何柏林，張枝森，謝學(xué)濤，金　輝，李　力

(華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌　330013)

目前，我國(guó)高速列車車體和轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)大多采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)或鋁合金焊接結(jié)構(gòu)[1-2]。在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的破壞大多始于焊接接頭[3-4]，這是由于在焊接接頭處的氣孔、夾渣等缺陷較多，應(yīng)力集中系數(shù)大，容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，從而降低轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度和使用壽命[5-6]。隨著我國(guó)鐵路客運(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化的發(fā)展，焊接接頭出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象越來越頻繁，這種現(xiàn)象已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[7]。材料的失效一般源于材料表面，以適當(dāng)方法強(qiáng)化材料的表面性能可以提高材料的疲勞性能。近年來，學(xué)者們對(duì)焊接鋼結(jié)構(gòu)超高周疲勞性能做了大量研究，并取得了諸多成果[8-12]，但是關(guān)于超聲沖擊和機(jī)械打磨提高焊接接頭超高周疲勞性能的報(bào)道不多。

目前，列車轉(zhuǎn)向架的焊接構(gòu)架一般采用噴丸強(qiáng)化提高其疲勞性能，但消耗的能量較大、工作效率較低。機(jī)械打磨常用于鐵路鋼軌的表面修復(fù)，以延長(zhǎng)其使用壽命，但少用于改善焊接結(jié)構(gòu)的性能[12-13]。超聲沖擊是一種利用大功率沖擊頭高頻沖擊材料表面，使材料表面產(chǎn)生彈塑性變形、細(xì)化表層組織、改變表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的表面強(qiáng)化方法。在機(jī)械碾壓、噴丸強(qiáng)化、激光沖擊等改善焊接接頭性能的表面處理工藝中，超聲沖擊處理具有結(jié)構(gòu)輕巧、操作簡(jiǎn)易、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能最有效的方法之一[14-18]。

本文以動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架用SMA490BW鋼為研究對(duì)象，對(duì)其焊接接頭分別采用超聲沖擊和機(jī)械打磨處理，并進(jìn)行超聲疲勞試驗(yàn)。通過測(cè)試和觀察接頭的殘余應(yīng)力、微觀組織、斷口形貌等，分析超聲沖擊和機(jī)械打磨對(duì)焊接接頭超高周疲勞性能的影響。

1　試驗(yàn)材料及處理方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架用SMA490BW鋼，屬于熱軋耐候鋼，其化學(xué)成分見表1。焊接采用牌號(hào)為TH550-NQ-Ⅱ的焊絲，其化學(xué)成分見表2。

1.2　焊接工藝

焊接所用的原始鋼板尺寸為300 mm×150 mm×12 mm。機(jī)械加工出角度約為60°的Ⅴ形坡口，采用平板對(duì)接接頭形式，組裝間隙為2～3 mm。焊接方法為熔化極活性氣體保護(hù)焊(MAG)，保護(hù)氣體采用混合富氬氣體(其中φ(Ar)=80%，φ(CO2)=20%)，焊縫采用多層多道焊，其工藝參數(shù)見表3。利用線切割機(jī)在垂直于焊縫方向(即保證焊縫位于試件中心)截取薄板狀疲勞試件20個(gè)，試件的形狀和尺寸如圖1所示。

表1　SMA490BW鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

表2　TH550-NQ-Ⅱ焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

表3　焊接工藝參數(shù)

圖1　試件的幾何尺寸(單位：mm)

