LT1350涂層線涂布鋼輥疲勞斷裂失效機(jī)理分析

李會(huì)榮,李智

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

疲勞斷裂是造成機(jī)械裝備零部件失效的重要原因之一。所謂疲勞，是指材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下發(fā)生的性能變化，如果疲勞導(dǎo)致了材料開裂就稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂時(shí)，零件所受最高應(yīng)力一般遠(yuǎn)低于靜載荷下材料的強(qiáng)度極限，甚至低于其彈性極限。其原因在于，材料受變動(dòng)載荷作用時(shí)，對(duì)載荷的抗力不僅取決于材料本身，還對(duì)零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、服役環(huán)境等因素非常敏感[1-2]。鋁箔涂布線是用于生產(chǎn)親水鋁箔的大型裝備，可通過(guò)涂布鋼輥與取料輥之間的組合，采取不同的轉(zhuǎn)移方式使涂料得到流平和排列，并最終均勻地轉(zhuǎn)移到運(yùn)動(dòng)中的鋁箔上，從而在鋁箔表面形成一層固體保護(hù)膜。涂布鋼輥是涂布線裝備的重要部件，由輥軸與輥套零件采用熔化焊接工藝連接而成。熔焊工藝使鋼輥接頭區(qū)域材料存在較嚴(yán)重的不均勻性，而工作過(guò)程中鋼輥將承受交變載荷的作用，存在發(fā)生疲勞失效的可能。

LT1350涂層線是某公司研發(fā)的大型親水鋁箔涂布裝備，其涂布鋼輥多次在工作中發(fā)生過(guò)早疲勞斷裂事件，影響了正常生產(chǎn)并帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，涂布線逐漸向著一體化、大型化發(fā)展。由于涂布線越來(lái)越長(zhǎng)，鋼輥在工作中承受的載荷也相應(yīng)提高，以往極少出現(xiàn)的輥軸斷裂失效問題，近年來(lái)日益增多。但這一現(xiàn)象尚未引起研究人員的足夠重視，鮮有相應(yīng)的研究成果報(bào)道。因此本文從涂布線鋼輥應(yīng)力分析、輥軸斷口觀察等方面來(lái)對(duì)這一問題進(jìn)行討論，考慮影響輥軸疲勞斷裂的各種因素，探究其疲勞失效的機(jī)理。

1 輥軸應(yīng)力狀態(tài)分析

輥軸在工作過(guò)程中承受循環(huán)的交變應(yīng)力作用，即應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，使材料發(fā)生損傷并導(dǎo)致最終斷裂。雖然涂布線在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受負(fù)載、電源等多種隨機(jī)因素影響，實(shí)際的應(yīng)力波形并非理想的循環(huán)變化，但當(dāng)輥軸保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其最大負(fù)載是定值。因此計(jì)算輥軸在靜平衡條件下的彎扭組合應(yīng)力，并考慮軸徑變化處的應(yīng)力集中，確定輥軸R20圓弧處的最大應(yīng)力σmax。詳情參見圖1～2。

圖1 涂布鋼輥Fig.1 Coated steel roller

圖2 涂布鋼輥實(shí)物Fig.2 Physical picture of a coated steel roller

Φ110外圓所受最大彎矩為2700 N·m，則最大彎曲應(yīng)力為

(1)

式中，M為抗彎截面系數(shù)，W為彎矩?？紤]到輥軸彎扭組合的受力情況，則該處應(yīng)力為

(2)

式中，σ為正應(yīng)力，τ為剪切應(yīng)力。輥軸R20圓弧處存在應(yīng)力集中，考慮軸徑、圓弧半徑等因素，確定應(yīng)力集中系數(shù)為Kσ≤2.23，Kτ≤2.12，則R20處應(yīng)力最大為

(3)

根據(jù)受力分析，由于R20處存在應(yīng)力集中作用，使得軸根部最大應(yīng)力值較輥軸Φ110外圓表面提高了122.57%，但仍遠(yuǎn)低于材料抗拉強(qiáng)度?？梢娸佪S的斷裂，不僅是材料承受循環(huán)應(yīng)力作用的結(jié)果，而是應(yīng)力集中、焊接引起的材料微觀組織、性能變化、焊接的缺陷、焊后殘余應(yīng)力、零件表面狀態(tài)、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)負(fù)荷等因素的共同作用導(dǎo)致的。

2 鋼輥疲勞斷裂失效分析

2.1 輥軸斷口分析

圖3所示為輥軸斷口的宏觀形貌。由圖3可見，在軸上部焊縫區(qū)相鄰區(qū)域有肉眼可見的較為平整的宏觀塑性變形區(qū)，其長(zhǎng)度約18 mm，寬度約4 mm，面積約70 mm2，這是脆斷發(fā)生前的疲勞破壞區(qū)。

