超声冲击对SMA490BW耐候钢焊接接头腐蚀疲劳的影响

采用USP-300超声表面加工装置对SMA490BW耐候钢表面进行超声冲击处理。研究超声冲击前后试件的显微组织、显微硬度和残余应力,比较超声冲击前后SMA490BW耐候钢焊接接头的腐蚀速率和腐蚀疲劳寿命。通过光学显微镜观察超声冲击后SMA490BW耐候钢的显微组织,采用测试仪器测试焊接接头的表面硬度和残余应力,分析超声冲击提高SMA490BW耐候钢抗腐蚀性及其疲劳寿命的机理。结果表明,超声冲击处理能使材料表层晶粒细化形成致密的塑性变形层,提高显微硬度,并在材料表面引入有效的残余压应力,降低腐蚀速率,减小失重量。同时,超声冲击处理后裂纹扩展路径变得更加复杂,裂纹扩展速率降低,焊接接头腐蚀疲劳寿命得到提高。

SMA490BW耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟

SMA490BW耐候钢焊接过程中会产生较大的残余应力,常使用去应力退火的热处理方式消除残余应力。建立了SMA490BW耐候钢的焊接过程和焊后热处理过程中的有限元模型,对焊接以及焊后热处理的残余应力场进行了有限元模拟和验证。通过引入材料的CREEP本构模型,利用Norton-Bailey指数方程模拟计算了焊后热处理时材料的蠕变行为,得到热处理对的焊接残余应力的影响。研究结果表明:使用CREEP本构模型,引入材料的蠕变行为可以较好地模拟焊接工件的焊后热处理过程中的应力应变变化,计算得到的残余应力值与实测值有较好的一致性。这为工业上优化SMA490BW耐候钢的焊接工艺、降低残余应力提供了理论支持。

SMA490BW耐候钢不同焊接区域裂纹扩展门槛值研究

对SMA490BW耐候钢MAG熔化焊接头的焊核区和热影响区在不同应力比下的裂纹扩展门槛值进行研究,比较两种焊接区域在不同应力比下的抗裂纹扩展能力,用光学显微镜观察两种焊接区域的显微组织,分析应力比和显微组织对裂纹扩展门槛值的影响。结果表明:在同一应力比下,焊核区的裂纹扩展门槛值和抗裂纹扩展能力高于热影响区;对于同种焊接区域,应力比为-1时的裂纹扩展门槛值和抗裂纹扩展能力比应力比为0时的高;焊核区组织的晶粒比热影响区粗大,导致焊核区的裂纹扩展门槛值大于热影响区。

焊接工艺对SMA490BW耐候钢接头腐蚀行为的影响

目的研究转向架焊接构架用SMA490BW耐候钢及其在不同焊接工艺条件下制得的焊接接头在模拟工业大气环境下的腐蚀行为。方法采用周浸腐蚀试验方法,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)等方法,研究了腐蚀产物的表面形貌、锈层结构及相组成。结果在模拟工业大气环境条件下,SMA490BW耐候钢母材、自动MAG焊接头、手工MAG焊接头的腐蚀失重率呈先增后减的变化规律,其中自动MAG焊接头腐蚀失重率最小,手工MAG焊接头腐蚀失重率最大,而SMA490BW耐候钢母材居于两者之间。耐候钢母材及其焊接接头腐蚀产物的相组成均为γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe_2O_3和Fe_3O_4。经过150 h腐蚀后,耐候钢母材及其焊接接头腐蚀产物中Cr、Ni、Cu合金元素含量有所差异,其中自动MAG焊焊缝腐蚀产物中Cr、Ni、Cu合金元素含量最高,分别为1.79%、0.23%、0.17%。Cr、Ni、Cu合金元素将直接对耐候钢母材及其焊接接头耐腐蚀性产生影响。结论与手工MAG焊接头相比,自动MAG焊接头耐蚀性较高的主要原因是焊缝中主要抑制锈层腐蚀的Cr、Ni、Cu合金元素含量较高。

