含裂纹_气孔及多次重熔焊缝的焊接接头疲劳性能研究

疲劳试验结果如表 3 所示。2 号、3 号、4 号试 样均未发现裂纹，由此推测裂纹起裂到试样断裂在 最后的 6 321 循环次数内。与未预置切口时比较，相 同 6005 无缺陷焊接接头疲劳极限为 62.5 MPa，可
焊接工艺
金 晶：含裂纹、气孔及多次重熔焊缝的焊接接头疲劳性能研究
第1期
见切口存在很大的应力集中，大大降低了试样的疲 劳寿命。
多次重熔焊接接头试件的制备：将未焊接的 6005 中空型材内部加强筋挖空取表皮板，尺寸 310 mm× 150 mm。焊接试板，焊后进行一次重熔和二次重熔 处理，其中焊接与重熔处理采用 EWM-421 型焊
机进行，具体工艺参数如表 1。将不同工艺处理后的 板材加工成如图 1b 所示试件，每种工艺各 5 个 试件。
表 2 含裂纹焊接接头疲劳尺寸及试验方案
试样 编号
1 2 3 4
宽度 /mm 19.54 19.22 19.30 19.18
厚度 /mm 3.34 3.36 3.10 3.20
试验方案
记录 1 号试样断裂时循环次数 C 循环次数达 C/4 时停止试验 循环次数达 C/2 时停止试验 循环次数达 3C/4 时停止试验
Research on fatigue properties of welded joints containing cracks ，holes and multiple remelting weld
JIN Jing （Jilin Railway Technology College，Jilin 132022，China）
试验主要包括： （1）含裂纹试件焊接接头的疲劳性能实验。通 过线切割预置切口，切口长度小于 5 mm，针对焊 接接头（对接接头）进行单轴应力的疲劳试验，试验 力方向与裂纹扩展方向垂直，并研究裂纹在不同循 环次数下的扩展规律。 （2）含气孔焊接接头疲劳试验。通过钻孔法模 拟气孔的存在，对于气孔数量小于 3 个的焊接接头 （对接接头）进行单轴应力的疲劳试验，并研究气孔 在不同循环次数下的扩展规律。 （3）多次重熔焊接接头的疲劳试验。研究一次重 熔下焊接接头的疲劳性能，并与未重熔焊缝的疲劳 强度进行对比，研究重熔对焊接接头疲劳性能的影 响；研究二次重熔下对接接头的疲劳性能，并与未
Key words：defect；multiple remelting；fatigue properties；welded joints
0 前言
近年来我国高速铁路集中、快速地发展，也带 来了高速列车制造的迅猛发展。而高速列车的安全 可靠性是制约高速列车发展的主要因素。焊接是高 速列车车体集成的关键技术，焊接接头的可靠性决 定着高速列车车体运行的安全可靠性[1-2]。而影响焊 接接头可靠性的主要因素是列车运行时动载作用 下接头的疲劳性能。一般而言，焊接接头是车体结构 中最薄弱的部位。这是由于焊接过程中的热影响导 致了整个焊接区域的组织发生了不均匀的变化，使 焊接接头的疲劳强度较母材有所降低[3]。与此同时， 在焊接过程中如果存在焊接缺陷，将会导致应力集 中，降低焊接接头的疲劳性能。针对气孔、裂纹等焊
Abstract：In order to research the extension law of welded joints with defects(cracks，porosity) under multiple remelting condition and
the influence of remelting of welded joint fatigue performance，fatigue tests of spice with defects and under multiple remelting condition have been taken. The results show that the fatigue properties of welded joints with defects(cracks，porosity) and under multiple remelting condition decrease compared with the general ones.
