趙小輝，王東坡，鄧彩艷，王 穎，徐 艷

(天津大學材料科學與工程學院天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津 300072)

焊接接頭工作在海水環(huán)境中極容易被腐蝕，同時在波浪低頻率的沖擊作用下極容易致使其疲勞強度大幅度降低[1-4]．據(jù)檢測分析，處在海水中的焊接接頭因環(huán)境的腐蝕存在一定程度的減薄，這不僅嚴重影響焊接結構的正常運行，同時可能造成巨大的經濟損失和人身傷亡事故．因此，提高焊接接頭在惡劣環(huán)境下的低周疲勞強度已成為焊接結構安全運行中一個亟待解決的難題．在已有的改善焊接接頭疲勞強度的方法中，氬弧熔修、錘擊等因勞動強度大、有副作用、效果不穩(wěn)定而應用較少；相變應力法因焊縫金屬韌性問題，應用的報道更為罕見；超聲沖擊法雖由于在高周/恒幅載荷下的有益效果及其無可比擬的操作性而最為引人注目，卻還無法解決低周載荷下的焊接結構疲勞延壽問題[5-7]．

為了解決高載荷下焊接接頭的疲勞延壽這一世界性難題[8-10]，筆者采用牌號為 Ni60A 鎳基自熔性合金粉末噴熔于 Q235B 鋼十字焊接接頭上，既解決了焊接接頭的修形問題，也保護了焊接接頭受到惡劣環(huán)境的腐蝕，同時由于基體和涂層的冶金結合保證了接頭能承受較大載荷．為此，筆者對焊接接頭和涂層的冶金結合、焊接接頭的低周疲勞等方面進行了細致研究，得到了較為可靠的研究結果．

1 試驗方法和條件

1.1 試驗材料及接頭形式

焊接接頭母材為工程結構中常用的低碳鋼Q235B板材，具有良好的機械性能和良好的焊接性，其力學性能如表 1所示．采用非承載角焊縫橫向十字接頭進行疲勞試驗，具體幾何形狀和尺寸如圖1所示．使用 CO2氣體保護焊工藝進行焊接，焊絲牌號為H08Mn2Si，焊接參數(shù)如表2所示．噴熔涂層為Ni60A鎳基自熔性合金粉末，其具有優(yōu)良的綜合性能，耐腐蝕、抗氧化、耐熱、耐低應力磨擦磨損，韌性和耐沖擊性較好．它具有優(yōu)異的熱噴涂、噴焊工藝性能，可用于海洋采油平臺、工業(yè)鍋爐等要求比較苛刻的使用條件中．掃描電鏡下該粉末的形狀和成分如圖 2所示．由圖 2可以看出，鎳基合金粉末顆粒均勻且圓滑，具有較好的流動性，易于控制涂層的形狀．能譜圖表明，合金粉末顆粒的成分主要包含 Ni、Si、Cr等元素．

表1 Q235B鋼的力學性能Tab.1 Mechanical properties of Q235B steel

表2 焊接參數(shù)Tab.2 Welding parameters

圖1 十字接頭試樣幾何形狀與尺寸(單位：mm)Fig.1 Geometric shape and size of cross-joint specimen(unite：mm)

圖2 Ni60A粉末的形狀及成分Fig.2 Shape and composition of Ni60A powder

1.2 噴熔修形加工原理及噴熔試件制備

噴熔是對熱噴涂技術應用的擴展．噴熔包括噴涂和重熔2個過程，這2個過程可以先后進行也可以同時進行．在噴涂過程中，粉末通過熱源的加熱，一般以半熔化狀態(tài)沉積到工件表面上．重熔是粉末或噴涂層在工件上的熔融過程．涂層重熔消除了噴涂層中的氣孔和氧化物夾渣，并與金屬基體產生焊合的冶金結合面，從而大幅度提高了致密性和結合強度，使涂層具有更優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損和抗沖擊性能．

噴熔修形法[10]是利用噴熔的優(yōu)點，在焊縫表面覆蓋一層冶金結合的高曲率外形且表面光滑的噴熔金屬．這樣可大大降低接頭焊趾區(qū)應力集中程度，而且其效果不存在因載荷條件的變化而有嚴重改變的問題，從而使焊接接頭的疲勞強度得到較大幅度的提高．

噴熔前對基體表面進行打磨，要求有一定的粗糙度，以提高噴熔金屬與基材的結合能力，通過噴砂清除表面的氧化層以提高噴熔的工藝性能．表面處理后進行噴熔試驗，噴熔過程中始終保持噴槍火焰不離開試樣，噴熔粉末以液態(tài)的形式噴射到焊接試件上，這樣保證了涂層和基體能夠達到完美的冶金結合．

Q235B鋼是低碳鋼，通常的空氣冷卻方式不會產生馬氏體相轉變．因此，噴焊后不需要進行專門的后熱處理，只在空氣中緩冷即可．

2 涂層與基體的冶金結合

用線切割的方法切取包括噴熔層在內的十字焊接接頭試樣，用砂輪打磨表面較深的刻痕后，按照相關標準進行細磨、拋光和腐蝕，其宏觀照片和各位置的金相照片如圖 3所示．采用 4%硝酸酒精腐蝕焊縫、王水腐蝕鎳基涂層．由于二者腐蝕液不同，因此不能同時獲得焊縫、過渡區(qū)、涂層的金相照片．圖 3分別給出了3個位置的金相圖片．從焊縫的金相照片可知：經過氧-乙炔火焰噴熔后，靠近結合帶的粗大柱狀晶消失，獲得細小的鐵素體和少量珠光體．分析原因發(fā)現(xiàn)，一般使鋼中柱狀晶消失的臨界溫度約在 A3點以上20～30,℃，對于低碳鋼Q235B，900,℃以上短時間加熱，即可使柱狀組織消失．實質上，噴熔的過程對焊縫表層來說相當于一個正火的過程．通過這個過程消除了粗大晶粒，獲得了均勻的組織，同時也消除了部分內應力．過渡區(qū)出現(xiàn)了明顯的白色亮帶，這一白色亮帶具有明顯的生長方向，晶粒由焊縫向涂層方向生長，實現(xiàn)了較好的冶金結合．能譜分析顯示：涂層中的白色塊狀物是含Cr化合物，同時Cr的存在能夠使涂層的組織更加均勻．

