焊后处理工艺对Q345E低合金钢焊接接头疲劳性能的影响

陈大庆，陈增有，马清波，许鸿吉

(1.齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002;2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

随着我国铁路运输的第六次大提速，客运平均可以达到160 km/h，货运也可以达到120 km/h，而焊接构架式转向架是我国高速货车必然采用的走行部技术模式［1］.转向架焊接构架不仅是铁道车辆钢结构中的主要构件，也是负载条件特别苛刻的零部件，在车辆运行过程中，承受各安装部件的工作载荷以及牵引，制动和惯性力［2-3］.

众所周知，疲劳破坏是焊接结构破坏的重要形式.统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%［4-5］.由于在焊趾处具有应力集中、焊接缺陷和焊接残余应力，焊接接头的疲劳断裂主要从焊趾部位开裂，接头处焊趾的形状对疲劳性能有较大影响［6-8］.大量运用实践表明焊接接头的疲劳强度问题相当突出，已严重制约结构的安全可靠及耐久运用，故对焊接结构的疲劳强度分析和优化得到了极为广泛的关注与重视［9-10］.本文以Q345E低合金钢为对象，研究焊趾不处理、焊趾打磨、焊趾喷丸、焊趾打磨+喷丸处理对焊接接头疲劳性能的影响.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为Q345E低合金结构钢，热轧状态供货.选用SM-70焊丝，焊丝直径为1.2 mm，保护气体为80%Ar+20%CO2.其化学成分、力学性能分别见表1、表2.

表1 试验材料的化学成分 %

表2 试验材料的力学性能

1.2 试验方法

对机械加工的K型坡口Q345E低合金钢角接接头进行三点弯曲疲劳试验，试件宽为25 mm.试验设备为PLG-100型微机控制高频疲劳试验机.技术规格为静态负荷精度±1%，动负荷平均波动度±1%，动负荷振幅波动度±2%，循环应力比R=0.1，指定循环寿命取2×106次.

2 试验结果及分析处理

2.1 焊趾不处理

由升降法确定焊趾不处理K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的疲劳极限，有4级应力水平，有效试件数18个，有7个字样对，结果如图1所示.

图1 焊趾不处理条件疲劳极限升降图

由升降法确定的焊趾不处理K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的中值疲劳极限为:

最终确定的焊趾不处理K型(机械加工坡口)角接接头三点弯曲疲劳(应力比R=0.1)的中值S-N曲线如图2所示.

图2 焊趾不处理S-N曲线

图3 焊趾打磨处理条件疲劳极限升降图

2.2 焊趾打磨试验结果及分析

通过升降法确定焊趾打磨K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的疲劳极限，有6级应力水平，有效试件数15个，有7个子样对，其结果如图3所示.

由升降法确定的焊趾打磨K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的中值疲劳极限为:

最终确定的焊趾打磨K型(机械加工坡口)角接接头三点弯曲疲劳(应力比R=0.1)的中值S-N曲线如图4所示.

图4 焊趾打磨S-N曲线

2.3 焊趾喷丸试验结果及分析

通过配对如图5升降法确定焊趾喷丸处理K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的疲劳极限，有6级应力水平，有效试件数12个，共有4个子样对.

图5 焊趾喷丸处理条件疲劳极限升降图

由升降法确定的焊趾喷丸处理K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的中值疲劳极限为:

最终确定的焊趾喷丸K型(机械加工坡口)角接接头三点弯曲疲劳(应力比R=0.1)的中值S-N曲线如图6所示.

图6 焊趾喷丸S-N曲线

2.4 打磨+喷丸试验结果及分析

通过升降法确定焊趾打磨+喷丸K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的疲劳极限，有4级应力水平，有效试件数12个，共有6个子样对，其结果如图7所示.

图7 焊趾打磨+喷丸处理条件疲劳极限升降图

由升降法确定的焊趾打磨+喷丸处理K型(机械加工坡口)角接接头指定寿命为2×106次循环下的中值疲劳极限为:

最终确定的焊趾打磨+喷丸K型(机械加工坡口)角接接头三点弯曲疲劳(应力比R=0.1)的中值S-N曲线如图8所示.

图8 焊趾打磨+喷丸S-N曲线

2.5 焊趾不处理、打磨、喷丸、打磨+喷丸对比

图9是Q345E低合金钢焊趾不同处理方法K型(机械加工坡口)角接接头中值S-N曲线的对比.可以看出:三点弯曲疲劳试验确定的指定寿命为2×106次的中值疲劳强度σ0.1:焊趾不处理K型(机械加工坡口)角接接头为145.2 MPa，焊趾打磨K型(机械加工坡口)角接接头为164.2 MPa，焊趾喷丸K型(机械加工坡口)角接接头为180.6 MPa，焊趾打磨 +喷丸 K型(机械加工坡口)角接接头为203.7 MPa，焊趾打磨、焊趾喷丸和焊趾打磨+喷丸处理分别比焊趾不处理提高了19、35.4 和58.5 MPa.可见，焊接接头焊后细节处理工艺对焊接接头疲劳性能的影响十分显著，焊趾打磨和焊趾喷丸均是提高焊接接头疲劳性能的重要手段，而焊趾打磨+喷丸处理这种综合处理时效果最佳.

图9 S-N曲线对比

3 结论

(1)由三点弯曲疲劳试验确定的Q345E低合金钢T型接头指定寿命为2×106次的中值疲劳强度，焊趾不处理、打磨、喷丸、打磨+喷丸K型角接接头分别为 145.2、164.2、180.6、203.7 MPa.

(2)焊接接头焊后细节处理工艺对焊接接头疲劳性能的影响十分显著，焊趾打磨和焊趾喷丸均是提高焊接接头疲劳性能的重要手段，而焊趾打磨+喷丸处理这种综合处理时效果最佳.

［1］胡毓仁，陈伯真.船舶及海洋结构疲劳可靠性分析［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］机械工业技师考评培训教材编审委员会.焊工技师培训［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［3］中国机械工程焊接学会.焊工手册［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［4］方洪渊.焊接结构学［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［5］李沛，傅茂海.我国高速货车转向架发展模式［J］.中国铁路，2001(5):12-15.

［6］张毅，黄小平.对接接头焊趾应力集中有限元分析［J］.船舶力学，2004(5):91-99.

［7］MIKI C，ANAMI K，TANI H.Fatigue strength improvement methods by treating the weld toe［J］.Welding Journal，1999，13(10):795-803.

［8］HOBBACHER A.Recommendations for fatigue design of welded joints and components(First draft for development)［M］.ⅡW DocumentⅩⅢ-1593-96/ⅩⅤ-845-96，Germany:Hobbacher A，2002:88-98.

［9］霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［10］GURNEY T R.Cumulative damage of welded joints［M］.Cambridge:Abington Publishing，2006.