焊接线能量对转向架用SMA490BW耐候钢接头组织与性能的影响

对转向架SMA490BW耐候钢在不同焊接线能量下进行了单丝MAG焊接试验,研究了线能量对接头显微组织与力学性能的影响。结果表明：焊接线能量在10～32 kJ/cm时,随着线能量的增加,焊缝金属中的晶内针状铁素体逐渐转变为条状或块状的铁素体,晶界侧板条铁素体尺寸增大;热影响区晶粒逐渐粗化,粒状贝氏体和晶界的先共析铁素体增加,当线能量达到32 kJ/cm时晶界的先共析铁素体几乎呈网状分布。不同线能量下,焊接接头拉伸试样均断裂于母材。随着线能量的增加,焊缝金属和热影响区的冲击功逐渐减小,对于焊缝金属、热影响区,线能量分别不超过25、32 kJ/cm时,其冲击功满足在-40℃下不小于27 J的要求。

SMA490BW耐候钢接头组织及低温力学性能研究

主要研究了SMA490BW耐候钢MAG焊接接头组织,在0~40℃温度范围内对接头进行拉伸、冲击试验,在-40℃进行弯曲试验,检测接头低温力学性能,并对冲击断口进行了分析。结果表明,接头宏观形貌成型良好,未见裂纹和明显的夹渣等焊接缺陷;焊缝组织主要为先共析铁素体、针状铁素体和粒状贝氏体,焊缝层间区组织为细小等轴晶,层间过热区呈魏氏组织形貌,热影响区的过热区晶粒粗大,正火区为细小等轴晶,不完全重结晶区组织不均匀;在0^-40℃范围内,接头拉伸试样都断裂于母材,抗拉强度和屈服强度均随温度降低而提高,焊缝和母材冲击韧性随温度降低呈下降趋势,热影响区冲击韧性对温度敏感性较小且冲击韧性最好,焊缝冲击韧性最差;在-40℃时,母材断裂模式由韧窝转变为准解理断裂,焊缝为解理断裂,热影响区为韧窝断裂;接头在-40℃条件下弯曲性能良好,未出现裂纹等表面缺陷。

SMA490BW耐候钢激光-MAG复合焊与MAG焊对比研究

以一种高速列车转向架用材料SMA490BW耐候钢为研究对象,针对传统MAG易出现未焊透等焊接问题,对8 mm SMA490BW耐候钢的激光-MAG复合焊进行研究。通过对比8 mm SMA490BW耐候钢MAG焊与激光-MAG复合焊接头的焊缝成形、组织特点、力学性能,可以得到:SMA490BW耐候钢的激光-MAG焊接头的焊缝成形质量优于MAG焊接头,焊缝组织也更加均匀细小,焊缝区硬度较MAG焊接头高;复合焊接头的抗拉强度、弯曲性能与MAG焊接头类似;复合焊接头的韧性比MAG焊接头更好。

热输入量对SMA490BW耐候钢粗晶区低温韧性的影响

为研究焊接热输入量对SMA490BW耐候钢粗晶区(CGHAZ)低温韧性的影响,利用Gleeble-1500热模拟试验机对SMA490BW耐候钢进行CGHAZ的热模拟试验,并对不同热输入量下的热模拟CGHAZ进行-40℃低温冲击试验。结果表明:随着焊接热输入量的增加,焊接热模拟粗晶区的低温冲击韧性降低,但当热输入量不超过30 kJ/cm时,其冲击功均符合标准规定的不小于27 J的要求。焊接热模拟粗晶区粒状贝氏体增多、羽毛状贝氏体形成以及晶粒粗大是导致低温冲击韧性下降的主要原因。

SMA490BW耐候钢深熔焊工艺及接头的组织和性能

分别采用高频脉冲MAG焊和普通脉冲MAG焊(深熔模式)对12 mm厚SMA490BW耐候钢板T型接头(角焊缝)进行了焊接工艺试验,观察和分析了熔深及焊接接头的宏观形貌、金相组织特征,并测试了焊接接头的维氏硬度(HV10)和焊接残余应力。结果表明:与普通脉冲MAG焊相比,在相近的焊接线能量(热输入)下,高频脉冲的熔深增加20%~30%,焊接热影响区(距焊趾处约12 mm)的残余应力降低约为11%~26%;与普通脉冲MAG焊相比,高频脉冲MAG焊接头呈较为理想的组织特征,焊缝中针状铁素体(AF)组织含量较多,熔合区不含侧板条铁素体(FSP)组织,先共析铁素体(GBF)组织数量较少,其过热区的晶粒粗化程度较小;两种焊接方法获得的焊接接头的维氏硬度值均小于380 HV10,符合焊接工艺评定标准的要求。

