预拉伸对不锈钢电阻点焊接头疲劳寿命的影响

朱国仁，庞立林，朱慨迅，杨明，王洪潇

(1.吉林大学,长春 130022；2.中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062)

0 前言

电阻点焊以其生产效率高、简单易操作等特点，普遍应用在轨道交通客车与汽车的生产中[1]。焊点的强度对于车身体结构的各种性能起到至关重要的作用[2]。因此较好的焊接接头质量是提升客车和汽车安全性和可靠性的重要途径。而在实际焊接过程中，接头处往往伴随着残余应力问题[3-4]，若焊接残余应力与疲劳载荷叠加后在材料表面形成拉应力，则不利于构建的疲劳强度[5]。

文中施加预拉载荷的方式能够调整残余应力，通过试验能够得出预拉载荷的最优选取区间，将不锈钢电阻点焊接头的疲劳寿命从有限寿命区提升至无限寿命区[6-7]。

1 试样规格

标准接头试样形状及尺寸如图1所示。试验参数见表1。试样由两块长150 mm、宽50 mm、厚度不同的不锈钢钢板通过电阻点焊焊接而成。为防止由于焊接板不等厚而导致在疲劳试验中产生偏心现象，在焊接板两侧焊有垫板，从而实现受力均匀[8]。

图1 试样及试样形状

表1 试验参数

2 预拉载荷对疲劳寿命的影响

2.1 试验设备

拉伸试验机型号为：WDW—200型电子式万能试验机，载荷示值误差≤±1%；疲劳试验机型号为：LPJ—20E-2型高频拉压疲劳试验机，载荷示值误差≤±1%。

选取1，2两组试样，在室温空气介质中进行，等幅正弦曲线变化的剪切拉压，试验应力比为0.1，试验频率为100～150 Hz，将1×107默认为疲劳极限寿命次数[9]。

2.2 疲劳试验载荷水平的选取

(1)

(2)

这一载荷水平下不锈钢电阻点焊的疲劳寿命散差较小，因此各组疲劳测试进行两次试验即可作为解释性试验。

2.3 预拉伸试验的具体方法

试件在疲劳试验机上安装好后，进行预拉伸，持续时间为1 min；随后将载荷卸载为0，进行疲劳测试，后文采用的名词均用符号代替，不再赘述。

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2.4 未进行预拉伸试样的疲劳寿命

1，2号试样试验数据详见表2。

表2 未拉伸试样试验数据

可以看出虽然两组试样的中值疲劳寿命相差数倍，但二者疲劳寿命均在中短寿命区内。说明给定的Pmax远远超过疲劳极限。又由于电阻点焊工艺性已经趋于成熟，在高载荷水平下散差较小，因此当疲劳寿命增加时能够更好的表现出预拉伸载荷对疲劳寿命大小的影响。

2.5 预拉伸试样的疲劳寿命

表3 1号试样拉伸后试验数据

表4 2号试样拉伸后试验数据

2.6 预拉力对疲劳寿命影响分析及其选取范围

图2 载荷-寿命曲线图

分析原因，在交变应力作用下，接头内部产生塑性变形，残余应力发生松弛[10-11]。而当T>Pmax时，残余应力提前产生更大程度的释放，从而提高疲劳寿命。而在预拉载荷增大到一定程度后对焊接接头的机械性造成了破坏，反而减少焊接接头应有的疲劳寿命。

当T达到55%以上时两焊接板将出现分离现象,这一现象随着T的增大更加明显，如图3所示，且将T卸载后形状无法恢复，对接头外形、尺寸及其他各方面性能有极大的影响。因此50%左右为最优区间，能够最大程度提升疲劳寿命。

图3 试件变形图

3 残余应力测试

疲劳测试中，残余应力作为平均应力对疲劳寿命产生影响。点焊时由于温度梯度的影响，中央部分存在显著热膨胀现象，但由于受到四周巨大的束缚力，使之发生塑性压缩.冷却后，中央部分将在径向上产生接近于屈服极限的残余拉应力。传统点焊产生的残余应力分布如图4[11]所示。

图4 残余应力分布图

在预拉过程中，圆形分布的残余应力会随受力方向发生变化，即从圆形分布变为以受力方向X轴为长轴的椭圆形，残余应力与外载荷叠加，产生塑性变形，而在Y方向上，受力影响较小且发生均匀变化，但由于为限制X方向上变形也会产生压缩应变从而减小拉应力，因此需要同时测定两个方向上的残余应力，如图5所示。目前较为先进的X射线衍射法[12-15]只能测得表面位置的残余应力，因此为测得更准确的残余应力分布，采用钻孔法更为合理。

图5 焊点位置拉伸过程示意图

(3)

(4)

式中：A取-0.46；B取-0.79[11]。

图6 残余应力测试试样

表5 各方向残余应力

焊态试件X，Y方向上残余拉应力在600 MPa以上，对接头疲劳寿命产生严重影响。预拉伸后，X方向残余拉应力降至67 MPa，而X方向也是疲劳试验中交变载荷的方向，因此疲劳极限大幅提升；Y方向上，残余应力下降至1/3也是提高疲劳寿命的另一保障。

4 结论

(3)在选取最优区间的预拉载荷后，焊点内部残余拉应力在受力方向减小较多，能够低于100 MPa，垂直受力方向也能够降至1/3。