LT1350涂层线涂布钢辊疲劳断裂失效机理分析

李会荣,李智

(陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院，陕西 西安 710300)

疲劳断裂是造成机械装备零部件失效的重要原因之一。所谓疲劳，是指材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化，如果疲劳导致了材料开裂就称为疲劳断裂。疲劳断裂时，零件所受最高应力一般远低于静载荷下材料的强度极限，甚至低于其弹性极限。其原因在于，材料受变动载荷作用时，对载荷的抗力不仅取决于材料本身，还对零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、服役环境等因素非常敏感[1-2]。铝箔涂布线是用于生产亲水铝箔的大型装备，可通过涂布钢辊与取料辊之间的组合，采取不同的转移方式使涂料得到流平和排列，并最终均匀地转移到运动中的铝箔上，从而在铝箔表面形成一层固体保护膜。涂布钢辊是涂布线装备的重要部件，由辊轴与辊套零件采用熔化焊接工艺连接而成。熔焊工艺使钢辊接头区域材料存在较严重的不均匀性，而工作过程中钢辊将承受交变载荷的作用，存在发生疲劳失效的可能。

LT1350涂层线是某公司研发的大型亲水铝箔涂布装备，其涂布钢辊多次在工作中发生过早疲劳断裂事件，影响了正常生产并带来严重安全隐患。随着制造技术的不断发展，涂布线逐渐向着一体化、大型化发展。由于涂布线越来越长，钢辊在工作中承受的载荷也相应提高，以往极少出现的辊轴断裂失效问题，近年来日益增多。但这一现象尚未引起研究人员的足够重视，鲜有相应的研究成果报道。因此本文从涂布线钢辊应力分析、辊轴断口观察等方面来对这一问题进行讨论，考虑影响辊轴疲劳断裂的各种因素，探究其疲劳失效的机理。

1 辊轴应力状态分析

辊轴在工作过程中承受循环的交变应力作用，即应力状态不断发生变化，使材料发生损伤并导致最终断裂。虽然涂布线在实际运行过程中，受负载、电源等多种随机因素影响，实际的应力波形并非理想的循环变化，但当辊轴保持匀速转动时，其最大负载是定值。因此计算辊轴在静平衡条件下的弯扭组合应力，并考虑轴径变化处的应力集中，确定辊轴R20圆弧处的最大应力σmax。详情参见图1～2。

图1 涂布钢辊Fig.1 Coated steel roller

图2 涂布钢辊实物Fig.2 Physical picture of a coated steel roller

Φ110外圆所受最大弯矩为2700 N·m，则最大弯曲应力为

(1)

式中，M为抗弯截面系数，W为弯矩。考虑到辊轴弯扭组合的受力情况，则该处应力为

(2)

式中，σ为正应力，τ为剪切应力。辊轴R20圆弧处存在应力集中，考虑轴径、圆弧半径等因素，确定应力集中系数为Kσ≤2.23，Kτ≤2.12，则R20处应力最大为

(3)

根据受力分析，由于R20处存在应力集中作用，使得轴根部最大应力值较辊轴Φ110外圆表面提高了122.57%，但仍远低于材料抗拉强度。可见辊轴的断裂，不仅是材料承受循环应力作用的结果，而是应力集中、焊接引起的材料微观组织、性能变化、焊接的缺陷、焊后残余应力、零件表面状态、机器运转过程中的振动负荷等因素的共同作用导致的。

2 钢辊疲劳断裂失效分析

2.1 辊轴断口分析

图3所示为辊轴断口的宏观形貌。由图3可见，在轴上部焊缝区相邻区域有肉眼可见的较为平整的宏观塑性变形区，其长度约18 mm，宽度约4 mm，面积约70 mm2，这是脆断发生前的疲劳破坏区。

图3 涂布钢辊断口Fig.3 Macro-fractograph of a coated steel roll

图4是辊轴宏观塑性变形区域的放大图。疲劳破坏就起源于图4中箭头所指区域，可知疲劳微裂纹就萌生于焊缝区缺陷处。断口其余部分是最后断裂区，呈现凹凸不平的粒状表面，因而辊轴的断裂类型属于脆性断裂；观察断口宏观取向，属于正断断口；根据钢辊受力分析的结果，可知辊轴受交变循环应力作用且所受的应力值较小，考虑到钢辊还受到焊后残余应力、工作过程中的振动载荷等作用，其疲劳类型属于复合载荷作用下的交变应力疲劳；而在疲劳断裂时，钢辊平均经历了约1.2×106次的回转，属于高周疲劳。

根据断口分析，可以判断辊轴发生疲劳断裂失效的原因：辊轴与轴套的焊接头区域材料微观组织发生变化，晶粒粗大，导致力学性能劣化；而焊缝区存在未完全熔合的缺陷，缺陷处成为焊接结构不连续的部位，使得焊缝区的强度下降，并引起严重的局部应力集中；缺陷处在循环载荷的反复作用下很容易萌生微裂纹而形成微小的裂纹[3]；随着循环应力作用次数的增加，小裂纹在交变载荷作用下来回滑动，导致材料滑移带的出现，而疲劳微裂纹将沿着滑移带扩展并使得轴的有效截面积减少[4]；一般疲劳断口可观察到疲劳源区、扩展区和终断区，疲劳源区面积最小，而扩展区应占据最大比例面积，但从辊轴断口基本呈粗糙不平整的表面可以看出，其明显属于终断区的形貌特征[5]，可见辊轴裂纹在断裂前并未充分扩展，符合实际中辊轴过早失效瞬断的情况。可看到相对断口尽管裂纹扩展并不充分且有效截面积的减少并不显著，但由于焊接头区域材料内部的不均匀性对其抗疲劳损伤性能的影响远大于受静载作用时的影响，而轴径宏观尺寸的变化也会在过渡圆角位置引起应力集中并与焊接残余应力、焊接缺陷局部应力集中效应联合作用，使辊轴的疲劳强度进一步下降，致使辊轴过早地发生了疲劳断裂。

