奧氏體不銹鋼管窄間隙焊縫疲勞裂紋擴展研究*

0 前 言

由于焊縫熔池中極易產生夾雜物和氣孔等缺陷， 焊縫相比于母材更易發生疲勞裂紋擴展， 因此， 提高焊接接頭的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展能力一直是提高管道服役壽命的關鍵。 通常， 疲勞裂紋擴展試驗主要用于母材的檢測， 對于不同參數下的疲勞裂紋擴展速率在很多文獻中都有報道， 從早期對碳鋼鋼管和不銹鋼管電弧焊和氣保焊的焊縫研究來看， 相比于母材， 電弧焊焊縫的疲勞裂紋擴展速率更高。 因此， 窄間隙自動熱絲氣保焊技術被廣泛應用于管道焊接。 這種焊接工藝的優勢在于填充焊縫缺口時， 焊絲被提前預熱， 這種溫度變化并不影響熱影響區。 除此之外，窄間隙焊縫也會降低焊接形變量和殘余應力。

本研究對管道采用窄間隙熱絲氣保焊進行焊接， 對其疲勞裂紋擴展現象進行分析， 并將窄間隙熱絲氣保焊焊縫不同位置處的疲勞裂紋擴展現象進行了對比， 也對比了窄間隙熱絲氣保焊焊縫和傳統電弧焊焊縫的疲勞裂紋擴展性能。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗所用的管道材料為SA312 奧氏體不銹鋼，型號為304LN， 管體外徑324 mm， 壁厚25 mm，管體處于退火狀態， 定義其為300NB。 根據ASME 《鍋爐壓力容器規范》 第四章的要求進行管道焊接， 然后分別在鋼管對接焊縫及母材處制取拉伸試樣。 窄間隙熱絲氣保焊焊接技術遵循300NB 管道的焊接規范， 依照標準要求， 選用ER308L 焊絲作為304L 不銹鋼的填充焊絲， 焊接材料及焊接參數見表1， 管體和焊縫化學成分見表2。

緊湊拉伸試驗分別在母材及焊縫熔合線處取樣， 試樣尺寸和取樣位置如圖1 所示。 材料的拉伸性能見表3， 由表3 可知， 母材的屈服強度及最終拉伸強度均小于焊縫熔合線的抗拉強度， 這說明焊縫處的抗拉強度更高， 且不易發生斷裂。之所以會出現這種現象， 可能與焊縫處的枝晶組織與鐵素體組織有關， 由于存在枝晶組織， 在拉伸過程中， 裂紋的擴展具有一定的方向性， 且裂紋并未沿枝晶取向薄弱的方向擴展， 從而進一步增強了其抗拉強度； 此外， 鐵素體的存在對于拉伸斷裂過程中的裂紋擴展具有一定的延遲作用，從而提高了其抗拉強度， 且鐵素體組織具有良好的塑性和韌性， 進而提高了焊縫處的屈服強度。

1.2 微觀組織觀察

熱絲氣保焊焊縫母材和熔合線處的顯微組織形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 母材主要以奧氏體組織為主， 焊縫熔合線存在大量的鐵素體組織， 這主要是由于在焊接過程中， 熱輸入較大，在冷卻過程中奧氏體會向鐵素體發生了轉變。

刻蝕緊湊拉伸試樣如圖3 所示。 本試驗在常溫常壓下進行， 采用應力場強度因子幅度ΔK 進行研究計算。 ΔK 增加， 表示裂紋驅動力增加； ΔK減小， 則表示裂紋驅動力降低。 負載率R 等于最大應力場強度因子除以最小應力場強度因子， 在試驗過程中R 保持在0.1， 采用裂紋張開位移方法對裂紋擴展情況進行測量， 測試結果見表4。

1.3 疲勞裂紋擴展試驗

在焊縫處制取試樣進行疲勞裂紋擴展試驗，在緊湊拉伸試驗過程中， 在焊縫中心線的不同位置分別預置了缺口， 包括熱影響區和母材區域。試樣的制備和測試都嚴格按照ASME E467 標準要求進行。

（3）水體總懸浮物濃度垂直剖面變化受水位變化、水體流速和流態的改變、采砂活動等湖區自然條件和人類活動影響，也受到五河來水的渾濁程度影響，使得沿程縱向變化明顯，存在顯著的層化現象。高渾濁水體懸浮物濃度隨深度變化的斜率比中低濃度的小，主要原因可能是高渾濁水體的粒徑較大，沉降速度較快，導致其沿深度方向的懸浮物濃度迅速增大。

2 結果與討論

根據Paris 公式， 相比于母材和熱影響區，焊縫處的抗疲勞強度更高， 所得結果與前期奧氏體不銹鋼全尺寸管件焊縫和熱影響區處的疲勞裂紋擴展研究結果相一致。

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窄間隙熱絲氣保焊焊縫處不同位置的疲勞裂紋擴展速率與裂紋應力場強度因子的比值曲線如圖4 所示。 按照Paris 公式， 根據設定的ΔK 計算得到的熱影響區的疲勞裂紋擴展速率要明顯高于母材和焊縫位置。

圖5 為窄間隙熱絲氣保焊和手工電弧焊焊縫疲勞裂紋擴展情況對比， 根據圖5 可知， 相比窄間隙熱絲氣保焊， 手工電弧焊焊縫處的疲勞裂紋擴展速率更高。 相關研究表明， 窄間隙熱絲氣保焊焊縫具有更高的抗疲勞強度。

當ΔK 更低時， 微觀組織是影響疲勞裂紋擴展的主要因素， 同時在斷裂面無法形成連續的斷裂條紋， 因此， 相比較熱影響區和母材， 由于疲勞裂紋擴展速率與裂紋應力場強度因子的曲線斜率與疲勞裂紋擴展門檻值ΔK

成正比， 因此，焊縫處的疲勞裂紋擴展門檻值ΔK

更高， 三者的ΔK

如圖4 所示。

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3 結 論

（1） 通過在室溫下測定窄間隙熱絲氣保焊焊縫處的疲勞裂紋擴展速率發現， 相比于母材和焊縫金屬， 熱影響區處的疲勞裂紋擴展速率更高，然而， 對于焊縫處的枝晶取向及裂紋擴展路徑，還有待進一步研究。 焊縫中心線處的疲勞裂紋擴展門檻值ΔK

比母材和熱影響區更高。

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（2） 相比具有常規V 形缺口的手工電弧焊，窄間隙熱絲氣保焊焊縫金屬具有更高的抗疲勞裂紋擴展性能。