42CrMo/Q345異種鋼焊接接頭疲勞性能試驗研究

任 玲，范玉婷

(1.江蘇農牧科技職業學院 農業工程學院，江蘇 泰州 225300； 2.鞍鋼集團北京研究院有限公司，北京 102200)

異種鋼結構的部件因其性價比高、強度高、耐腐蝕性強等優點在航空航天、軌道交通等高端領域得到了廣泛的應用。異種鋼在化學成分、組織結構和物理性能等方面存在較大的差異，在實際的焊接中由于焊接方法、焊接工藝選擇不當，容易產生裂紋和熱影響區軟化等缺陷，造成焊接接頭斷裂，斷裂中大部分是由于承受重復性載荷引起的疲勞斷裂。據資料統計，由疲勞裂紋引起的焊接結構失效斷裂事故占總斷裂事故的80～90%以上，疲勞破壞是在交變動載荷的作用下產生的[1-3]，整個過程包括裂紋的產生、裂紋的擴展以及瞬間破壞。

本試驗采用對母材影響較小的爐中釬焊方法，研究表明采用純銅釬料焊接42CrMo和Q345單一材料時可獲得良好的力學性能焊接接頭[4-5]，目前沒有報道用純銅釬料進行42CrMo和Q345異種鋼釬焊的研究。銅基合金是釬焊鋼鐵首選的焊料，其對鋼具有良好的潤濕性，能提高焊縫的性能，但純銅釬料成本更低，而且純銅強度低，遠低于42CrMo鋼和Q345鋼。因此，本試驗采用無氧純銅TU1為釬料對42CrMo和Q345異種鋼進行焊接，在焊接溫度、保溫時間、接頭接觸面積等參數條件相同的情況，通過查閱資料，確定合理的釬縫間隙范圍[6-7]，分別選取1.10、0.75、0.50、0.35和0.15 mm 5個間隙值，42CrMo和Q345釬焊后對其焊接接頭進行疲勞試驗，分析焊縫的疲勞性能。

1 焊接試驗材料和工藝

1.1 試驗材料

試驗母材選取42CrMo和Q345鋼錠，鑄錠直徑φ300 mm、高80 mm，化學成分見表1，室溫物理性質見表2。

表1 42CrMo和Q345鋼的化學成分(質量分數,%)Table 1 The chemical composition of 42CrMo steel and Q345 steel(mass fraction,%)

表2 42CrMo鋼和Q345鋼的物理性質Table 2 Physical properties of 42CrMo steel and Q345 steel

1.2 焊接工藝

對42CrMo鋼和Q345鋼錠進行焊前清理，機械加工獲得1.10、0.75、0.5、0.35和0.15 mm五種接頭間隙，并預制出放置釬料的孔洞。然后進行裝配，同時將TU1釬料放入到預定的位置，由于待焊工件是兩個接觸面積較大的圓柱體，在裝配過程中要保持平衡，防止傾斜。裝配好的待焊工件，在保證其準確定位的前提下，將其緩緩放置于QSH-VHP-2400T真空釬焊爐中。

在釬焊爐內通入氬氣，以20 ℃/min速度進行加熱，加熱室分為幾個控制區，試件受熱均勻，整個焊接過程保持真空度不變，約為1.33×10-3Pa。爐內溫度達到1150 ℃時停止加熱，并保溫20 min，使釬料充分熔解，工藝方法如圖1所示。釬焊后的試件經過隨爐冷卻，將試件從載料臺卸下。

圖1 焊接工藝曲線Fig.1 Welding process curve

2 焊接接頭金相組織

采用FeCl3鹽酸溶液(5g FeCl3+10 mL HCl+90 mlC2H5OH)對焊接接頭進行腐蝕，利用OLYMPUS-DSX500光學顯微鏡，對不同釬焊層厚度的焊接接頭進行金相組織觀察，并測量接頭的實際間隙值。焊接接頭界面附近的金相組織如圖2所示。由圖2(a)可見，在焊縫厚度較大時，緊鄰界面母材部分的形貌與原始形貌明顯不同，42CrMo側有大量樹枝狀突起，Q345側較為平整，沒有大量突起。這表明在釬焊過程中，42CrMo與釬料發生了強烈的相互作用。由圖2(e)可見，42CrMo 側界面成規則的波浪狀，考慮是機械加工過程中造成的。

