張枝森，王永祥，何柏林

（1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司 車輛分公司，上海 200030；2.華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌330013）

由于運(yùn)營里程長、超高客流、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理及焊接制造缺陷等多重因素的作用，導(dǎo)致近年來上海地鐵車輛裂紋逐漸呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢。目前01A01—01A04、02A01、07A01、09A02 等7 種車型已累計(jì)發(fā)現(xiàn)裂紋近500 處，主要集中在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、牽引梁、牽引梁與枕梁連接處、全自動車鉤座等位置。裂紋型式主要有兩種：焊縫裂紋及板材層狀撕裂。如圖1 所示，對接接頭的裂紋位置主要在焊趾處，而角接或T 型接頭的裂紋還可能位于板材的厚度方向上。

圖1 焊縫裂紋及板材開裂Fig.1 Weld cracks and plate cracks

焊接接頭由于組織不均勻、焊接缺陷、焊接應(yīng)力等因素，焊縫易萌發(fā)疲勞裂紋[1-3]。研究板材層狀撕裂發(fā)現(xiàn)，有些裂紋最初由焊趾或焊根冷裂紋誘發(fā)而成，或由焊接熱影響區(qū)沿夾雜開裂。非金屬夾雜物的種類、數(shù)量和分布形態(tài)是板材發(fā)生層狀撕裂的根本原因[4]。焊接時(shí)板材厚度方向的拘束應(yīng)力、焊后殘余應(yīng)力、焊接裂紋及載荷，是造成層狀撕裂的必要條件[5-7]。此外，構(gòu)件在腐蝕環(huán)境下服役，還可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。因此，采取相應(yīng)措施強(qiáng)化焊接接頭，有利于延長構(gòu)件壽命。

目前對裂紋修復(fù)主要采取切割并重新焊接的策略。焊后主要通過機(jī)械打磨降低接頭應(yīng)力集中，采用時(shí)效處理來釋放焊接應(yīng)力。但機(jī)械打磨工作量大，金屬粉塵多，某些位置難以觸及；時(shí)效處理的應(yīng)力釋放時(shí)間長，效果不明顯。超聲沖擊作為一種優(yōu)良的焊后強(qiáng)化處理方法，具有儀器便攜、操作簡單、可用于復(fù)雜位置作業(yè)、沖擊效率高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可修繕焊縫外形，還能調(diào)整焊接殘余應(yīng)力，有利于提高焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能[8-10]。超聲沖擊技術(shù)最早應(yīng)用于海軍船艦的制造和維修領(lǐng)域，后逐漸推廣至管道[11]、鋼橋[12-13]、近海海洋設(shè)施[14-15]等領(lǐng)域。關(guān)于超聲沖擊的設(shè)備開發(fā)、工藝探索已有大量研究，但尚無在鐵道機(jī)車裂紋修復(fù)上應(yīng)用和適用性分析的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[16-22]。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)用鋼板母材牌號為SMA490BW，這類熱軋耐候鋼常用于列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的制造。金相組織如圖2 所示，鐵素體與黑色細(xì)小的珠光體交替分布，各個(gè)晶粒趨于同一位向，軋制特征明顯。這種鋼的焊接性能良好，強(qiáng)度較高，塑性較好，便于再加工。

圖2 SMA490BW 鋼金相組織Fig.2 Metallographic structure of SMA490BW steel

由于運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)板材對接焊縫的裂紋較多，因此優(yōu)先探索超聲沖擊處理對焊接接頭的強(qiáng)化效果及機(jī)理。選取的對接焊試板尺寸為300 mm×150 mm×12 mm，焊接材料為TH550-NQ-Ⅱ?qū)嵭暮附z，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2（體積分?jǐn)?shù)），采用tMAG/135 電焊機(jī)（熔化極氣體保護(hù)電弧焊）。根據(jù)EN 15085-3 標(biāo)準(zhǔn)的要求加工焊接坡口（圖3），焊接電流的種類和極性為直流/正極性。采用三道三層焊，第一道的施焊電流為110～140 A，電壓為16～19 V，第二道和第三道的施焊電流、電壓都分別為240～280 A 和25～30 V。

