焊接工艺对齿条焊接接头疲劳性能的影响

2021-08-20任俊学戴浩杰

农业装备与车辆工程 2021年7期

任俊学，戴浩杰

（200093 上海市上海理工大学机械工程学院）

0 引言

采用先进的制造连接工艺是实现轻量化的途径之一。摩擦焊接作为一种固相焊接方法，具有优异的焊接接头性能，广泛应用于航空航天、石油开采、汽车制造等领域[1-2]。汽车转向器是转向系统的核心部件，齿轮齿条转向器由于结构简单、逆效率合理，在汽车上得到了广泛应用[3]。齿轮齿条转向器的核心是转向齿轮和齿条，通常齿条采用优质碳钢或合金棒材制作，通过调质处理、制齿、齿部热处理、校直、表面抛光的加工流程制作而成[4]。齿条在工作时，杆部负责传递转向拉压力，受轴向力和小部分弯矩作用，应力较小，具有很大的轻量化潜力。通过把齿条部分材料换成空心管，采用摩擦焊接工艺与实心棒材连接，可以达到轻量化效果并降低转向器生产成本。

本文采用两种不同的焊接工艺参数焊接2 类接头样件，通过显微硬度试验、疲劳试验及断裂位置金相观察试验，比较2 种焊接工艺的微观组织差异和接头疲劳性能的好坏，研究焊接参数对焊接接头质量的影响，为轻量化齿条制造选取合适的焊接参数。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1 材料属性及工艺参数

本文中焊接原材料为S45SC 棒材和E355 无缝钢管，其化学成分和物理性能如表1 和表2 所示。原材料的尺寸参数为：棒材直径26.0 mm，管材外径26.0 mm，内径16.5 mm。研究采用国产C-20 型号连续驱动摩擦焊机，可焊接直径12～34 mm 的样件。样件焊接采用两种焊接规范，其相关参数如表3 所示。焊接时管材装夹在移动夹具一端，棒材装夹在旋转夹具一端，根据预设焊接参数，由摩擦焊机自动完成焊接作业。

表1 S45SC 和E355 的化学成分（质量分数，%）Tab.1 Chemical composition of S45SC and E355 (mass fraction,%)

表2 S45SC 和E355 的相关物理性能Tab.2 Related physical properties of S45SC and E355

表3 样件焊接规范及相关参数Tab.3 Sample welding specifications and related parameters

1.1.2 试样尺寸及制备方法

考虑到样件个数和实验条件限制，疲劳试样设计综合考虑实验机器夹具、加载能力和焊接样件尺寸的限制，最终确定试样为具有水平试验区段的板状试样，其设计尺寸及加工流程分别如图1、图2 所示。

图1 疲劳试样形状及尺寸Fig.1 Shape and size of fatigue specimen

图2 疲劳试样加工流程图Fig.2 Flow chart of fatigue specimen processing

疲劳试样采用线切割方法从焊接样件上加工得到，并使用#180、#400、#600、#800、#1 000、#2 000 级别砂纸按照顺序依次手工打磨，最后用#3 000 砂带在打磨机上对试样进行抛光，使用光学放大镜进行观察，确保试样试验区表面机械加工痕迹全部去除。打磨前后试样分别如图3、图4 所示。

图3 线切割加工后的试样Fig.3 Samples after wire cutting

图4 处理完成的疲劳试样Fig.4 Finished fatigue specimen

1.2 试验方法

本试验采用HXP-1000 型维氏硬度（HV）显微硬度计测量试样硬度，参数设置为：物镜放大倍数40×，加载压力为1.961 N（200 GF），保压时间15 s，测量形状为平面。测量时以焊接界面为中心，每隔0.5 mm 打一个点（在过渡区域适当加密），A 类接头两边母材的最远测量距离至焊接界面为5 mm，B 类为8 mm，覆盖全部的接头区域。显微硬度测量路径如图5 所示。

图5 显微硬度测量路径Fig.5 Microhardness measurement path

本试验使用RUMUL 高频共振疲劳试验机，采取成组法测试摩擦焊缝的拉伸疲劳性能，即在每级应力水平下测试多个疲劳试样，选取的应力水平保证试验数据处于高周疲劳区段[5]，重点对10 万次和100 万次左右疲劳寿命的两级应力水平进行试验，其余试样进行高应力和低应力水平的疲劳试验。试验设备及试验过程如图6 所示。