由圖2可知，無論釬縫厚度大小，在靠近界面的母材上都有明顯的過渡區，此區為擴散影響區(DAZ區)。相比于遠離焊縫的母材，Q345側過渡區顏色較淺，鐵素體所占比例增大，珠光體所占比例減小，并且在靠近Q345和42CrMo的釬縫界面處分別存在一些細小晶粒以及部分樹枝狀突起。這是因為在Cu與Q345/42CrMo的接觸面上，各原子在外力作用下產生塑性變形，表面原子開始向四周擴散，接觸界面由點結合變為面結合。經過一定時間的擴散，金屬內部的缺陷逐漸消失，此時液態Cu向Fe中擴散，擴散層中Cu含量增高，致使邊界處DAZ區與母材有所不同。

(a)焊縫1.10 mm×200 μm；(b)焊縫0.75 mm×200 μm；(c)焊縫0.50 mm×200 μm；(d)焊縫0.35 mm×200 μm；(e)焊縫0.15 mm×200 μm圖2 釬焊接頭金相組織(a)weld of 1.10 mm×200 μm；(b)weld of 0.75 mm×200 μm；(c)weld of 0.50 mm×200 μm；(d)weld of 0.35 mm×200 μm；(e)weld of 0.15 mm×200 μmFig.2 Microstructure of brazing welded joint

3 疲勞試驗

3.1 疲勞試驗原理

在QBG-100型高頻疲勞試驗機上對不同中間層厚度的釬焊接頭進行高頻疲勞實驗，以測定接頭的疲勞性能，疲勞試樣尺寸和形狀參照標準 GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》，試樣尺寸如圖3所示。采用拉-壓對稱循環交變應力載荷，應力循環系數為R=-1，加載頻率100～110Hz，試驗加載波形為正弦波如圖4所示。

圖3 疲勞試樣尺寸Fig.3 The size of fatigue specimen

圖4 試驗所加載荷的正弦波示意圖Fig.4 Schematic diagram of sine wave of the test lood

本試驗采用對稱循環交變應力，其中：

R=Smin/Smax=-1

(1)

Sm=(Smin+Smax)/2=0

(2)

Sa=(Smax-Smin)/2=Smin

(3)

式中：Smin為循環應力中數值最小的應力，MPa；Smax為循環應力中數值最大的應力，MPa；R為應力比；Sm為平均應力，MPa；Sa為應力半幅，MPa。

3.2 疲勞試驗結果

3.2.1 不同焊縫間隙釬焊接頭的疲勞試驗

在220 MPa應力幅值下，對不同釬焊層厚度的試樣進行第一階段試驗，試驗結果如表3所示。釬焊層厚度與循壞次數的對應關系如圖5所示。由圖5可見，隨著釬焊層厚度的增加，接頭的循壞次數在逐漸減小，疲勞強度逐漸減弱。分析其原因為：隨著釬焊厚度的增加，釬料與母材之間的毛細作用減弱；釬焊層厚度較大時，焊縫成分不均勻，在焊縫中心會形成成分偏析，造成焊縫夾雜等缺陷易形成疲勞源。

圖5 中間層厚度-循環次數曲線Fig.5 Interlayer thickness-cycle number curve

表3 不同釬焊中間層厚度的釬焊接頭高頻疲勞試驗結果Table 3 Results of the high frequency fatigue tests of brazing joints with different thickness of brazing interlayer

3.2.2不同應力幅值的釬焊接頭疲勞試驗

采用不同大小的應力幅值對釬焊中間層厚度為0.35 mm的試樣進行疲勞試驗，應力幅值分別為270、260、250、240和230 MPa，試驗結果如表4 所示。由表4可知，焊接接頭的疲勞試樣在應力幅值大于240 MPa時，才開始發生斷裂，斷裂位置均在中間 Cu 層。

表4 不同應力幅值下釬焊接頭高頻疲勞試驗結果Table 4 Results of the high frequency fatigue tests of the brazing joint under different stress amplitude