1.3　超聲沖擊和機(jī)械打磨處理

將試件分為5組，每組4個(gè)試件。第1組為原始焊態(tài)試件，不做任何處理。第2組采用HJ—Ⅲ型超聲沖擊設(shè)備對(duì)焊接鋼板進(jìn)行局部沖擊：略施壓力將超聲沖擊槍對(duì)準(zhǔn)焊趾或焊根區(qū)域，并與水平呈約45°，沖擊針沿著焊縫方向排列，在自重的條件下完成超聲沖擊的過程。在沖擊過程中，沖擊槍沿焊趾或焊根兩側(cè)小幅度擺動(dòng)，以獲得理想的過渡圓弧外形，沖擊電流為1.5 A，沖擊時(shí)間為10 min。第3組的沖擊過程與第2組基本一致，且沖擊時(shí)間也為10 min，只是將沖擊電流提高為2.0 A。第4組與第3組的沖擊電流和沖擊時(shí)間一樣，分別為2.0 A和10 min，只是將超聲沖擊槍垂直放置于焊接鋼板上方，對(duì)整條焊縫及附近區(qū)域進(jìn)行全覆蓋沖擊。第5組不作超聲沖擊處理，僅先用電磨砂輪對(duì)焊趾和焊根區(qū)域進(jìn)行粗磨，再用800#金剛砂紙細(xì)磨，以降低焊縫余高，改善試件表面形貌。

處理后的各組試件與原始焊態(tài)試件的焊趾處形貌對(duì)比如圖2所示。圖中：下面的試件為處理后的試件，上面的為原始焊態(tài)試件。

圖2　處理后的試件與原始焊態(tài)試件的焊趾處形貌對(duì)比

2　試驗(yàn)內(nèi)容

2.1　殘余應(yīng)力測(cè)試

利用Stress3000型X射線應(yīng)力儀分別對(duì)超聲沖擊前后的焊接大板以及加工成型的試件進(jìn)行測(cè)試。分別在接頭焊趾表層的待測(cè)區(qū)域測(cè)得3個(gè)殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，并取平均值。

2.2　超聲疲勞試驗(yàn)

采用超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)(天津天東科技發(fā)展有限公司研制)，分別對(duì)5組試件進(jìn)行相同應(yīng)力(σmax=330 MPa)下的疲勞試驗(yàn)。載荷類型為軸向拉壓載荷，加載頻率為19.65 kHz，應(yīng)力比為-1。由于試件的溫度會(huì)因?yàn)槲粘曊駝?dòng)能量和內(nèi)部摩擦生熱而急劇升高，在試驗(yàn)中采用循環(huán)水冷的方式控制試件的溫度，避免異常升溫對(duì)疲勞性能的影響。試驗(yàn)中通過設(shè)定電流的大小控制應(yīng)力，并記錄試件斷裂的時(shí)間。

利用AxioVert.A1型倒置萬能材料顯微鏡觀察試件的金相組織，借助ΣIGMA型掃描電鏡觀察斷口形貌。

3　結(jié)果和分析

殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表4。表中：σx為沿焊縫方向的殘余應(yīng)力；σy為垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力；應(yīng)力為正表示拉應(yīng)力、為負(fù)表示壓應(yīng)力。

表4　超聲沖擊前后焊趾處的殘余應(yīng)力

注：局部沖擊鋼板受到的沖擊電流為1.5 A，沖擊時(shí)間為10 min。

由表4可見：原始鋼板焊趾表面x和y方向的殘余應(yīng)力分別高達(dá)245.2和266.7 MPa，進(jìn)行局部超過沖擊后，x和y方向的殘余應(yīng)力變成了-246.0和-151.0 MPa，表層的拉應(yīng)力全部轉(zhuǎn)為了較大數(shù)值的壓應(yīng)力。值得注意的是，將焊接鋼板切割加工成試件后，其焊趾處的殘余應(yīng)力值均有所降低。

目前對(duì)超聲沖擊消除焊接殘余拉應(yīng)力機(jī)理的解釋還不統(tǒng)一。一般認(rèn)為，超聲沖擊的高頻能量促使殘余應(yīng)力區(qū)發(fā)生塑性變形，原有的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)隨著表層金屬發(fā)生屈服而改變。位錯(cuò)從不穩(wěn)定的高能位(對(duì)應(yīng)著拉應(yīng)力)運(yùn)動(dòng)到相對(duì)穩(wěn)定的低能位(對(duì)應(yīng)著壓應(yīng)力)，進(jìn)而形成低能組態(tài)、低彈性性能的構(gòu)造。此過程中，被沖擊區(qū)域的應(yīng)力水平下降，殘余應(yīng)力重新分布，近表層的拉應(yīng)力全部轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。試件承受外界的交變載荷時(shí)，近表層的壓應(yīng)力可以抵消部分拉應(yīng)力，并且抑制表層疲勞裂紋的萌生和早期擴(kuò)展，進(jìn)而提高材料的疲勞強(qiáng)度。

