Q355NE+SUS304異種金屬焊接接頭組織與腐蝕疲勞性能研究

邵曉峰 王春文 劉雄

摘要：以Q355NE+SUS304異種金屬焊接接頭為研究對象，對其顯微組織、3.5%NaCl+0.5%Na2SO4（質量分數），PH=5溶液腐蝕疲勞和腐蝕疲勞斷裂特征進行了研究，分析了異種金屬焊接接頭腐蝕疲勞性能和斷裂過程。結果表明：試驗級腐蝕疲勞極限在170MPa左右，腐蝕疲勞裂紋起源于Q355NE側的熱影響區，逐漸擴展最終斷裂于接頭焊縫區，異種金屬焊接接頭構件級腐蝕疲勞通過4噸極限加載條件下的200萬次試驗，未發生破壞。

Abstract： Taking Q355NE+SUS304 dissimilar steel welded joint as the research object.the microstructure， 3.5 wt%NaCl+0.5 wt%Na2SO4 PH=5 solution corrosion fatigue life and corrosion fracture characteristics were studied， and the corrosion fatigue performance and fracture process of Q355NE+SUS304 dissimilar steel welded joint were analyzed. The results showed that：the sample-level corrosion fatigue limit is around 170MPa， the corrosion fatigue crack originated in the thermal affected zone of Q355NE， gradually expanded and finally broke in the welded core zone of the joint. and component-level of dissimilar steel welded joint corrosion fatigue passed the test of two million times under ultimate load of 4 tons，without damage.

關鍵詞：Q355NE;SUS304不銹鋼;焊接接頭;腐蝕疲勞

Key words： Q355NE;SUS304 stainless steel;welded joint;corrosion fatigue

中圖分類號：TG457.1? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0143-03

0? 引言

焊接接頭性能直接關系到結構件的穩定性，異種金屬間材料膨脹系數、熱導率等物理化學性能差異較大，焊接過程中焊縫容易形成脆性金屬間化合物，此外接頭界面的合金元素遷移使接頭力學性能及耐蝕性能下降[1-3]，直接影響到焊接結構的安全可靠性。本文對Q355NE+SUS304異種金屬焊接接頭性能開展研究，為該接頭的抗疲勞設計及產品應用提供數據支撐。

1? 實驗方法

1.1 試驗材料

試驗采用Q355NE低碳合金鋼和SUS304奧氏體不銹鋼焊接而成的試板，其中Q355NE和SUS304鋼的供貨狀態分別采用熱軋+固溶處理、沿鋼材長度方向的冷軋。考慮異種金屬化學成分及力學性能的差異，并參照Scheaffler焊縫金屬組織圖確定填充材料選用ESAB（伊薩）ER309焊絲，金屬基材及焊絲化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法

試驗制樣由Fronius焊接系完成，采用MAG焊，保護氣體為98%Ar+2%O2，焊接工藝參數如表2所示。

試驗采用美國MTS低周疲勞試驗機（電液伺服疲勞試驗機），參照GB/T 20120.1-2006《金屬和合金的腐蝕腐蝕疲勞試驗第1部分：循環失效試驗》標準進行，利用掃描電子顯微鏡（SEM）（JSM-7001F，Japan）和光學顯微鏡（OM）（OLYMPUS BX60M，Japan）分析組織和斷口損傷形貌情況。

2? 試驗結果與討論

2.1 顯微組織分析

圖1為焊接接頭各區域的微觀組織，SUS304一側的熱影響區組織，其組織主要以沿熔合線法向生成的奧氏體枝晶為主。Q345B一側的熱影響區組織主要為白色網狀二次滲碳體和片層狀珠光體。SUS304基材區域，其組織為等軸奧氏體晶粒和少量的鐵素體晶粒。Q345B基材區域，以鐵素體及塊狀分布的片狀珠光體為主。焊接接頭焊縫區域，顯示為沿熔合線法向生長的奧氏體枝晶組織。

2.2 異種金屬焊接試樣級腐蝕疲勞

在試驗初期，選取最大應力為200MPa開始試驗，樣品在腐蝕疲勞進行到550004周時斷裂失效;降低最大加載應力到190MPa，在進行到252187周時發生斷裂失效，采用降低加載180MPa（斷裂→170MPa（未斷裂）→180MPa（斷裂）→170MPa（未斷裂）→180MPa（斷裂）→170MPa（斷裂）→160MPa（未斷裂）→170MPa（未斷裂）→180MPa（斷裂）→170MPa（未斷裂）→180MPa（斷裂）→170MPa（未斷裂）→180MPa（斷裂）。試樣級腐蝕疲勞試驗數據如表3所示，腐蝕疲勞極限趨勢圖如圖2所示。結果表明腐蝕疲勞壽命隨最大應力變化的波動較小，基本上160～180MPa的范圍內波動，腐蝕疲勞極限在170MPa左右，規律明顯。