疲勞強度與循環次數之間的關系，疲勞S-N曲線[9]以指數形式表達為：

Sm·N=C

(4)

對等號兩側取對數可得：

(5)

式中：S為疲勞強度，MPa，本文用應力幅值Sa表示；N為循環次數；C為擬合常數；m為S-N 曲線斜率。

m=1/B

(6)

C=10A/B

(7)

將不同的疲勞試驗結果S1,S2…Sn和對應的m值分別帶入式(4)中即可確定C1,C2…Cn的值。 假設有n個數據點P1，P2，……Pn，擬合這n個數據點的直線方程為：

lgN=a+blgS

(8)

式中：a和b是常數。

(9)

(10)

式中：Sj為第j級應力水平下的應力幅值；lgNj為第j級應力水平下疲勞壽命的平均值；n為參與擬合的數據個數。

通過對比 S-N 曲線的直線形式式(5)和式(8)可知，m=-b，C=10a。

用上述方法得lgN與lgS的直線表達式，并求出指定循環次數下相應的疲勞強度和不同應力水平下的疲勞壽命，疲勞試驗數據擬合S-N曲線如圖 6所示。 由圖6可以看出，隨著應力幅值的不斷減小，焊接接頭達到斷裂條件所承受的應力循環次數在逐漸增加。當應力幅值達到230 MPa時，試樣還沒有發生斷裂；再增加應力幅值時，試樣開始發生斷裂，此時對應的應力幅值為材料的疲勞極限，即焊接接頭的疲勞極限Smax約為235 MPa。

圖6 不同應力幅值下焊接接頭S-N曲線Fig.6 The S-N curves of welded joints with different stress amplitude

3.3 疲勞斷口分析

對釬焊中間層厚度0.50 mm的試樣進行疲勞斷口觀察，如圖7所示。 由圖7(a)可以看到，在疲勞斷口的表面產生了裂紋源，在裂紋形成后的斷面表面平滑。這是由于拉壓循環，該部位不斷的被摩擦擠壓形成的[10]。在連續的拉壓循環應力作用下，疲勞過程進入裂紋的擴展階段，疲勞裂紋第一擴展階段是一個緩慢的過程，擴展方向與主應力成45°的最大切應力方向擴展，但由于各個晶粒的位向不一樣，在擴展過程中，裂紋的擴展方向慢慢和主應力方向垂直，進入第二階段疲勞裂紋擴展速度相對較快，并且穿晶粒擴展，在電子顯微鏡下能觀察到疲勞輝紋[11-13]。由圖7(c)可以看出，疲勞裂紋擴展的第二階段疲勞裂紋擴展方向垂直于疲勞輝紋，這一階段的微觀形貌體現為斷面粗糙，當真實應力達到斷裂強度時，試樣發生瞬間斷裂。由圖7(d)可以看出，瞬間斷裂區域的斷口是典型的韌窩特征[14-15]，可以判斷其斷裂方式為韌性斷裂。

(a)宏觀形貌; (b) 疲勞源; (c) 擴展區; (d) 瞬斷區圖7 中間層厚度 0.50 mm 試樣的疲勞斷口形貌(a) macro morphology; (b)fatigue source; (c) expansion area; (d) instantaneous fracture areaFig.7 The fatigue fracture morphology of sample with interlayer thickness of 0.50 mm

4 結論

采用爐中釬焊的工藝參數，對42CrMo和Q345異種鋼采用無氧銅TU1進行焊接。通過對42CrMo和Q345異種鋼焊接接頭進行高頻疲勞試驗研究，得出如下結論：

1)在220 MPa應力幅值下，對不同釬焊層厚度試樣進行疲勞試驗，厚度1.10、0.75和0.50 mm的試樣均在焊縫處斷裂，而厚度0.35和0.15 mm的試樣在循環次數超過107時未發生斷裂。隨著焊接接頭厚度的增加，接頭的循壞次數降低，疲勞強度下降。

2)不同應力幅值下，對焊縫厚度為0.35 mm的試樣進行疲勞試驗，焊接接頭疲勞極限約為235 MPa。

3)疲勞試樣的斷裂位置均在焊縫，說明疲勞破壞對焊接接頭存在的缺陷非常敏感。