孫云波 孫超 牙乾伊(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

Q345R焊接接頭的低周疲勞特性

孫云波 孫超 牙乾伊(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

由單軸拉伸驗(yàn)證焊接接頭特性，并與應(yīng)變循環(huán)試驗(yàn)比較，研究循環(huán)拉伸對材料的加強(qiáng)作用。對CO2氣體保護(hù)焊的Q345R焊接材料在應(yīng)變控制下的低周疲勞性能研究。

Q345R鋼；焊接接頭；疲勞特性

Q345R材料性能優(yōu)良，常用于鍋爐、換熱器等壓力設(shè)備。CO2氣體保護(hù)焊效率高，成本低，焊接變形小，但由于會(huì)產(chǎn)生飛濺和氣孔等原因，目前未在壓力容器受壓元件上推廣應(yīng)用，本文主要試驗(yàn)工作：通過拉伸、循環(huán)受力試驗(yàn)，得到Q345R鋼CO2焊接接頭性能參數(shù)、低周疲勞特性。

本文主要試驗(yàn)工作：

1）進(jìn)行拉伸以及單軸循環(huán)試驗(yàn)，得到Q345R鋼CO2焊接接頭基本性能數(shù)據(jù)；

2）進(jìn)行應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)，得出CO2焊接接頭應(yīng)變—壽命曲線。

1 單軸拉伸

本文的實(shí)驗(yàn)都是在電子多軸實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成。焊接采用的是CO2氣體保護(hù)焊，焊接材料：H08Mn2Si，U型坡口，按照GB/T8110-95標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備。

圖1-1 試件樣本

對于單軸拉伸試驗(yàn)，焊件采用應(yīng)變率為2.5*10-2。前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈線性變化，變形是彈性可逆的；由于是應(yīng)變控制，這段變化很快，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到370MPa，數(shù)據(jù)顯示應(yīng)變與應(yīng)力呈非線性變化，出現(xiàn)塑性強(qiáng)化，且出現(xiàn)了不可逆的形變。設(shè)置應(yīng)變比率為3.8%，試驗(yàn)變形為塑性。重新試驗(yàn)時(shí)材料屈服極限增加，材料發(fā)生了明顯的應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象。

1.1 應(yīng)變-應(yīng)力循環(huán)

在機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)中，許多構(gòu)件常受到循環(huán)交變載荷的作用，在進(jìn)行循環(huán)疲勞受力后，在受力小于材料強(qiáng)度極限的情況下，常發(fā)生斷裂，裂紋周圍出現(xiàn)可視微小裂紋。對于塑性較好材料，發(fā)生斷裂時(shí)，通常都未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形。

本次試驗(yàn)通過循環(huán)載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證接頭對交變載荷情況下的性能。將單軸拉伸曲線與應(yīng)變-應(yīng)力循環(huán)曲線相比，對應(yīng)相同應(yīng)變時(shí)應(yīng)力較小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖1-2說明循環(huán)對于接頭具有增強(qiáng)強(qiáng)度的作用。

圖1-2 循環(huán)曲線與單軸拉伸擬合圖

2 疲勞試驗(yàn)

設(shè)置低周循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)，對材料疲勞壽命進(jìn)行完整性的評(píng)估，低周疲勞實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變率一般都在10-4～10-3之間，本次試驗(yàn)應(yīng)變率設(shè)置在5×10-3。

實(shí)驗(yàn)初始完成14-18圈區(qū)間，峰值數(shù)據(jù)開始下降，速率逐漸增大。而隨著繼續(xù)加載，數(shù)據(jù)越來越呈現(xiàn)穩(wěn)定，應(yīng)力峰值逐漸降低。出現(xiàn)可視裂紋時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5000次以上，此時(shí)峰值應(yīng)力突然降低，發(fā)現(xiàn)可視裂紋。

通過不同組別的應(yīng)變應(yīng)力疲勞實(shí)驗(yàn)，得到不同應(yīng)變幅的CO2焊接接頭的疲勞特性圖2-1：性能曲線。

圖2-1 疲勞循環(huán)峰值曲線圖

實(shí)驗(yàn)中材料斷裂大部分發(fā)生在焊接材料與母材結(jié)合區(qū)，是產(chǎn)生斷裂的高發(fā)區(qū)。

由本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，CO2焊接接頭性能的影響因素有以下兩個(gè)方面：

一是材料本身原因，由于345R的金相組織中本身缺陷，焊接中材料和受熱不均勻，導(dǎo)致材料性能降低；

二是外部分散性，實(shí)際中試驗(yàn)設(shè)備液壓控制系統(tǒng)導(dǎo)致受力變化不一致，環(huán)境溫度、操作方法等其他因素同樣影響設(shè)備運(yùn)行。

3 結(jié)果與討論

Q345R CO2焊接接頭的單軸拉伸試驗(yàn)、疲勞低周循環(huán)試驗(yàn)中，我們總結(jié)出以下二點(diǎn)結(jié)論：

1）受力拉伸循環(huán)對材料有加強(qiáng)作用。

2）疲勞循環(huán)情況下，焊接接頭疲勞壽命較低，母材和焊材溶合區(qū)金相組織不均勻，焊接受到熱輻射影響，退火不完全，為焊接接頭最薄弱的部位，是產(chǎn)生斷裂的高發(fā)區(qū)。

[1]裴紅.焊接力學(xué)非均勻體低周疲勞循環(huán)滯回能實(shí)驗(yàn)研究[J].金屬學(xué)報(bào)，1993，7：328－334.

作者介紹：孫云波（1985-），男，本科，工程師，海洋石油工程股份有限公司。