圖3 坡口形狀尺寸Fig.3 Groove shape and size

1.2 方法

將焊接鋼板分為6 組，第1 組不做任何處理，第2 組至第5 組在焊趾及焊根位置均進(jìn)行超聲沖擊。根據(jù)GB/T 33163—2016 標(biāo)準(zhǔn)選取30 μm 振幅和3 mm直徑針頭[23]，各組沖擊電流（1.5 A）保持恒定，沖擊時(shí)間分別為5、10、15、20 min。第6 組作為參照，按第5 組的輪廓尺寸進(jìn)行機(jī)械打磨處理。

利用X 射線應(yīng)力儀（Stress3000 型）測定各組試樣殘余應(yīng)力的變化，借助光學(xué)顯微鏡（AxioVert.A1型）觀察金相組織的演變。為加速疲勞試驗(yàn)的進(jìn)度，采用超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)測定試樣的疲勞壽命。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定應(yīng)力比R=–1，最大載荷σmax=280 MPa，加載頻率20 kHz。超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)通過激勵試樣，使其內(nèi)部產(chǎn)生諧振波來實(shí)現(xiàn)加載，因此對試樣制備具有嚴(yán)格的要求。取樣位置見圖4 所示，在制取疲勞試樣時(shí)，保證焊縫位置處于試樣的中心，并嚴(yán)格按照圖5 的尺寸進(jìn)行加工。利用掃描電鏡（ΣIGMA 型）分析試樣斷口，探究斷裂失效模式。

圖4 取樣位置圖Fig.4 Schematic diagram of sampling location

圖5 疲勞試樣的加工尺寸Fig.5 Machining dimensions of fatigue specimens

2 超聲沖擊試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊區(qū)域形貌分析

焊縫余高導(dǎo)致在焊趾和焊根位置存在較大的應(yīng)力集中，且咬邊、夾雜、微裂紋、魚鱗紋等缺陷是焊接件的薄弱點(diǎn)，容易在承受交變載荷時(shí)，萌生疲勞裂紋并快速擴(kuò)展。圖6 為焊縫背面沖擊前后的形貌對比。原始焊態(tài)的鋼板背面存在約0.5 mm 的焊縫余高，沖擊后，母材金屬和焊縫金屬基本處于同一平面，消除了因形狀突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

圖6 焊根區(qū)沖擊前后形貌變化Fig.6 Morphology change of weld root zone before and after impact

圖7 為正面焊縫沖擊前后形貌對比。沖擊區(qū)域有明顯的金屬光澤，表面焊接微裂紋、魚鱗紋、咬邊等明顯缺陷消失。為定量分析形狀尺寸變化，掃描試樣焊趾區(qū)域并進(jìn)行測量。原始焊態(tài)試樣的焊趾過渡比較尖銳，沖擊態(tài)和機(jī)械打磨試樣則十分圓滑。由于僅做局部沖擊，只有焊趾過渡半徑ρ和焊趾傾角θ會發(fā)生變化，測量ρ和θ所得的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

圖7 焊趾區(qū)沖擊前后形貌和尺寸測量Fig.7 Measurement of morphology and size of weld toe before and after impact

表1 各組試樣的Kt 和KfTab.1 Kt and Kf of each group of samples

為表征超聲沖擊對焊趾應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度的影響，引入彈性應(yīng)力集中系數(shù)Kt和疲勞缺口系數(shù)Kf。系數(shù)Kt的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為[24]：

式中，α=0.27(tanθ)0.25，β= 1，λ=0.5。Kt可直觀分析該區(qū)域形狀變化時(shí)應(yīng)力集中的改變，但不能直接反映對其疲勞強(qiáng)度的影響，因此必須借助Kf。Kf綜合考慮形狀尺寸和母材種類的影響，數(shù)值越大，說明結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度越低，計(jì)算公式為[25]：

式中，α=0.0254(2069/σb)2，其中的σb=400 MPa。將相關(guān)參數(shù)代入公式（1）和公式（2），Kt和Kf的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