4.要将企业劳动保护工作作为一项系统工程来推进。企业劳动保护工作涉及管理的诸多层级和关系，企业工会需依法履行劳动保护职责，如充分行使《劳动法》、《安全生产法》、《工会法》等授予工会组织在劳动保护工作中的参与权、代表权、知情权和监督权，在企业宣传普及安全劳动保护知识，以及监督国家有关劳动保护、安全技术、环境卫生等法律法规在企业的贯彻落实情况，及时解决影响职工健康和安全的各类问题等。同时，还要与安全监察部门开展协调监管工作，尤其是探索出新时期劳动保护、广泛监督的工作内容、发展思路和方式方法。

图6 疲劳试验机及试验过程Fig.6 Fatigue testing machine and test process

试样断裂后，在试样断口表面涂抹凡士林避免断口氧化生锈。采用线切割方法切割试样，断口两端各截取10 mm，并对断口进行镶嵌、打磨、抛光、用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用金相显微镜对处理完的断裂试样进行断裂位置观察。镶嵌完成的试样如图7 所示。

图7 镶嵌完成的观测试样Fig.7 Observation sample after inlay

2 试验结果及分析

2.1 显微硬度分布

试验结果如图8 所示，其中横坐标的零刻度代表接头的焊接界面。A、B 两类焊接接头的硬度变化趋势趋于一致，呈“W”形状，其硬度均在焊接界面达到峰值。

图8 两类样件焊接接头区域的显微硬度变化Fig.8 Changes in microhardness of welded joint area of two types of samples

A 类接头管材一侧母材硬度约为240 HV，热影响区很窄，约0.78 mm，硬度低值为234.6 HV，焊接界面的硬度最大，为321.7 HV；棒材一侧的母材硬度约为290 HV，靠近焊缝处硬度值降低，该区为细晶区，硬度值为266.3 HV，随后硬度值开始增大，在焊缝处达到峰值。B 类焊接接头两侧母材硬度值与A 类相同，但B 类接头摩擦时间较长，因此热影响区变宽，各区域组织硬度变化关系较为明显。在焊缝两侧，母材到热影响区的材料硬度下降明显。管材侧热影响区材料硬度低值为181.9 HV，该处组织为铁素体和珠光体，晶粒细小，塑性较好，因此硬度降低；棒材侧热影响区材料硬度低值为248.8 HV。靠近焊缝处，两侧材料硬度均在增加，在焊接界面处达到了峰值396 HV，此区域的材料在高温和摩擦扭矩的作用下发生了强化，金相组织较为粗大，因此硬度提高。

A 类接头的峰值低于B 类，这是由于两类接头焊缝区域金相组织不同导致的。A 类接头的焊接影响区域比较小，大约为3 mm；B 类接头的焊接影响区域比较大，大约为8 mm。这是因为B 类样件在焊接时采用了较小的摩擦压力和较大的摩擦时间，接头温度分布范围宽，导致热影响区增大。

2.2 疲劳试验结果

按照前文所述试验方法完成全部焊接接头试样的疲劳试验。根据经验，本文采用对数正态分布作为试样疲劳寿命的总体分布函数。

对数正态分布即试样的疲劳寿命取对数以后符合正态分布，正态分布的概率密度函数为

式中：σ——母体的标准差；μ——平均值；x——对数疲劳寿命。

正态分布的存活率P 为

式中：xp——对应某一存活率的对数疲劳寿命；f（x）——概率密度函数。

通常使用参数估计法来确定总体的正态分布的平均值和标准差，用子样的平均值来估计总体的平均值，用子样的标准差估计总体的标准差，这两个估计量均是总体的无偏估计[6]。子样的平均值和标准差计算分别如式（3）、式（4）所示：

根据式（3）和式（4）可确定某一应力等级下总体的对数疲劳寿命概率密度函数，则对数疲劳寿命xp与存活率p（ζ>xp）便一一对应了。由于积分运算较为复杂，采用标准正态偏量（式（5））将一般的正态分布函数转化为标准正态分布，通过查表确定对应的转化数值，再计算相应的对数疲劳寿命，再进行反对数运算即可求得疲劳寿命。常用的存活率p 与up的对应关系表如表4 所示。

表4 常用的标准正态偏量Tab.4 Commonly used standard normal skewness

按照上述方法，对A、B 二类试样在50%、90%、99%存活率下的疲劳寿命数据进行计算，拟合出P-S-N 曲线，如图9 和图10 所示。从图中可以看出，A 类焊接接头的S-N 曲线更加平缓，相同存活率下，承受同样的应力幅，A 类接头的疲劳寿命高于B 类接头，所以A 类焊接接头的疲劳性能优于B 类接头的疲劳性能。