矿用自卸车车架疲劳失效试验与研究_关丽坤.pdf

收稿日期2020-03-14 基金项目内蒙古自然科学基金项目 （编号 2019LH05008） 。 作者简介关丽坤1963， 女， 教授， 硕士研究生导师。 矿用自卸车车架疲劳失效试验与研究 关丽坤 1 邓明胜 1 朱海平 21 （1. 内蒙古科技大学机械工程学院， 内蒙古 包头 014010； 2. 中国兵器工业集团内蒙古北方重型汽车股份有限公司， 内蒙古 包头 014030） 摘要针对某型矿用自卸车车架在使用过程中存在焊缝边开裂现象， 进行车架焊接材料的疲劳试验研究。 借助SDS1 000 kN电液伺服疲劳试验机对HG70钢材进行6组疲劳实验， 直至试件完全断裂为止， 实验结果与某型 矿用车车架疲劳破坏位置基本相符。结果都是焊缝周边2～3 cm处出现开裂现象， 而非焊缝出现开裂。由此考虑 是焊接过程中散热不及时产生热影响区的原因， 使得材料回火软化， 影响材料的机械性能。使用金相显微镜对低 合金焊接钢HG70的母材和热影响区的微观组织进行对比， 发现确实存在回火软化区。通过扫描电镜对断口扫描 找到疲劳源和开裂方式， 表明焊接过程存在问题， 为增加车架的疲劳强度， 对焊接方式提出改进意见。 关键词HG70钢疲劳试验金相试验断口扫描 中图分类号TD422文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-147-04 DOI10.19614/ki.jsks.202008024 Fatigue Failure Test and Research of Mine Dump Truck Frame Guan Likun1Deng Mingsheng1Zhu Haiping22 （1. Mechanical Engineering School， Inner Mongolia University of Science＆Technology， Baotou 014010, China； 2. Inner Mongolia North Hauler Joint Stock Co., Ltd., NORINCO Group， Baotou 014030, China） AbstractIn view of the cracking of the weld bead during the use of a type of mining dump truck frame, the fatigue test of the frame welding material is carried out． Six groups of fatigue tests were carried out on the steel by means of the SDS1 000 kN electro-hydraulic servo fatigue tester until the fracture, and the experimental results were basically consistent with the fa⁃ tigue failure position of a certain type of mining vehicle frame． As a result, cracks occurred at 2 to 3 cm around the weld, but cracks occurred at the non-weld． This is considered to be the cause of the heat-affected zone that is not generated in a timely manner during the welding process, which softens the material and affects its mechanical properties． Using a metallographic microscope to compare the microstructure of the base metal and heat affected zone of the low alloy welded steel HG70, it was found that there is indeed a temper softening zone． By finding the fatigue source and cracking for the fracture scan⁃ ning, it indicates