基于红外热像法的SUS301L-Q235B异种材料
点焊接头疲劳强度快速评定
孙杨
1,2
,刘亚良
1,2
,李赫
1,2
,杨鑫华
1,2
,许鸿吉
1,2
(1.大连交通大学,大连,116028;2.辽宁省轨道交通装备焊接与可靠性重点实验室,大连,116028)
摘要:借助高性能红外热像仪对SUS301L-Q235B异种材料点焊接头的SUS301L不锈钢侧熔核及塑性环表面局部
热点进行监测,建立了异种材料点焊接头温升斜率与疲劳极限间的定量关系,提出了一种基于温升斜率转折点预
测异种材料点焊接头疲劳极限的方法.结果表明,SUS301L-Q235B异种材料点焊接头向Q235B侧发生了较严重
的熔核偏移,导致不锈钢侧承载能力降低;点焊接头在高频循环剪切拉伸作用下,SUS301L不锈钢侧熔核及塑性环
表面热点表现出“4个阶段”的温度演化特征;利用红外热像法预测的疲劳极限为5.569kN,采用传统阶梯法试验
获得的疲劳极限为5.875kN,预测值与试验值之间的误差为5.21%,具有较高的一致性.所提出的疲劳极限快速预
测方法能够克服传统疲劳试验方法的局限性,实现异种材料点焊接头疲劳极限的非接触、非破坏快速预测,具有重
要的工程意义和科研价值.
关键词:红外热像法;异种材料;条件疲劳强度;快速评定;点焊
中图分类号:TG409文献标识码:Adoi:10.12073/j.hjxb.20190304001
0序言
高速、重载、节能、安全、舒适是现代铁道交通
运输的主要特点,而结构轻量化是实现上述目标的
有效途径.SUS301L奥氏体不锈钢凭借其自重轻、
防腐蚀性好、抗拉强度高、美观安全等优点在列车
上获得广泛应用
[1]
;Q235低碳钢可焊性好,且具有
淬硬性,其绝大多数焊接接头和热影响区硬度都高
于母材
[2]
.部分车体部件采用不锈钢与碳钢异种材
料点焊的连接方法,既能综合利用二者优势,又能
克服传统薄板电弧焊因焊接变形大而导致接头强
度降低的问题.但是两种材料的过载力学性能和疲
劳性能,以及断裂机制完全不同,故二者点焊接头
疲劳强度的可靠评定是其结构设计过程中极其重
要的一个环节,然而传统的疲劳试验方法试验周期
长、所需试件多、数据离散度大,诸多因素使得疲劳
强度的准确评定成为一个棘手的实际问题
[3-4]
.
温度变化,作为疲劳过程中的伴生现象,对疲
劳行为热耗散效应研究和热力学分析至关重要
[5]
.
可以通过分析材料疲劳过程中的温度变化规律,来
研究材料疲劳破坏过程中的物理状态变化,进而预
测特定循环次数下材料或者结构所能承受的极限
载荷,即疲劳极限.近年来,红外热像法凭借其全
场、实时、非接触和非破坏等优点逐步受到国内外
学者的青睐,并将其应用到疲劳极限的研究当中.
Rosa等人
[6]
发现材料的疲劳极限可以通过绘制不
同载荷水平下温度稳定阶段的温升值与载荷之间
的直线关系来确定.Luong等人
[7]
研究发现,非塑
性效应(如粘性效应)同样会引起温度变化,通过将
疲劳极限之上和之下的两组温度数据进行线性拟
合,得到两条直线的交点就是材料的疲劳极限.
Crupi等人
[8]
利用红外热成像技术研究了AH36钢
对焊接头的疲劳行为并预测其疲劳极限.Zhang等
人
[9]
借助红外热成像技术研究了AZ31B镁合金焊
接接头高周疲劳行为.
点焊接头,尤其是异种材料点焊接头,一方面
容易产生熔核偏移;另一方面由于循环载荷的作用
点位于熔核中心内部,熔核表面在疲劳过程中的温
度演化现象难以监测,利用疲劳温度演化规律对异
种材料点焊接头疲劳极限及强度的研究尚未见报
道.因此,以红外热像法为出发点,并结合热力学、
收稿日期:2019−03−04
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51875072);辽宁省自然科学基
金(No.2015020169)
第41卷第1期
2020年1月
焊 接 学 报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.41(1):61−66
January2020