赵春燕
(机械科学研究院 哈尔滨焊接研究所，黑龙江 哈尔滨 150028)
摘要：试验采用高频感应平面加热方式，利用自行设计的可编程逻辑控制器，控制高频电流的大小、感应加热的速度、上限加热温度、喷水冷却时间、热疲劳周期等多参数,对灰口铸铁及其表面WC-Co涂层试件实施热疲劳试验，设计了在热疲劳试件表面用划定单元区域的方法，对单元区域测量热疲劳裂纹数量和长度，累计计算总热疲劳裂纹数量和长度，作为试件抗热疲劳性能较为定量的判定方法。用此方法判定了灰口铸铁、灰口铸铁表面激光熔敷WC-Co涂层及涂层激光熔敷参数的不同条件下试件的抗热疲劳性能。
关键词：高频感应加热；可编程逻辑控制器；热疲劳
冷热疲劳是指材料在交变温度下，由于热应力使材料损伤以致开裂的现象[1-2]。为了研究金属材料的热疲劳性能，国内外对热疲劳试验方法作了不少研究，在国内已制定了热作模具钢热疲劳试验的GB/T 15824—2008国家标准,但到目前为止还没有国际上公认的标准试验方法。因此各家的热疲劳试验设备、试样形状(圆柱，圆片等)、尺寸、加热方式(流态床、炉中、火焰、高频等)、加热温度、速度(分钟级别、秒级别)、保温时间、冷却介质(水、气体等)、冷却方式(喷、吹、浸入等)、冷却速度、环境介质(空气、腐蚀介质、真空等)、载荷(有、无)、热疲劳损伤的定性(与裂纹图谱对照)和定量(裂纹数量及长度)判定等诸方面因素也各不相同。试验采用了加热速度接近承受热疲劳工件工况条件的高频感应平面加热方式，利用自行设计的可编程逻辑控制器，控制感应加热的速度，上限加热温度，喷水冷却时间，热疲劳周期，疲劳次数计数等多参数，对灰口铸铁及其表面WC-Co涂层试件实施热疲劳试验，同时设计了划定单元区域，对单元区域测量热疲劳裂纹长度和数量，累计计算总热疲劳裂纹数量和长度，为试件抗热疲劳性能较为定量的判定方法。
1.1 设备
由高频发生器，程序控制器水冷系统组成热疲劳试验装置，如图1所示。
图1 高频发生器，控制器
高频发生器：型号 XG-21B， 频率 20～60 kHz，功率 25 kW;程序控制器：自行设计;感应圈：纯铜管绕制，外径φ60 mm，内径φ6.5 mm，匝间距离4 mm;测温仪：BM880C红外线测温仪;水冷系统：750 W水泵，水箱4 m3;塞尺，卡尺，探伤液，30～60倍放大镜，如图2所示。
图2 感应圈，喷水嘴，试件
1.2 试件
0号试件：为球墨合金铸铁，表面状态如图3所示，化学成分见表1。
图3 0 号试件表面状态
表1 球墨合金铸铁合金成分(质量分数，%)
CSiMnPSNiCrMoMg3.3～3.51.8～2.00.4～0.6≤0.05≤0.011.8～2.1≤0.30.4～0.6≥0.04
1号试件：球墨合金铸铁的表面，用WC-Co合金粉末作为涂层材料，表面激光合金化处理，激光熔敷参数为1，合金化层深度1.1 mm左右。表面状态如图4所示。
2号试件：球墨合金铸铁的表面，用WC-Co合金粉末作为涂层材料，表面激光合金化处理，激光熔敷参数为2，合金化层深度1.1 mm左右。表面状态如图5所示。
试件尺寸见表2。
图4 1号试样表面状态
图5 2号试样表面状态
表2 试件尺寸
件号材质尺寸/mm表面状态0球墨铸铁80×80×60刨床加工1球墨铸铁表面激光合金化80×80×60激光熔敷2球墨铸铁表面激光合金化80×80×60激光熔敷
2.1 试验程序
试件在感应圈下面，同轴、平行放置。按动启动按钮，感应圈通过高频电流，产生高频磁场，在试件表面产生感应涡流，试件表面被定时加热，约达到600°，感应电流停止，水泵启动，喷嘴喷水冷却试件表面，定时停止喷水，完成一个热疲劳周期。继续感应加热，完成200次热疲劳次数。
感应加热深度δ可由经验公式(1),(2)估算：
20 ℃时
(1)
800 ℃时
(2)
式中，f为频率。
该试验试件加热深度约为2 mm左右。
2.2 试验参数
设定热疲劳试验参数见表3，采用表3的规范参数，分别对三个试件进行热疲劳试验。
表3 热疲劳试验参数
频率f/kHz电流I/A加热时间t/s上限温度T/℃喷嘴内径d/mm喷水时间t喷/s水温T水/℃感应距离l/mm循环周期n/s热疲劳次数/次60600～650156003315～453.418200
3.1 清理表面
首先，用棉球蘸50%HCl水溶液清洗掉试件表面水垢，再用酒精溶液试件表面冲净干净，热风吹干。
3.2 显现表面裂纹
用着色探伤液显示出试件表面裂纹。
3.3 绘制方格
在显示出裂纹的三个试件表面，划出大小(5 mm×5 mm)、数量相等的方格，如图6～8所示。
图6 画方格的0号试件热疲劳表面
图7 画方格的1号试样热疲劳表面
图8 画方格的2号试样热疲劳表面