·90· Electric Welding Machine
重熔、一次重熔焊缝疲劳强度进行对比，研究多次 重熔对焊接接头疲劳性能的影响规律。对焊接接 各区域的硬度进行测试，同时针对上述疲劳裂纹 试件的断口进行了宏观形貌分析和微观形貌 SEM 分析。
2 试验和结果分析
2.1 含裂纹试件
对预制长度为 3 mm 切口的疲劳试件进行疲劳 试验，应力比 R=0.1，最大应力 60 MPa，试验频率为 94～98 Hz。疲劳试样尺寸及试验方案如表 2 所示。
10
1×107
未断裂
54.90
11
1×107
未断裂
109.70
12
8.16×105
焊缝
100.60
13
1.06×106
焊缝
一次重熔 91.40
14
1.34×106
焊缝
64.00
15
1×107
未断裂
54.90
16
1×107
未断裂
109.70
17
4.06×105
焊缝
91.40
18
9.55×105
焊缝
二次重熔 82.25
2.2 含气孔试件
对预制小孔的疲劳试件进行疲劳试验，应力比 R=0.1，最大应力分别为 60 MPa 和 80 MPa，试验频 率 25 Hz。疲劳试样尺寸及试验方案如表 4 所示。
表 4 含气孔疲劳试样尺寸及试验方案
试样编号 宽度/mm 厚度/mm
试验方案
5
19.44 3.30 试验过程中实时采集载荷、
Electric Welding Machine ·91·
焊接工艺
第 45 卷
图 3 周期位移变化曲线（80 MPa）
a 断口宏观照片
b 疲劳辉纹
c 瞬断区 图 4 断口宏观照片及 SEM 照片（80 MPa）
2.3 多次重熔试件
分别对未重熔的焊接接头试件、一次重熔和二 次重熔焊接接头试件进行疲劳试验，应力比 R=0.1， 应力级分别选取 109.7 MPa、100.6 MPa、82.25 MPa、 ·92· Electric Welding Machine
6
19.42 3.44 位移随循环次数的变化规律
疲劳试验结果如表 5 所示。与未预置小孔时比 较，相同 6005 焊接接头疲劳极限为 62.5 MPa，可 见气孔处存在应力集中，降低了试样的疲劳寿命。
试验 过 程 中 实 时 采 集 载 荷 、位 移 随 循 环 次 数 数据，试样 6 断裂前几个周期内位移随着周期
性能的影响，对预制缺陷及多次重熔工艺下处理后的试件进行疲劳试验。 实验结果显示有裂纹及气孔
的焊接接头，以及经过一次和二次重熔的焊接接头的疲劳性能都有所下降。
关键词：缺陷；多次重熔；疲劳性能；焊接接头
中图分类号：TG407
文献标志码：A
文章编号：10 01－2303（2015）01－0089-06
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2015.01.22
由疲劳试验结果可知，三组试样中未达到疲劳 极限的试样均断裂在焊缝处，可见焊缝为焊接接头 疲劳性能最薄弱处。
为进一步分析焊接接头基本组织性能，对焊接 接头进行了金相分析和硬度测试。未重熔组及一次 重熔组焊接接头的硬度变化曲线如图 5 所示，焊接 热影响区宽度约为 11 mm，存在 2 mm 的软化区。除 软化区外，焊缝区的硬度最低，未重熔组约为 57 HV， 一次重熔组约为 51 HV。
Electric Welding Machine ·89·
焊接工艺
第 45 卷
（见图 1a），将表皮板加工成如图 1b 所示的焊接接 头疲劳试样，共 10 个试样，分两组，每组 5 个试样。 其中含裂纹试样用线切割在焊缝中心预制切口，长 度 3 mm；含气孔试样：使用钻孔法模拟气孔存在， 气孔数量 2 个，直径 0.5 mm、深 0.5 mm。
表5
应力/MPa 60 80
含气孔组焊接接头疲劳试验结果
试样编号 5 6
循环次数 7 548 970 736 159
断裂位置 焊缝 焊缝
的变化曲线如图 3 所示。由图 3 可知，循环次数达 736 159周次时，裂纹达到临界尺寸，试样发生瞬 断，位移发生突变。
试样 6 断口形貌如图 4 所示。图 4a 为体视显微 镜下观察到的断口形貌，钻孔处为疲劳源，可见疲 劳源外有放射状花样。宏观断口可见明显的疲劳弧 线，疲劳弧线方向垂直于裂纹扩展方向。图 4b 为疲 劳扩展区 SEM 形貌观察，可见明显的疲劳辉纹。疲 劳断口瞬断区韧窝形貌如图 4c 所示。
19
4.7×104
焊缝
64.00
20
1×107
未断裂
54.90
21
1×107
未断裂
由试验结果可知，未重熔组焊接接头疲劳极限 为 100.6 MPa，一次重熔组和二次重熔组疲劳极限 远远低于未重熔组，约为 64.0 MPa。可见，挖除原有 焊缝进行重熔会严重降低接头的疲劳性能，重熔次 数对疲劳性能影响不明显。
1 号试样疲劳断口 SEM 照片如图 2 所示。由图 2a 可知，疲劳裂纹起源于预置的切口处。图 2b 为 疲劳裂纹扩展区，可见放射状纹路，此外可见气孔 分散于断口表面。将疲劳裂纹扩展区进行高倍数 SEM 观察，可以看到明显疲劳辉纹，如图 2c 所示。 在疲劳断口上还经常看到与疲劳条带一起存在的
表3
试样编号 1 2 3 4
含裂纹组焊接接头疲劳试验结果
循环次数 25 283 6 320 12 641 18 962
断裂位置 焊缝
未断裂 未断裂 未断裂