超聲沖擊主要改變的是ρ值，θ值改變不大。原始焊態(tài)ρ值僅為0.2 mm，Kt和Kf分別達(dá)到了2.75 和2.54，說明該處應(yīng)力集中嚴(yán)重，極可能成為疲勞裂紋萌生點(diǎn)。超聲沖擊和機(jī)械打磨均可有效降低Kt和Kf值。但隨著沖擊時(shí)間的增加，ρ值變化不大。

2.2 表層晶粒組織分析

沖擊針的高頻作用使表層材料屈服，金屬組織產(chǎn)生畸變，越靠近表面的晶粒越細(xì)小狹長，并沿深度方向呈梯度變化（圖8）。當(dāng)沖擊時(shí)間分別為5、10、15、20 min 時(shí)，相應(yīng)塑變深度為150、260、320、360 μm。沖擊時(shí)間越長，表層金屬的塑性變形層越深。

圖8 各組試樣沖擊區(qū)域剖面的金相組織Fig.8 Metallographic structure of impact zone section of each group of samples

沖擊針循環(huán)往復(fù)地撞擊誘使原始晶粒拉長變形，晶體反復(fù)滑移，晶內(nèi)位錯(cuò)纏結(jié)，形成許多高密度的位錯(cuò)墻，晶粒被分割成尺寸較小的亞晶。沖擊能量持續(xù)輸入，亞晶內(nèi)的位錯(cuò)繼續(xù)移動、纏結(jié)，形成新的位錯(cuò)墻分割亞晶，因此近表層的晶粒尺寸不斷細(xì)化。但不斷富集的位錯(cuò)墻會限制塑性變形，持續(xù)輸入的沖擊能量會增加位錯(cuò)的密度，而難以到達(dá)金屬材料更深處，基體心部的晶粒尺寸不會被影響。大多焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題始于表面缺陷，經(jīng)過超聲沖擊后，不僅消除了這些微小缺陷，還使得金屬表面形成了致密的強(qiáng)化層。這些表層晶粒的細(xì)化，有效提升了裂紋萌生和擴(kuò)展的阻力，以此增強(qiáng)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。

2.3 表面殘余應(yīng)力分析

焊接材料與母材組織成分有一定的差異，且焊接過程中溫度場不均勻，造成焊縫金屬熔化凝固速率不一致，導(dǎo)致焊縫處存在較大的殘余應(yīng)力。根據(jù)GB/T 7704—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求，用X 射線測定試樣焊趾表面的殘余應(yīng)力值。如表2 所示，原始焊態(tài)和機(jī)械打磨試樣焊趾表面的σx和σy均為拉伸應(yīng)力。沖擊態(tài)試樣的表面應(yīng)力均為壓縮應(yīng)力，σx和σy的最大值可達(dá)–209.9、–150.4 MPa。不管在X方向，還是Y方向，隨著沖擊時(shí)間的延長，表面壓應(yīng)力呈持續(xù)降低的趨勢。這是因?yàn)闆_擊態(tài)試樣殘余應(yīng)力的產(chǎn)生源于變形金屬與未變形金屬的相互約束，最大的壓應(yīng)力值應(yīng)在塑性變形金屬的界面處。由后文圖11 可知，沖擊時(shí)間越長，該界面位置越往基體深度方向移動，因此靠近表層的壓應(yīng)力反而越小。

圖11 沖擊態(tài)試樣的斷口Fig.11 Fracture of impact specimen: (a) the whole picture of fracture; (b) crack source area; (c) propagation area; (d)instantaneous fracture area

表2 試樣焊趾表面殘余應(yīng)力值Tab.2 Surface residual stress of weld toe of sample MPa

沖擊態(tài)試樣在加載狀態(tài)下，表面壓應(yīng)力可抵消部分相應(yīng)的拉伸應(yīng)力，試樣中產(chǎn)生的最大應(yīng)力集中區(qū)域由表面轉(zhuǎn)向近表面。此時(shí)疲勞損傷可能從近表面開始發(fā)生，當(dāng)微裂紋從某一晶粒內(nèi)萌生，并擴(kuò)展到相鄰晶粒時(shí)，位錯(cuò)的移動受制于內(nèi)外晶界的約束，所需的驅(qū)動力更大，因此疲勞壽命越長。此外，沖擊表面致密細(xì)小的晶粒組織和壓縮應(yīng)力可有效抵抗應(yīng)力腐蝕的危害，改善金屬材料的損傷過程。