3.5 测量裂纹
记录每一试件各方格中裂纹的数量，测量裂纹的长度，将每一试件表面所有方格中裂纹数量和长度分别累计相加，得出该试件裂纹累计条数和裂纹累计长度。将每一试件的裂纹累计条数和裂纹累计长度，分类按数值大小分别排序。条数、长度序号数值小的，即序号在前，说明该试件抗热疲劳性能佳，反之为差。试验结果见表4。
根据表4显示的裂纹累计条数序号和裂纹累计长度序号，0号试件的两个序号均为1，1号试样的两个序号均为2，2号试样的两个序号均为3，说明：0号试样的抗热疲劳性优于1号，2号，抗热疲劳性最佳；1号试件的抗热疲劳性低于0号试件，优于2号试件，抗热疲劳性属中等；2号抗热疲劳性低于0号试件、1号试件，抗热疲劳性最差。
表4 热疲劳试验后各试件表面裂纹累计条数及裂纹累计长度
试件号裂纹累计条数/条裂纹累计长度/mm裂纹累计条数序号裂纹累计长度序号热疲劳性能027541811最佳1423573.322中等26311405.433最差
(1)利用高频感应加热设备加热、喷水冷却对试件进行热疲劳试验，采用自行设计的程序控制器控制各参数，能够较真实地模拟工件的工况条件。
(2)利用划分方格的方式，记录每一试件各方格中裂纹的数量，在方格中，用卡尺测量每条裂纹始末端的距离近似的作为该裂纹的长度，将每一试件表面所有方格中裂纹条数和长度分别累计相加，得出该试件裂纹总条数和裂纹总长度，以此较定量判定热疲劳性能是可行的。
(3)对球墨合金铸铁及其表面用WC-Co合金粉末作为涂层材料，激光表面合金化处理的涂层进行热疲劳试验数据可靠，对比了母材，母材加涂层及涂层激光熔敷参数的不同，它们热疲劳性能不同。
参考文献：
[1] 夏鹏成,陈蕴博,葛学元,王淼辉. 热作模具钢热疲劳性能的研究现状与发展趋势[J]. 金属热处理,2008(12):1-6.
[2] 刘振华，陈章兰，高博.焊接残余应力对船体结构疲劳强度的影响分析[J]. 焊接,2015(9):25-29.
赵春燕简介： 1963年出生，大学本科，高级工程师。现从事焊接材料的研制工作。
A thermal fatigue test method
Zhao Chunyan
(Mechanical Institute of Science and Technology， Harbin Welding Institute, Harbin 150028, China)
Abstract：In this experiment, high-frequency induction plane heating method was used to test thermal fatigue of the WC-Co coating on the surface of the grey cast iron with self-designed programmable logic controller by controlling the parameters of high-frequency current, induction heating speed, upper limit of heating temperature, water cooling time, thermal fatigue cycle. The method of delimiting unit area on the surface of specimen was designed. By measuring the number and length of thermal fatigue crack on the unit area, accumulative number and length was as a more quantitative method to judge the fatigue resistance. This method can be used to judge the fatigue resistance of grey cast iron and laser cladding layer WC-Co on the surface of the grey cast iron under different laser cladding parameters.
Key words：high-frequency induction heating; programmable logic controller; thermal fatigue
中图分类号：TG405
收稿日期：2016-02-10
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