that there is a problem in the welding process． In order to increase the fatigue strength of the frame, sugges⁃ tions for improvement of the welding are proposed． KeywordsHG70 steel,Fatigue test, Metallographic test, Fracture scanning 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 某型矿用自卸车部分车架在使用不足10 000 h 发生了焊缝周边开裂的现象见图1所示。这种车架 主要是用HG70钢板焊接而成， 若焊接工艺不当， 就 会导致在实际使用中出现焊缝旁边开裂的现象， 除 去结构的原因， 焊接过程、 材料性能都会有很大影 响。这种材料具有强度高、 低温韧性好， 耐腐蚀的特 点 ［1］。其主要大规模运用于矿山机械、 冶金设备， 并 且作为工程机械用钢， 常用于焊接结构。针对该问 题目前大多数学者采用有限元仿真的方式来模拟疲 劳的危险区。其中具有代表性的有 黄妮等 ［2］利用有 限元的方法模拟各种工况下的疲劳危险区， 并进行 拓扑优化研究； 高团结 ［3］通过试验与不确定理论对矿 用自卸车的A型架焊缝进行疲劳寿命研究； 还有其他 疲劳试验研究， 然而对于材料和焊接工艺考虑相对 较少 ［4］。本项目着手从工程实际模拟车架受载， 通过 疲劳试验对焊缝疲劳寿命进行试验， 再研究材料的 147 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 微观组织、 母材与热影响区的微观组织的区别和电 镜扫描断口研究开裂的原因。 1试验材料和尺寸 本次试验选用的是高强度焊接钢板HG70， 选用 的钢板尺寸为500 mm90 mm15 mm， 采用埋弧焊 的方式焊接。这种高强度低合金钢材在矿山和冶金 机械和汽车工业中有着广泛的应用， 由于加入适量 的微量合金元素， 具有良好的力学性能和加工工艺 性能 ［5］。HG70钢材的相关力学性能如表1。通过调 制处理 （淬火和回火） ， 屈服强度超过700 MPa。 2疲劳试验设备和过程 服役期的车架断裂位置大多集中在焊缝周边， 而非焊缝开裂。章桥新等 ［6］认为焊缝的硬度高于母 材的， 硬度最低部位基本处于焊接热影响区， 表明调 质钢焊接时会产生一定程度的软化。所以通常焊缝 处往往是危险断裂区， 这就需要试验来验证焊缝处 的疲劳寿命， 以保障其在工程实际中的安全性。为 了验证这型钢材的疲劳寿命和疲劳断裂位置， 本次 试验选用了SDS1 000 kN电液伺服疲劳试验机来完 成疲劳试验， 图2为疲劳试验机实物图。在常温状态 下， 纵向加载模拟实际使用过程中车架受力情况， 图 3为试验的试样。为了模拟HG70钢材在实际使用过 程中的状况， 选择正弦波的加载方式施加循环负载， 直至疲劳断裂。 疲劳试验得到的结果见表2。疲劳试验对应的 最大拉应力为 370.37 MPa， 对应的最大压应力为 185.19 MPa。疲劳寿命低于105属于低周疲劳。6组 试验最终的断裂位置基本上和矿用车断裂情况一 致。由于加载方式相同， 但加载力大小不同， 所以导 致寿命不同。 通过几组试验结果发现试验的钢材断口全部是 在焊缝旁2～3 cm处， 焊缝处未发现脱焊、 断裂的现 象。这种现象是由于焊接过程中电流大、 焊接速度 慢， 导致局部温度过大， 且未及时冷却使母材发生退 火现象， 使这一区域的母材机械性能发生改变。考 虑到焊区局部加热膨胀， 焊接残余应力会影响材料， 使焊区受压产生塑性变形， 冷却后受残余拉应力影 响。所以断裂部位集中在热影响区。对于工程实际 使用HG70焊接时， 不仅需要考虑循环载荷对于焊接 头的作用， 还需要考虑焊接工艺的影响 ［7-8］。这两者 都影响试件的使用寿命。 3微观组织研究 通过疲劳试验发现开裂部位都在热影响区， 所 以考虑焊接热对材料有很大影响。需要对钢材的微 观组织研究寻找钢材疲劳破坏的原因。通过对焊接 热影响区和母材的金相组织进行对比分析， 以及使 用扫描电镜扫描断口， 寻找疲劳源和断口形成原因。 148 ChaoXing 2020年第8期关丽坤等 矿用自卸车车架疲劳失效试验与研究 HG70钢为高强度合金钢其主要化学成分见表3， 由 于添加了Mo、 Nb等元素， 材料组织主要以粒状组织 （GS） 与粒状贝氏体 （GB） 为主 ［5］。 