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表3 可得，經(jīng)機(jī)械打磨或超聲沖擊的試樣，平均疲勞壽命均大于原始試樣的0.33×107周次。在1.5 A/10 min 參數(shù)沖擊下，疲勞壽命達(dá)到最高，為3.35×107周次，是未沖擊的10 倍，是機(jī)械打磨的3.8 倍，但沖擊態(tài)試樣疲勞壽命不隨沖擊時(shí)間的延長單調(diào)遞增。超聲沖擊對接頭的改性歸功于應(yīng)力集中的改善、表層晶粒的細(xì)化和引入殘余壓縮應(yīng)力。這3 個(gè)因素的疊加效應(yīng)，使沖擊態(tài)試樣的疲勞壽命得以顯著增加。本試驗(yàn)的幾組沖擊時(shí)間中，焊趾區(qū)域應(yīng)力集中的改善程度大致相同，表層晶粒隨沖擊時(shí)間的延長，細(xì)化程度更高，塑變層更深，但表面壓應(yīng)力卻不斷降低。因此，在平衡表層晶粒細(xì)化和引入表面壓應(yīng)力之間，需要選擇合適的沖擊參數(shù)。由表3 可知，本次試驗(yàn)的最佳參數(shù)為1.5 A/10 min。值得注意的是，過度沖擊還可能造成材料表面狀態(tài)劣化，誘發(fā)微裂紋的產(chǎn)生，反而會降低試樣的疲勞強(qiáng)度[7]。

表3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Fatigue test results

所有試樣的失效斷裂幾乎都始于焊趾區(qū)域，極個(gè)別在焊根區(qū)域（圖9）。通過掃描電鏡分析原始焊態(tài)試樣斷口發(fā)現(xiàn)，材料表面萌生裂紋后，迅速擴(kuò)展至整個(gè)斷面，如圖10a 所示。焊態(tài)試樣的斷口形貌相對平整，大致可分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。圖10b可明顯觀察到以表面微觀缺陷為中心的放射狀花樣，這是裂紋擴(kuò)展克服滑移抗力形成的撕裂棱。圖10c 是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的微觀形貌，由大小不一的斷塊構(gòu)成，二次裂紋延緩主裂紋的擴(kuò)展。在瞬斷區(qū)分布著密集的蜂窩結(jié)構(gòu)（韌窩），這些微坑是韌性斷裂的最主要特征，如圖10d 所示。

圖9 斷裂位置Fig.9 Schematic diagram of fracture location: (a) the fracture position is at the weld toe; (b) the fracture position is at the weld root

圖10 焊態(tài)試樣的斷口Fig.10 Fracture of as welded specimen: (a) the whole picture of fracture; (b) crack source area; (c) propagation area; (d)instantaneous fracture area

沖擊態(tài)試樣的斷口有較大起伏，并不平坦，靠近焊趾表面存在明顯的塑變層（圖11）。與原始焊態(tài)試樣相同，裂紋從材料表面萌生擴(kuò)展，如圖11b 所示，裂紋源區(qū)有明顯相互平行的磨痕條紋，這是在拉壓載荷下主裂紋不斷張開閉合留下的。在圖11c 擴(kuò)展區(qū)不僅有解理臺階、二次裂紋，還能明顯觀察到細(xì)密的疲勞輝紋。每條輝紋間距代表裂紋在一次拉壓載荷中的擴(kuò)展長度，是證明疲勞斷裂的重要憑據(jù)。圖11d 是瞬時(shí)斷裂區(qū)，與焊態(tài)試樣一樣，分布著大量尺寸不一的韌窩。圖12 為機(jī)械打磨試樣的斷口形貌。在裂紋萌生、擴(kuò)展不同階段的形貌特征與原始焊態(tài)試樣一致。綜上可知，機(jī)械打磨、超聲沖擊均可延長焊接試樣的疲勞壽命，但均不能改變其疲勞斷裂模式。