2.3 斷口形貌分析

將腐蝕疲勞斷裂的樣品制備成斷口截面金相試樣，如圖3所示。將斷口位置局部高倍觀察，從圖3（b）中的組織中可以看出，腐蝕疲勞斷裂在焊縫與Q355NE基材之間的熱影響區域，而且從圖3（c）可以發現腐蝕疲勞裂紋向焊縫區域進一步擴展。

圖4為焊接接頭腐蝕疲勞斷裂的樣品斷口形貌圖，該樣品加載載荷為200MPa，循環周期為550005。從圖4（a）可以清晰看到腐蝕疲勞裂紋起始于表面腐蝕坑，在疲勞加載的作用下腐蝕疲勞裂紋逐漸向樣品中間發展，腐蝕疲勞裂紋擴展條帶清晰可見，如圖4（b）所示;圖4（c）為腐蝕疲勞斷裂樣品的靠近外表面處的形貌，從形貌圖可以清晰看到樣品表面處分布著島狀的腐蝕產物。

2.4 異種金屬焊接構件級腐蝕疲勞

異種金屬焊接結構構件在3.5%NaCl+0.5%Na2SO4，PH=5腐蝕液環境（表4）下的疲勞性能測試結果，Nf為試樣的疲勞壽命。實驗采用正弦波進行加載，R=0.1、f=5Hz，加載4噸。異種金屬焊接結構構件級腐蝕疲勞性能采用通過性試驗方式進行測試，以能否夠通過2×106次的腐蝕疲勞循環次數為評判標準，如圖5（a）所示。采用特制的不銹鋼恒溫腐蝕環境試驗箱，槽內加入符合要求的腐蝕介質，通過循環泵和加熱裝置的運行實現高精度的恒溫腐蝕疲勞試驗。異種金屬焊接構件腐蝕疲勞進行到200萬次未發生斷裂失效破壞，表面腐蝕形貌如圖5（b）所示。Q355NE材料發生了全面腐蝕，表面產生大量紅銹，SUS304材料表面僅發生微弱點蝕。

3? 結論

①異種金屬焊接接頭SUS304一側熱影響區以奧氏體枝晶為主，Q355NE一側主要為白色網狀二次滲碳體和片層狀珠光體。SUS304基材為等軸奧氏體晶粒和少量的鐵素體晶粒。Q355NE基材以鐵素體及塊狀分布的片狀珠光體為主。焊接接頭焊縫區域為奧氏體枝晶組織。

②腐蝕疲勞壽命隨最大應力變化的波動較小，基本上在160～180MPa的范圍內波動，腐蝕疲勞極限應在170MPa左右，規律明顯。

③腐蝕疲勞斷裂易發生靠近焊縫的Q355NE熱影響區域，腐蝕疲勞裂紋擴展源于表面腐蝕缺陷，斷口的腐蝕疲勞裂紋擴展區域、條帶特征明顯，屬于典型的腐蝕疲勞斷裂。

④異種金屬焊接結構進行了200萬次的腐蝕疲勞通過試驗，未發生破壞，Q355NE材料區域發生了全面腐蝕，而SUS304表面僅發生微弱點蝕。

參考文獻：

[1]Ma Qingna College of Field Engineering， Army Engineering University of PLA， Nanjing 210007， China . Corrosion Fatigue Fracture Characteristics of FSW 7075 Aluminum Alloy Joints.[J]. Materials （Basel， Switzerland），2020，13（18）.

[2]Shengmei Xiang，Peter Hedstrm， Baohua Zhu， Jan Linder， Joakim Odqvist. Influence of graphite morphology on the corrosion-fatigue properties of the ferritic Si-Mo-Al cast iron SiMo1000[J]. International Journal of Fatigue，2020，140.

[3]Johannes L. Otto， Milena Penyaz， Anke Schmiedt-Kalenborn， Marina Knyazeva， Alexander Ivannikov， Boris Kalin， Frank Walther. Effect of phase formation due to holding time of vacuum brazed AISI 304L/NiCrSiB joints on corrosion fatigue properties[J]. Journal of Materials Research and Technology，2020，9（5）.