超聲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果見表5。由表5可見：在330 MPa應(yīng)力水平下，第1組試件的平均疲勞壽命僅為0.252×107周次，而第5組試件的平均疲勞壽命達(dá)到了1.232×107周次，疲勞壽命提高約5倍；結(jié)合圖2(d)還可以看出，第5組試件的表面光滑且具有金屬光澤，機(jī)械打磨不僅增大了焊趾處的過渡半徑，還有效地去除了咬邊、凹坑、微裂紋等容易形成應(yīng)力集中的表面缺陷，使試件的疲勞壽命得到了顯著的提高，說明焊接接頭經(jīng)機(jī)械打磨后，試件的表面形貌會(huì)顯著地影響其疲勞性能；相比原始焊態(tài)試件，經(jīng)超聲沖擊后的第2，3和4組試件的平均疲勞壽命分別提高了約7，20和13倍，這說明機(jī)械打磨和超聲沖擊均能顯著提高焊接接頭的抗疲勞性能；第2—第5組試件的疲勞壽命在達(dá)到107周次后仍然會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，表明不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限。

表5　超聲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

除了第3組試件在圓弧過渡處(母材)斷裂外，其他各組試件均在焊趾或焊根部位斷裂。這是由于焊縫余高和焊接缺陷(裂紋、咬邊、凹坑、未焊透、夾雜等)的存在而使焊趾或焊根部位產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，容易促使疲勞微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致試件的斷裂、失效。

試件不同斷裂位置處的斷裂形貌如圖3所示。由圖3可見：焊接接頭經(jīng)超聲沖擊后，試件在焊縫區(qū)域的表面形貌發(fā)生了明顯變化。

圖3　試件不同斷裂位置處的斷裂形貌

超聲沖擊的作用體現(xiàn)在3個(gè)方面：①致使表層晶粒細(xì)化；②在焊趾(焊根)處引入殘余壓應(yīng)力；③修整焊趾(焊根)外形。對(duì)比第2和第3組試件發(fā)現(xiàn)：提高超聲沖擊電流后，試件的平均疲勞壽命從1.852×107周次提高到了4.978×107周次。這是由于沖擊能量的增強(qiáng)加劇了表層晶粒的細(xì)化程度，增加的晶界阻礙了裂紋的擴(kuò)展；焊趾處過渡半徑的增大，使該處的應(yīng)力集中系數(shù)大幅度降低。值得注意的是，第3組試件大多在圓弧過渡處斷裂，這是由于焊趾(焊根)經(jīng)過超聲沖擊得到加強(qiáng)后，疲勞裂紋轉(zhuǎn)而傾向在試件表面的其他缺陷處萌生，而機(jī)械加工良好的試件3-1，其疲勞壽命甚至達(dá)到1×109周次以上。

對(duì)比第3和第4組的試件可知：在相同的沖擊參數(shù)下，沖擊方式的不同(局部沖擊和全覆蓋沖擊)也會(huì)導(dǎo)致試件疲勞壽命的差異。這2種焊接接頭處理方式在試件表層引入的殘余壓應(yīng)力值相近(見表4)，主要區(qū)別在于焊趾外形的不同，全覆蓋沖擊獲得的焊趾過渡半徑要大于局部沖擊的(見圖3(b)和(c))。理論上，焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)更小的第4組試件應(yīng)具有更高的疲勞壽命，但結(jié)果正好相反。此時(shí)決定試件疲勞壽命的因素不再是焊趾外形變化帶來的應(yīng)力集中改變，試件上其他缺陷帶來的應(yīng)力集中程度可能更嚴(yán)重。第4組試件采用全覆蓋沖擊在提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，也可能在焊根區(qū)域引入了“疊形缺陷”。全覆蓋沖擊過程中，原為焊根余高部分的金屬在沖擊針的高頻撞擊下發(fā)生嚴(yán)重的塑形變形，并且疊加在材料的原始表面上，形成類似冷裂紋的“疊形缺陷”。

