05CuPCrNi/301L异质钢电阻点焊接头组织与力学性能研究

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在不锈钢轨道客车车体与枕梁、牵引梁等部位的连接中,存在耐候钢与不锈钢的焊接结构,目前主要采用MAG焊。电阻点焊以其节能环保、安全高效的优势广泛应用在各种车辆结构的连接中,但异质钢点焊的应用较少。为提升轨道车辆装备制造水平,本文对车辆结构中常用的2.0+2.0、4.0+1.5和4.0+4.0(mm)三种板厚组合的05CuPCrNi/301L-DLT焊接结构进行电阻点焊试验,围绕点焊接头的微观组织、静拉伸和疲劳性能展开研究,探索异质钢电阻点焊应用于车辆焊接的可行性。05CuPCrNi/301L电阻点焊接头的熔核呈非对称结构,301L-DLT不锈钢板内的熔核直径大于05CuPCrNi耐候钢板,熔核组织为奥氏体、板条状马氏体以及Cr7C3化合物,由于熔核成分混合不均匀,不锈钢板内的熔核硬度略高,平均硬度高于403HV。耐候钢的热影响区尺寸远大于不锈钢,其组织为尺寸和形状不同的铁素体和马氏体,硬度低于熔核,但高于母材的165 HV。不锈钢板的热影响区为退火奥氏体和少量δ-铁素体,硬度与母材接近。05CuPCrNi/301L电阻点焊接头的拉伸载荷随板厚的增加而增大,厚板4.0+4.0点焊接头的最大拉伸载荷是2.0+2.0的两倍以上,表明厚板的可焊性不低于薄板;由于1.5 mm的301L薄板发生了明显的拉伸变形导致4.0+1.5点焊接头的断裂位移最大。三组电阻点焊接头的断裂模式均为拔出断裂,2.0+2.0和4.0+1.5点焊接头的断裂位置在不锈钢板的熔核边缘,而4.0+4.0点焊接头的断裂位置在耐候钢板的熔核与热影响区的交界处。05CuPCrNi/301L电阻点焊接头的条件疲劳极限随板厚的增加而增大,2.0+2.0、4.0+1.5和4.0+4.0点焊接头的中值条件疲劳极限分别为2.60 k N、2.97 k N和5.85k N。2.0+2.0和4.0+4.0点焊接头的低周疲劳断裂模式为双板眉状断裂,而高周疲劳断裂模式分别为不锈钢板(2.0+2.0)和耐候钢板(4.0+4.0)的单板眉状断裂;4.0+1.5点焊接头的疲劳断裂模式均为不锈钢板单板眉状断裂。不锈钢板的疲劳断裂发生在熔核边缘,而耐候钢板的疲劳断裂发生在热影响区,在疲劳载荷作用下,这些区域存在严重的应力集中和较高的塑性应变,是疲劳裂纹萌生的主要原因。将中值条件疲劳极限载荷代入点焊接头有限元分析模型,计算疲劳断裂区域的高周疲劳抗力。2.0+2.0和4.0+1.5点焊接头发生高周疲劳断裂的最大Mises应力位于不锈钢熔核边缘,大小分别为323 MPa、308 MPa;而4.0+4.0点焊接头发生高周疲劳断裂的最大Mises应力为401MPa,位于耐候钢热影响区。上述最大Mises应力值可以作为05CuPCrNi/301L点焊结构设计中许用疲劳应力的参考依据。
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