圖3 涂布鋼輥斷口Fig.3 Macro-fractograph of a coated steel roll

圖4是輥軸宏觀塑性變形區(qū)域的放大圖。疲勞破壞就起源于圖4中箭頭所指區(qū)域，可知疲勞微裂紋就萌生于焊縫區(qū)缺陷處。斷口其余部分是最后斷裂區(qū)，呈現(xiàn)凹凸不平的粒狀表面，因而輥軸的斷裂類型屬于脆性斷裂；觀察斷口宏觀取向，屬于正斷斷口；根據(jù)鋼輥受力分析的結(jié)果，可知輥軸受交變循環(huán)應(yīng)力作用且所受的應(yīng)力值較小，考慮到鋼輥還受到焊后殘余應(yīng)力、工作過(guò)程中的振動(dòng)載荷等作用，其疲勞類型屬于復(fù)合載荷作用下的交變應(yīng)力疲勞；而在疲勞斷裂時(shí)，鋼輥平均經(jīng)歷了約1.2×106次的回轉(zhuǎn)，屬于高周疲勞。

根據(jù)斷口分析，可以判斷輥軸發(fā)生疲勞斷裂失效的原因：輥軸與軸套的焊接頭區(qū)域材料微觀組織發(fā)生變化，晶粒粗大，導(dǎo)致力學(xué)性能劣化；而焊縫區(qū)存在未完全熔合的缺陷，缺陷處成為焊接結(jié)構(gòu)不連續(xù)的部位，使得焊縫區(qū)的強(qiáng)度下降，并引起嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中；缺陷處在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下很容易萌生微裂紋而形成微小的裂紋[3]；隨著循環(huán)應(yīng)力作用次數(shù)的增加，小裂紋在交變載荷作用下來(lái)回滑動(dòng)，導(dǎo)致材料滑移帶的出現(xiàn)，而疲勞微裂紋將沿著滑移帶擴(kuò)展并使得軸的有效截面積減少[4]；一般疲勞斷口可觀察到疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)，疲勞源區(qū)面積最小，而擴(kuò)展區(qū)應(yīng)占據(jù)最大比例面積，但從輥軸斷口基本呈粗糙不平整的表面可以看出，其明顯屬于終斷區(qū)的形貌特征[5]，可見輥軸裂紋在斷裂前并未充分?jǐn)U展，符合實(shí)際中輥軸過(guò)早失效瞬斷的情況?？煽吹较鄬?duì)斷口盡管裂紋擴(kuò)展并不充分且有效截面積的減少并不顯著，但由于焊接頭區(qū)域材料內(nèi)部的不均勻性對(duì)其抗疲勞損傷性能的影響遠(yuǎn)大于受靜載作用時(shí)的影響，而軸徑宏觀尺寸的變化也會(huì)在過(guò)渡圓角位置引起應(yīng)力集中并與焊接殘余應(yīng)力、焊接缺陷局部應(yīng)力集中效應(yīng)聯(lián)合作用，使輥軸的疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步下降，致使輥軸過(guò)早地發(fā)生了疲勞斷裂。

圖4 輥軸斷口裂源分析Fig.4 Analysis of the crack source of roller shaft

2.2 鋼輥疲勞斷裂影響因素分析

輥軸的過(guò)早疲勞失效是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果，主要有交變循環(huán)應(yīng)力、焊接頭區(qū)域微觀組織變化、焊縫區(qū)缺陷、應(yīng)力集中、焊后殘余應(yīng)力、輥軸表面狀態(tài)等。這些因素促進(jìn)軸徑突變處或焊接缺陷處的裂紋形核并擴(kuò)展進(jìn)而發(fā)生斷裂。

2.2.1 交變循環(huán)應(yīng)力

工作狀態(tài)下輥軸受到交變循環(huán)應(yīng)力的作用。隨著循環(huán)應(yīng)力作用次數(shù)的增加，構(gòu)件薄弱處的晶粒會(huì)沿著最大切應(yīng)力方向發(fā)生位錯(cuò)滑移，產(chǎn)生滑移線，滑移線的數(shù)量不斷增多且漸漸變寬而形成滑移帶?；茙猿掷m(xù)受到循環(huán)應(yīng)力的作用，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)帶狀隆起的擠出區(qū)，以及進(jìn)入表面的裂紋狀擠入?yún)^(qū)，它們沿著永久滑移帶平行發(fā)展，形成了微小的疲勞微裂紋，使得結(jié)構(gòu)的服役壽命降低。