圖3 焊縫、過渡區(qū)、涂層的形狀及金相照片F(xiàn)ig.3 Shape and metallographic photos of weld，transition zone and coating

圖4 為涂層與焊縫的結合狀況及結合帶兩側主要元素的分布．由圖4(a)可知，涂層與焊縫結合良好，沒有未融合和大孔洞出現(xiàn)，僅存在少量的氣孔．圖4(b)從主要元素的角度顯示了涂層與焊縫的結合情況，發(fā)現(xiàn)界面處的 Ni含量較高，即使與界面較遠的地方也仍然存在Ni元素的分布，說明了Ni元素穿過了涂層與基體焊縫的界面實現(xiàn)了較好的擴散．冶金結合的實現(xiàn)使得焊縫金屬 Ni含量發(fā)生了變化，但是這種變化僅存在于焊縫表層 50,μm 的范圍以內．同時，從結合面到焊縫內部 Ni的含量均勻降低，不存在 Ni的集中分布．這將不會對整體的焊接接頭性能產生大的影響．

圖4 涂層與焊縫的結合狀況及結合帶兩側Ni元素含量分布Fig.4 Adhesive state between weld and coating and distri-bution of Ni on both sides of interface

3 低周疲勞實驗

3.1 涂層抗開裂值的測定

涂層的抗開裂能力在一定程度上反映了涂層的韌性和強度，為此，采用拉伸試驗測定涂層的抗開裂應力值的大?。畤娙坌扌坞m然使得焊接接頭圓滑過渡程度增加，但十字接頭試樣仍然存在著結構性的應力集中．對應于涂層開裂的拉力值并不是涂層的真實開裂值，還要通過乘以應力集中系數(shù)來修正．應力集中系數(shù) Kt由最大應力或峰值應力 σm與基準應力(根據(jù)具體情況適當選定)σ0之比表示，即

圖5 應力集中系數(shù)的有限元模擬Fig.5 Finite element simulation of stress concentration factor

針對十字焊接接頭試樣進行有限元模擬計算，如圖 5所示，當基準應力為 1,MPa時，峰值應力為 1.394,MPa．因此，十字焊接接頭噴熔修形后應力集中系數(shù)最大值為 1.394,MPa．靜載拉伸過程中，當應力值為 251,MPa時涂層出現(xiàn)了裂縫，由于接頭處存在應力集中，所以通過應力集中系數(shù)修正后可獲得涂層的抗開裂應力值為350,MPa．

3.2 低周疲勞試驗及結果分析

試驗是在MTS-810型電液伺服動靜萬能疲勞試驗機上進行的，通過力的控制來實現(xiàn)應變的控制．使用長春試驗機廠提供的MTS公司FlexTest控制軟件系統(tǒng)記載循環(huán)周次以及拉壓峰值載荷．試驗在室溫18～25,℃下于空氣介質中進行．考慮到保證試樣溫升不超過規(guī)定限度和縮短試驗周期的要求，應變速率設定為 5,Hz．為保證應變速率在整個循環(huán)拉伸和壓縮過程中不變，以及遲滯回線具有明顯的尖角，采用三角波，應力比為0.1．

在涂層抗開裂力值的指導下，十字焊接接頭低周疲勞試驗的平均應力設置為 186,MPa，這個力值的大小既保證了疲勞試驗過程中最大應力超過了焊縫及母材的屈服強度，又保證了最大應力不會使涂層開裂．試驗結果見表3．

由表 3可知：在同一應力水平下，噴熔修形后的低周疲勞壽命基本在1.3×104次以上，而原始焊態(tài)試件的低周疲勞壽命僅 5×103次左右．噴熔修形后疲勞壽命是焊態(tài)試樣的2倍以上．同時發(fā)現(xiàn)噴熔修形試件的疲勞斷裂位置均在母材，焊接接頭已經不再是薄弱環(huán)節(jié)．

表3 低周疲勞試驗結果Tab.3 Test results of low-cycle fatigue

4 結 語

焊縫的幾何形狀直接決定著焊接接頭的疲勞壽命，噴熔修形新方法在改變焊縫形狀上實現(xiàn)了新的突破，使得焊接接頭的應力集中系數(shù)顯著降低，并且獲得了涂層與接頭的冶金結合層，使得焊縫金屬的晶粒均勻細化，提高了焊縫自身的強度．冶金結合的形成不僅提高了焊接接頭的高周疲勞強度，低周疲勞強度也顯著增強．低周疲勞強度的提高對于焊接結構的廣泛應用和推廣具有重要的意義．另外，噴熔修形涂層在提高焊接接頭疲勞強度的基礎上能夠防止焊接接頭與惡劣環(huán)境接觸，降低了腐蝕速度，極大地保護了焊接接頭的原始性能．有鑒于此，研究噴熔修形具有非常重要的意義．

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