于疲勞結果起著決定性的作用，板厚越厚，抵抗變形的能力越強，剛性越高，焊點兩端偏轉情況減弱，疲勞強度越高。帶翼板的試樣，相比4mm側板厚度不變的組合來說，疲勞強度也都得到進一步增長。值得一提的是，4mm＋4mm比3mm＋4mm組合的疲勞極限僅提高0.1kN，對應表3中的最大應力差較其他組合也有所降低，說明該電阻點焊結構已經趨于最大的疲勞極限，厚板剛性足以支撐試樣抵抗大的變形，增加翼板對于提升試樣剛性以及疲勞強度作用有限。

綜上對比，模擬計算結果與疲勞試驗結果趨勢相反，符合應力集中越大、疲勞性能越低的特點。疲勞試驗不同于靜態拉伸剪切試驗，對于靜態拉伸剪切來說，母材強度和焊點剪切強度的大小決定了最后失效的位置，薄板傾向于從母材撕裂，而厚板傾向于從焊點處橫貫焊點熔核直徑剪切斷裂；疲勞試驗影響最大的因素就是應力集中，試樣承受的交變載荷遠低于焊點剪切斷裂的載荷，靠近焊點兩端母材受力側承受的最大應力成為疲勞破壞的主要因素[10]，該最大應力不可避免，但是單點疲勞試驗可以通過增加翼板的方式提高試樣剛性以達到提高疲勞極限的目的。

車體的疲勞仿真計算需要建模并且輸入不同板厚組合的單點疲勞強度，而車體為多張整板搭接后拼接而成，由于整板剛性以及相鄰焊點的約束，使得焊點受力后兩側母材發生角度偏轉程度要低于單點試樣，應力集中程度也伴隨著降低，因此單點疲勞結果用于仿真輸入的準確性較低。通過增加翼板的方式來獲得的疲勞結果更加貼近車體單點實際受力情況，對于薄板來說更加明顯，對于指導車體材料厚度選擇以及輕量化等具有重要意義。

4 結束語

1）不銹鋼搭接電阻點焊試樣疲勞破壞誘發于焊點兩端受力側熱影響區應力集中處，并穿透板厚發生失效。

2）在一定板厚范圍內，試樣板厚越厚，剛性越高，疲勞強度也就越高；一定厚度范圍內帶翼板試樣的疲勞強度要高于同種厚度組合不帶翼板試樣的疲勞強度。

3）通過增加翼板的方式獲得的疲勞結果比不帶翼板的單點試樣更符合車體實際受力情況，建議車體疲勞強度仿真計算輸入采用帶翼板試驗結果。