超聲沖擊前后焊根表層金相組織的變化如圖4所示。由圖4可見：沖擊中高頻能量的輸入使近表層組織產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，可明顯觀察到流變組織及漩渦組織的存在；同時(shí)，表層金屬出現(xiàn)了一定程度的損傷，這些由于沖擊引入的微裂紋極可能發(fā)展成疲勞源，降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

可見，第3組試件的沖擊參數(shù)和沖擊方式最佳。

圖4　超聲沖擊前后焊根表層金相組織的變化

圖5為試件的斷口形貌。如圖5(a)所示，原始焊態(tài)試件斷口的疲勞裂紋萌生于焊趾表面，有明顯向外輻射的放射臺(tái)階和放射狀條紋。裂紋從材料表面萌生，裂紋早期的擴(kuò)展會(huì)受到交變載荷和冷卻水腐蝕的綜合作用，因此裂紋源區(qū)呈現(xiàn)一定的腐蝕形貌。雖然機(jī)械打磨可以明顯提高焊態(tài)試件的疲勞壽命，但疲勞失效的起始位置與原始焊態(tài)試件的相同。如圖5(b)所示，疲勞裂紋從焊趾表面的應(yīng)力集中處萌生，并且向四周呈放射狀。放射狀裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生撕裂棱，相鄰撕裂棱的高度差越大，說明裂紋擴(kuò)展時(shí)需要克服更大的滑移抗力。經(jīng)超聲沖擊后，焊接接頭的疲勞裂紋可能在焊趾或焊根處萌生，也可能轉(zhuǎn)移到試件表面其他缺陷處萌生。如圖5(c)所示，由于超聲沖擊不當(dāng)，焊根近表層引入了“疊形缺陷”，疲勞裂紋從該缺陷處萌生，并觀察到了明顯的疲勞條紋。這些條紋呈1簇平行的弧線，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向，凹側(cè)指向裂紋源，條紋間距隨著擴(kuò)展速率的加快由密變疏。如圖5(d)所示，經(jīng)超聲沖擊后的焊接接頭，其裂紋從試件表面其他缺陷處萌生，不同高度起始的疲勞裂紋在擴(kuò)展中相遇、匯合，形成輻射狀臺(tái)階。

圖5　斷口形貌

如圖5(e)所示，在多數(shù)斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了疲勞輝紋的存在。該區(qū)域由許多高低不等的大小斷塊組成，每個(gè)斷塊上都分布著相互平行且細(xì)密連續(xù)的疲勞輝紋。輝紋與裂紋的擴(kuò)展方向垂直，間距隨裂紋擴(kuò)展速度的增加而增大。該區(qū)域還分布著不連續(xù)的二次裂紋，二次裂紋會(huì)消耗主裂紋的能量，可以延緩裂紋的早期擴(kuò)展。如圖5(f)所示，所有試件瞬斷區(qū)的形貌大致相同，該區(qū)域分布著形狀和大小不一的混合型韌窩，表現(xiàn)為典型的塑性斷裂特征，部分韌窩底部有第二相粒子的存在。

4　結(jié)　論

(1)超聲沖擊和機(jī)械打磨可顯著地提高轉(zhuǎn)向架用SMA490BW鋼焊接接頭的超高周疲勞性能。在330 MPa應(yīng)力條件下，原始焊態(tài)試件平均經(jīng)歷0.252×107周次斷裂，經(jīng)機(jī)械打磨的試件平均經(jīng)歷1.232×107周次斷裂，疲勞壽命提高約5倍；經(jīng)超聲沖擊后，試件的平均疲勞壽命最高可達(dá)4.978×107周次，相比焊態(tài)試件提高了約20倍。

(2)超聲沖擊的工藝參數(shù)和沖擊方式對(duì)焊接接頭的疲勞性能具有很大的影響，不當(dāng)?shù)某暃_擊甚至?xí)斐刹牧媳砻娴膿p傷。采用2.0 A的沖擊電流，對(duì)焊趾及焊根進(jìn)行20 min的局部超聲沖擊，可獲得最佳的沖擊效果。

(3)焊接接頭的疲勞裂紋一般從焊趾或焊根處萌生，經(jīng)超聲沖擊后，裂紋的萌生位置可能轉(zhuǎn)移到材料表面的其他缺陷處。

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