圖12 機(jī)械打磨試樣的斷口Fig.12 Fracture of mechanically polished specimen: (a) the whole picture of fracture; (b) crack source area; (c) propagation area; (d) instantaneous fracture are

4 超聲沖擊的適用性分析

目前在地鐵車輛的生產(chǎn)制造階段，主機(jī)廠主要采用噴丸工藝對需要表面強(qiáng)化的構(gòu)件進(jìn)行處理。但在車輛運(yùn)維階段，噴丸工藝難以滿足維修需求。傳統(tǒng)的噴丸設(shè)備體積大，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，至少包含高耐磨噴丸室體、噴丸機(jī)系統(tǒng)、噴槍、丸料回收機(jī)構(gòu)等裝置，在地鐵檢修現(xiàn)場難以安置。噴丸處理需要在相對密閉的空間進(jìn)行，對待處理工件有尺寸要求，無法直接對已焊接在車輛上的構(gòu)件進(jìn)行處理。此外，噴丸過程產(chǎn)生的粉塵和破碎彈丸容易造成安全隱患和空氣污染。

相比噴丸設(shè)備，超聲沖擊設(shè)備簡單便攜，僅配置一個(gè)小型電控箱和一支沖擊槍，可在地鐵檢修現(xiàn)場隨意拖動，在開放環(huán)境中對任何需要表面強(qiáng)化的焊縫進(jìn)行沖擊處理。在狹小空間，還可利用斜角度沖擊槍進(jìn)行作業(yè)（圖13）。超聲沖擊法的適用性廣，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接鋼結(jié)構(gòu)、車體的焊接鋁合金結(jié)構(gòu)均適用，可靈活處理對接、角接、T 型、十字等多種焊接接頭。

圖13 狹小空間的沖擊作業(yè)Fig.13 Schematic diagram of impact operation in narrow space

相對車輛制造階段，目前上海地鐵裂紋修復(fù)所產(chǎn)生的焊縫數(shù)量并不多，超聲沖擊手持作業(yè)能夠滿足焊后沖擊強(qiáng)化需求。針對疲勞裂紋高發(fā)位置，可在焊趾或焊根區(qū)域采用局部沖擊。針對應(yīng)力腐蝕高發(fā)位置，采用全覆蓋沖擊效果更好[25]。但作為新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，目前突出問題在于設(shè)備的輸出功率不夠穩(wěn)定，手持沖擊作業(yè)可能造成同批次產(chǎn)品質(zhì)量不統(tǒng)一，限制了在國內(nèi)工業(yè)界的大面積推廣。此外，GB/T 33163—2016 標(biāo)準(zhǔn)雖然給出了作業(yè)方法、處理效果評價(jià)、工藝質(zhì)量控制及安全防護(hù)等方面的相關(guān)建議，但不夠具體。該項(xiàng)技術(shù)和地鐵車輛裂紋修復(fù)需求的匹配度較高，可作為一個(gè)研究方向，針對地鐵檢修現(xiàn)場的應(yīng)用場景，進(jìn)一步升級完善設(shè)備結(jié)構(gòu)、沖擊工藝、效果評定、產(chǎn)品驗(yàn)收等工作，并最終將其納入裂紋修復(fù)工藝。

5 結(jié)論

1）超聲沖擊工藝優(yōu)于機(jī)械打磨，它通過改善應(yīng)力集中，細(xì)化表層晶粒以及引入殘余壓縮應(yīng)力，顯著提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，且不會改變疲勞失效模式。

2）選用工藝參數(shù)1.5 A/10 min 可獲得最佳疲勞壽命3.35×107周次，是未沖擊的10 倍，是機(jī)械打磨的3.8 倍。過度沖擊不利于提高接頭疲勞性能。

3）超聲沖擊法高度契合地鐵車輛裂紋修復(fù)的需求，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，需進(jìn)一步探索。