2.2.2 焊縫區(qū)的焊接缺陷

由于零件在焊接缺陷處的疲勞抗力顯著下降，而缺陷部位又易于萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展，焊接缺陷成為引發(fā)焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂失效的重要原因[6-7]。從圖3可以看到，輥軸與軸套的焊接質(zhì)量不佳，焊縫處存在多處焊接缺陷，包括缺口、未焊合等。缺陷造成焊接結(jié)構(gòu)的宏觀幾何不連續(xù)性及結(jié)構(gòu)表面的不完整，并帶來(lái)嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中，使得焊縫區(qū)域材料的承載能力下降，尤其在動(dòng)態(tài)載荷的作用下，焊縫區(qū)疲勞微裂紋萌生的幾率顯著增加，遠(yuǎn)高于母材區(qū)域[8]。因此焊接缺陷造成的宏觀幾何不連續(xù)性是促進(jìn)微裂紋形核并導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效的重要因素之一。

2.2.3 焊接頭區(qū)域的微觀組織變化

鋼輥部件由輥軸及軸套焊接而成，其焊接頭區(qū)域可分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)等幾個(gè)不同微區(qū)。焊縫區(qū)微觀組織特征與母材不同，其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒尺寸粗大，幾何形狀呈柱狀特征，伴隨著成分的偏析，組織不致密；C、S元素含量的增加，使焊接熱裂紋的敏感性提高[9]。熔合區(qū)是一個(gè)包含半熔化區(qū)、未混合區(qū)的混合區(qū)域，因此區(qū)域內(nèi)化學(xué)成分、微觀組織等方面存在著嚴(yán)重的不均勻性。所以焊接接頭是非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)，微觀組織的變化造成了區(qū)域局部材料力學(xué)性能的下降[10]，而焊縫區(qū)成為焊接頭中最薄弱的部位[11]，當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)受到循環(huán)載荷的作用，在應(yīng)力值最高的晶粒上產(chǎn)生嚴(yán)重的局部塑性應(yīng)變集中并引起疲勞微裂紋的萌生[12]。

2.2.4 焊后殘余應(yīng)力

輥軸與軸套的焊接過(guò)程中，局部材料被快速加熱熔化，隨后冷卻凝固，因此局部溫度發(fā)生劇烈的變化。由于焊接頭區(qū)域材料體積的變化，即膨脹、收縮都受到熱影響區(qū)之外母材的約束，引起接頭區(qū)域的塑性變形，均勻的塑性變形使得冷卻后的焊接頭區(qū)域形成了獨(dú)立于外部載荷的自平衡力系，即焊后殘余應(yīng)力[13]。而焊后殘余應(yīng)力的存在，會(huì)使平均應(yīng)力增大[14]，且大部分材料在焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，會(huì)增加疲勞裂紋的擴(kuò)展速率，從而降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，減小結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，這是引起焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的重要原因。

2.2.5 焊后表面質(zhì)量

應(yīng)力集中不僅出現(xiàn)在階梯軸軸徑突變處或焊接缺陷帶來(lái)的不連續(xù)處。焊后的表面質(zhì)量不佳，這樣的表面狀態(tài)會(huì)使表面微觀幾何形狀變化處產(chǎn)生的局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，因此疲勞裂紋將可能首先從這些形狀變化處萌生。

此外，實(shí)地觀察發(fā)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中有明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，分析其原因在于裝備安裝地基的平整度未達(dá)安裝要求所致。振動(dòng)必然導(dǎo)致輥軸受力狀態(tài)進(jìn)一步復(fù)雜，導(dǎo)致了疲勞斷裂的提前發(fā)生。

3 結(jié)論

輥軸在較小循環(huán)應(yīng)力作用下過(guò)早發(fā)生疲勞斷裂，其原因不僅在于軸徑變化引起軸根部的應(yīng)力集中，而是多個(gè)因素聯(lián)合作用的結(jié)果：熔化焊接工藝使鋼輥焊接頭區(qū)域微觀組織改變而引起力學(xué)性能的下降；焊接工藝不良，焊接頭區(qū)域存在嚴(yán)重焊接缺陷，降低了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與強(qiáng)度，并在焊接缺陷處引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中導(dǎo)致該處發(fā)生塑性變形等。這些因素導(dǎo)致焊縫區(qū)的缺陷成為疲勞微裂紋萌生的起源，而焊接殘余應(yīng)力的存在使平均應(yīng)力增大，使焊縫缺陷加快擴(kuò)展到相鄰的軸體內(nèi)部，使輥軸過(guò)早發(fā)生疲勞斷裂失效。