SMA490BW耐候钢激光-电弧复合焊接接头性能

高速列车转向架服役环境复杂,易受到大气腐蚀,通常使用耐候钢作为转向架材料。SMA490BW耐候钢以普通碳素钢为基础,添加了耐大气腐蚀的Cu、P、Cr、Ni等元素,具备较好的耐腐蚀性。采用激光-MAG复合焊及MAG焊,针对SMA490BW接头性能、微观组织及合金元素波动进行研究。结果表明,复合焊接头组织核力学性能优于MAG焊接接头,且合金元素成分波动较小,在转向架焊接中可实现对MAG焊接工艺的替代和优化。

打磨方式对SMA490BW耐候钢十字接头疲劳性能的影响

对SMA490BW耐候钢十字焊接头进行了不同方式的打磨处理,研究了打磨方式对十字焊接头疲劳性能的影响,并借助SEM研究了疲劳断口形貌。运用ABAQUS有限元软件计算十字焊接头的应力分布及应力集中系数。结果表明,未打磨试样疲劳极限约为70.6 MPa,简单打磨试样疲劳极限约为98.6 MPa,过渡圆弧打磨试样疲劳极限约为104.4 MPa,简单打磨和过渡圆弧打磨相比未打磨试样的疲劳极限分别提高39.7%和47.9%。未打磨、简单打磨和过渡圆弧打磨试样焊趾处的应力集中系数分别为1.558,1.402和1.297。简单打磨和过渡圆弧打磨试样焊趾处的应力集中系数分别降低了10.0%和16.8%。

SMA490BW耐候钢MAG焊接头断裂韧性研究

为研究常温下服役480万km后高速列车用SMA490BW耐候钢焊接接头的断裂行为,通过断裂韧度试验获得焊接接头焊缝、热影响区和母材的断裂韧度。结果表明:母材的常温断裂韧度优于焊缝的。通过对微观组织和断口形貌的对比分析,阐明了焊接接头各区域的微观断裂机理,焊缝金属较低的断裂韧度主要是由晶粒粗大和存在粗大的先析铁素体造成的,对新型焊接技术应用于高速列车的设计制造及材料服役性能评估具有非常重要的意义。

SMA490BW耐候钢TIG焊接接头残余应力分析

【目的】旨在进行SMA490BW耐候钢TIG焊接接头疲劳寿命的评估。【方法】采用盲孔法、X射线法、有限元分析3种方法对SMA490BW耐候钢TIG焊接接头进行了焊接残余应力分析,并对切割小试样引起的残余应力变化进行分析。【结果】结果表明,SMA490BW耐候钢纵向残余应力在焊缝拉应力峰值接近材料屈服强度,远离焊缝中心残余应力迅速降低并进一步转变为压应力,此分布规律为典型的纵向残余应力分布特征。在整体试板上采用线切割出用于疲劳试验的足尺寸小试样,小试样上纵向残余应力的峰值接近230 MPa,约为屈服强度的70%,纵向残余应力在横向分布规律保持不变。【结论】该部分所建立的有限元模型分析结果与测试数据吻合很好,证实模型的热源模型、力学边界条件均与实际工艺接近,采用该计算模型的精度和正确性可以保障。

高速列车转向架SMA 490BW耐候钢焊接热影响区模拟试验

实验分析高速列车转向架构架用钢焊接接头热影响区的组织性能。采用Gleeble-3500热模拟试验机对SMA490BW耐候结构钢进行焊接时温度循环的模拟,研究了三种焊接线能量状态下两个不同特征热影响区的组织和性能,为焊接工艺的优化提供理论依据。SMA490BW耐候钢的过热温度区间热影响区组织多为贝氏体,并且组织性能根据采用线能量的不同会产生明显差异。随着焊接热输入的增加,其组织晶粒增大,强韧性下降。推荐热输入线能量E=5 kJ/cm。