图4 辊轴断口裂源分析Fig.4 Analysis of the crack source of roller shaft

2.2 钢辊疲劳断裂影响因素分析

辊轴的过早疲劳失效是多种因素联合作用的结果，主要有交变循环应力、焊接头区域微观组织变化、焊缝区缺陷、应力集中、焊后残余应力、辊轴表面状态等。这些因素促进轴径突变处或焊接缺陷处的裂纹形核并扩展进而发生断裂。

2.2.1 交变循环应力

工作状态下辊轴受到交变循环应力的作用。随着循环应力作用次数的增加，构件薄弱处的晶粒会沿着最大切应力方向发生位错滑移，产生滑移线，滑移线的数量不断增多且渐渐变宽而形成滑移带。滑移带仍持续受到循环应力的作用，导致材料表面出现带状隆起的挤出区，以及进入表面的裂纹状挤入区，它们沿着永久滑移带平行发展，形成了微小的疲劳微裂纹，使得结构的服役寿命降低。

2.2.2 焊缝区的焊接缺陷

由于零件在焊接缺陷处的疲劳抗力显著下降，而缺陷部位又易于萌生疲劳裂纹并扩展，焊接缺陷成为引发焊接结构疲劳断裂失效的重要原因[6-7]。从图3可以看到，辊轴与轴套的焊接质量不佳，焊缝处存在多处焊接缺陷，包括缺口、未焊合等。缺陷造成焊接结构的宏观几何不连续性及结构表面的不完整，并带来严重的局部应力集中，使得焊缝区域材料的承载能力下降，尤其在动态载荷的作用下，焊缝区疲劳微裂纹萌生的几率显著增加，远高于母材区域[8]。因此焊接缺陷造成的宏观几何不连续性是促进微裂纹形核并导致焊接结构发生疲劳失效的重要因素之一。

2.2.3 焊接头区域的微观组织变化

钢辊部件由辊轴及轴套焊接而成，其焊接头区域可分为焊缝区、熔合区及热影响区等几个不同微区。焊缝区微观组织特征与母材不同，其晶体结构发生变化，晶粒尺寸粗大，几何形状呈柱状特征，伴随着成分的偏析，组织不致密；C、S元素含量的增加，使焊接热裂纹的敏感性提高[9]。熔合区是一个包含半熔化区、未混合区的混合区域，因此区域内化学成分、微观组织等方面存在着严重的不均匀性。所以焊接接头是非均质的结构，微观组织的变化造成了区域局部材料力学性能的下降[10]，而焊缝区成为焊接头中最薄弱的部位[11]，当焊接结构受到循环载荷的作用，在应力值最高的晶粒上产生严重的局部塑性应变集中并引起疲劳微裂纹的萌生[12]。

2.2.4 焊后残余应力

辊轴与轴套的焊接过程中，局部材料被快速加热熔化，随后冷却凝固，因此局部温度发生剧烈的变化。由于焊接头区域材料体积的变化，即膨胀、收缩都受到热影响区之外母材的约束，引起接头区域的塑性变形，均匀的塑性变形使得冷却后的焊接头区域形成了独立于外部载荷的自平衡力系，即焊后残余应力[13]。而焊后残余应力的存在，会使平均应力增大[14]，且大部分材料在焊缝区的残余应力为拉应力，会增加疲劳裂纹的扩展速率，从而降低焊接结构的疲劳强度，减小结构的疲劳寿命，这是引起焊接结构疲劳失效的重要原因。

2.2.5 焊后表面质量

应力集中不仅出现在阶梯轴轴径突变处或焊接缺陷带来的不连续处。焊后的表面质量不佳，这样的表面状态会使表面微观几何形状变化处产生的局部应力远大于名义应力，因此疲劳裂纹将可能首先从这些形状变化处萌生。

此外，实地观察发现机器运转过程中有明显的振动现象，分析其原因在于装备安装地基的平整度未达安装要求所致。振动必然导致辊轴受力状态进一步复杂，导致了疲劳断裂的提前发生。

3 结论

辊轴在较小循环应力作用下过早发生疲劳断裂，其原因不仅在于轴径变化引起轴根部的应力集中，而是多个因素联合作用的结果：熔化焊接工艺使钢辊焊接头区域微观组织改变而引起力学性能的下降；焊接工艺不良，焊接头区域存在严重焊接缺陷，降低了结构的连续性与强度，并在焊接缺陷处引起严重的应力集中导致该处发生塑性变形等。这些因素导致焊缝区的缺陷成为疲劳微裂纹萌生的起源，而焊接残余应力的存在使平均应力增大，使焊缝缺陷加快扩展到相邻的轴体内部，使辊轴过早发生疲劳断裂失效。