金相组织分析具体操作步骤 ①用线切割机从 试件断口处和离焊缝较远处取样； ②粗磨后精磨试 件表面； ③用机械抛光机做表面抛光处理； ④用4 的硝酸酒精溶液侵蚀。用金相显微镜观察， 可以看 到如图4的母材金相组织。其中图4 （a） 表示母材金 相组织， 其主体是块状铁素体， 还有马氏体、 M/I岛组 织存在； 图4 （b） 可以清楚地看到母材中存在粒状组 织 （GS） 与粒状贝氏体 （GB） 。 图5为热影响区的金相组织， 其金相组织颜色较 母材深， 其组织主要是板条状马氏体和粒状贝氏体 组织， 其金相组织与母材相似但是晶粒明显比母材 粗大， 说明确实存在回火软化区。 疲劳破坏可以分为疲劳裂纹萌生、 疲劳裂纹拓 展和失稳断裂。疲劳断口一般可以分为3个区域 疲 劳源、 疲劳断裂拓展区和快速断裂区 ［9］。图6可以看 到该材料的3个区域。通常对断口研究可以分2种 一种是宏观的即用肉眼和低倍放大镜观察初步判 断； 另一种是微观即通过光学显微镜、 电子显微镜研 究断口。疲劳源很小， 宏观上看不到， 放大500倍后 可看出明显的疲劳裂纹， 可判断宏观缺陷性质和事 故发生原因。疲劳扩展区为细晶粒， 深色、 平滑、 海 滩状。快速断裂区 （瞬时断裂区） 为粗晶粒， 凹凸不 平、 白色撕裂或台阶状 ［9］。 图7为疲劳断口的电镜扫描图。如图7 （a） 可以 看到很多韧窝， 这是由于疲劳裂纹的萌生都是局部 塑形应变集中所引起的， 这部分断裂属于韧性断裂 晶界弱化形成韧窝， 符合疲劳源的特征。图7 （b） 中 有河流花样特征。图7 （b） 十分平滑韧窝少， 这部分 属于脆性断裂中的解理断裂。解理面上产生微观的 塑性变形， 从而形成解理台阶、 河流花样、 舌状花样、 鱼骨状花样、 扇形花样及瓦纳线等特征。图7 （c） 中 同时存在韧性断裂和解理断裂， 说明同时存在韧断 和脆断的情况。这种情况符合快速断裂区的特征。 4结论 对于工程实际使用HG70焊接时， 不仅需要考虑 循环载荷对于焊接头的作用， 还需要考虑焊接工艺 的影响。对于本次试验的试件出现焊缝边开裂原因 149 ChaoXing 主要有两点 一焊接质量不达标， 包括焊接参数、 工 艺措施、 施焊质量等； 二是焊接残余应力影响。由微 观组织研究发现焊缝处存在明显回火区， 回火区是 焊接接头的薄弱环节， 使钢材机械性能下降。断口 处扫描结果可以找到疲劳源， 疲劳辉纹及瞬时断裂 区特征， 以及确定材料的断裂形式， 符合疲劳断裂的 特征。对此提出几点矿用自卸车车架焊接时可以参 考的意见 ①使用CO2气体保护的方式焊接； ②对于 焊接过程中形成热影响区， 应该及时散热； ③通过预 热的方式， 降低其冷却速度改善焊接接头组织， 降低 焊接接头各部位硬度； ④为了消除焊接的残余应力， 在焊接部位采用喷丸等表面处理方式， 强化表面提 高强度。 参 考 文 献 任芝兰． HG70低合金高强钢焊接性研究 ［D］ ．长沙 中南大学， 2008． Ren Zhilan． Study on Weldability of HG70 Low Alloy High Strength Steel［D］ ． ChangshaCentral South University， 2008． 黄妮， 戴作强， 郑莉莉， 等．氢燃料电池客车车架有限元分析 及多刚度拓扑优化研究 ［J］ ．制造业自动化， 2018， 40 （12） 45-50． Huang Ni，Dai Zuoqiang，Zheng Lili，et al． Finite element analy⁃ sis and multi stiffness topology optimization of hydrogen fuel cell bus frame ［J］ ． Manufacturing Automation， 2018， 40（12） 45 -50． 高团结 ． 矿用自卸车 A型架焊缝不确定性分析及抗疲劳设计 ［D］ ． 长沙 湖南大学， 2016． Gao Tuanjie． Uncertainty Analysis and Anti-fatigue Design of A- frame Welding Seam for Mining Dump Truck［D］ ． Changsha Hu⁃ nan University， 2016．） 韩帅， 赵礼辉， 郑松林．某后副车架焊接疲劳失效分析及改进 设计 ［J］ ．农业装备与车辆工程， 2019， 57 （7） 97-100． Han Shuai，Zhao Lihui，Zheng Songlin． Analysis 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