超声冲击时间对SMA490BW钢焊接接头组织与性能的影响

对转向架用SMA490BW钢焊接接头表面进行10、15、20 min的超声冲击,在相同应力水平下进行接头疲劳试验,对比试件不同时长冲击后的疲劳寿命。通过金相、表面硬度、残余应力、表面粗糙度测试分析超声冲击提高SMA490BW钢焊接接头疲劳寿命的机理。结果表明:超声冲击处理可提高焊接接头表面硬度、降低表面粗糙度,并引入了残余压应力。超声冲击处理后试样的表层组织塑性变形大,晶粒被拉长、破碎,形成了塑性变形层。超声冲击处理10、15、20 min后,平均疲劳寿命分别提高了82%、342%、482%。

缺陷深度对SMA490BW钢焊修接头组织及性能的影响

对SMA490BW耐候钢接头不同深度的缺陷进行了焊修,分析了补焊接头的组织、残余应力及力学性能。结果表明,2~6 mm深度缺陷的补焊不会对焊缝组织产生影响,焊缝组织主要为先共析铁素体、针状铁素体及粒状贝氏体。补焊对原焊缝产生热影响,形成正火细晶组织。补焊接头焊缝区的硬度低于初焊接头,补焊对接头的拉伸性能影响不大,但补焊接头的冲击性能优于初焊接头。随着缺陷深度的增加,补焊道次增加,致使接头及母材经历多次热循环,影响了接头残余应力分布。当补焊深度为6 mm时,焊缝附近纵向残余应力超过母材本身的屈服强度,而实际焊修后不再进行热处理,因此不建议对6 mm及以上深度的缺陷进行焊修。

SMA490BW耐侯钢超射流过渡焊接头残余应力与疲劳性能

分别采用超射流过渡MAG焊和传统的脉冲MAG焊,对转向架焊接构架用SMA490BW耐侯钢进行了对接焊试验,测试分析了接头的残余应力和疲劳强度。结果表明：与传统的脉冲MAG焊相比,采用超射流过渡MAG焊接工艺时,SMA490BW耐侯钢接头的残余应力峰值仍位于焊缝及近焊缝区域,但残余应力明显减小;超射流过渡MAG接头在指定寿命107周次的疲劳强度提高4%。

SMA490BW钢双丝焊接头组织及力学性能研究

对SMA490BW钢进行双丝MAG焊接,并研究了接头组织及力学性能。结果表明,SMA490BW钢双丝焊焊缝成型美观,无未熔合、夹渣等焊接缺陷。焊缝各层组织有差异,上层组织主要为先共析铁素体、针状铁素体、条状铁素体和粒状贝氏体组织;中层柱状晶组织有细化趋势;底层出现过热的魏氏组织。接头硬度和抗拉强度满足生产要求,焊接残余应力较小,接头疲劳性能优良,疲劳极限可达到420 MPa。

多次补焊对SMA490BW钢焊接过热区冲击性能的影响

通过焊接热模拟及焊接接头多次补焊试验,分析了转向架SMA490BW钢焊接过热区多次补焊后的组织与冲击性能变化。结果表明:SMA490BW钢经历3次及以上峰值温度为1320℃的焊接热循环后,过热区形成粗大的魏氏组织,导致冲击性能显著降低。为此,在接头返修时,根据缺陷尺寸及位置,若将挖补区限制在焊缝内部,且离开熔合线一定距离,多次补焊后再进行(590±15)℃×2h退火处理,则过热区冲击性能明显改善,并优于焊态下过热区的冲击性能。

SMA490BW钢低组配接头的疲劳性能研究

为发挥低强匹配焊接能改善高强钢的可焊性、有效降低约束力和预热温度的优点,采用J422焊条焊接超声疲劳试样,对高铁转向架用钢SMA490BW低组配十字焊接接头开展常温拉压条件下的超声疲劳试验,并对失效试样进行断口分析,研究低组配接头的疲劳失效机理。试验结果表明:十字焊接接头试样均断于焊趾,疲劳S-N曲线呈连续下降趋势。将十字接头的疲劳性能与板状母材进行对比分析,发现十字接头的疲劳寿命远低于母材。在循环周次为3.11×106时,十字接头试样的疲劳强度仅为母材的67%。试样疲劳断口的扫描电镜(SEM)分析结果显示,裂纹源主要位于焊趾处的熔合区,该区域存在的几何不连续性及焊接缺陷会引起较大应力集中,是导致焊接接头疲劳断裂的主要因素。