高強韌中錳鋼CO2氣體保護焊接頭的疲勞性能

齊祥羽，嚴 玲，杜林秀，李廣龍，張 鵬，王曉航

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，鞍山 114009;2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，鞍山 114009;3.東北大學，軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819)

0 引 言

隨著石油、天然氣等能源的開采逐漸由陸地和淺海向深海和極地地區轉移，高強韌海洋平臺用鋼的需求量不斷增加[1-2]。熱軋中錳鋼兼具高強度、優異低溫沖擊韌性、屈強比可控和低成本等特點，在海洋平臺建造上有著廣闊的應用前景[3-5]。海洋平臺是典型的超大焊接鋼結構，其鋼材料焊接性能的好壞直接決定著海洋平臺的使用壽命。在焊接熱循環作用下，中錳鋼優異的強韌性能將會受到影響[6]。此外，焊接接頭中存在應力集中、殘余應力和焊接缺陷，也會進一步降低焊接接頭的力學性能[7]。海洋平臺在波浪、海潮和極寒流冰的環境下服役，這就要求海洋平臺結構在具有高強韌性的同時，還需具有較好的抗疲勞性能和抗層狀撕裂能力[8]。疲勞是指材料在循環應力的作用下，在一處或幾處逐漸產生局部的永久性累積損傷，并在應力循環一定次數后產生裂紋或裂紋進一步擴展直至發生完全斷裂的過程[9]。與母材相比，焊接接頭對疲勞循環應力的敏感性更高，產生裂紋的危險性更大，因此焊接結構的疲勞斷裂通常發生在焊接接頭處，焊接結構的疲勞強度主要取決于焊接接頭的疲勞強度。

目前，有關熱軋中錳鋼的研究主要集中在顯微組織、力學性能、焊接性能和疲勞性能等方面[2,6,10-11]，但未見有關中錳鋼焊接接頭疲勞性能的研究報道。為此，作者對30 mm厚高強韌中錳鋼板進行CO2氣體保護焊，通過圓棒拉壓疲勞試驗獲得中錳鋼焊接接頭的應力幅-壽命(S-N)曲線，測定了其高周疲勞極限，并觀察其斷口形貌，以期為中錳鋼在海洋平臺建造上的推廣應用奠定基礎。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用母材為國內某鋼廠生產的30 mm厚軋制態中錳鋼板，其化學成分(質量分數/%)為0.05C，0.20Si，5.45Mn，0.008P，0.006S，其屈服強度為723 MPa，抗拉強度為835 MPa，斷后伸長率為26.34%，-40 ℃沖擊吸收功為149 J。沿軋制方向切取尺寸為400 mm×200 mm×30 mm的中錳鋼板，將鋼板加工成對稱的雙V型坡口，單邊坡度為30°，鈍邊寬度為2 mm。用螺栓固定對焊母材的相對位置，組對間隙為2 mm。在CO2半自動氣體保護焊焊機上，采用低合金高強鋼實芯焊絲對中錳鋼板進行對焊試驗。焊絲直徑為1.2 mm，化學成分(質量分數/%)為0.08C，0.51Si，1.75Mn，0.009P，0.007S；其屈服強度為670 MPa，抗拉強度為830 MPa，斷后伸長率為19.0%，-20 ℃沖擊吸收功為105 J。焊前預熱溫度為200 ℃，層間溫度為180～200 ℃，焊接熱輸入為15 kJ·cm-1，焊后進行200 ℃保溫120 min去氫處理，焊道分布如圖1所示。

圖1 CO2氣體保護焊道分布示意Fig.1 Diagram of CO2 gas shielded welding pass distribution

在焊接接頭1/4厚度處垂直于焊縫方向截取尺寸為φ12 mm×110 mm的光滑圓棒試樣，焊縫位于試樣的中心，在試樣兩端分別加工出30 mm長規格為M12 mm×1.5 mm的螺紋。由于疲勞試驗對試樣表面粗糙度的要求較高，在對疲勞試樣工作段銑削和精車過程中，需要嚴格控制車削速度，在與最終尺寸相差0.1 mm時，對試樣進行精磨，消除試樣表面在加工過程中產生的殘余應力，再用機械拋光的方法對工作段做最后表面處理，疲勞試樣的尺寸如圖2所示。按照GB/T 3075—2008，在GPS-100型高頻疲勞試驗機上進行高周疲勞試驗，采用縱向拉壓的加載方式，應力比R為-1，循環應力波形為正弦波，工作頻率為150 Hz，試驗溫度為室溫，采用單試樣法建立中錳鋼焊接接頭的S-N曲線，應力幅為330～450 MPa；采用升降法確定中錳鋼焊接接頭的條件疲勞極限，升降法的應力增量為20 MPa。疲勞試驗結束后，使用FEI Quanta 600型掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口微觀形貌。

圖2 中錳鋼焊接接頭疲勞試樣的尺寸Fig.2 Dimension of fatigue specimen for medium-Mn steel welded joint

2 試驗結果與討論

2.1 S-N曲線

由圖3可以看出，隨著應力幅的增加，焊接接頭的循環次數減少。究其原因，更大的應力幅導致更大的疲勞累積損傷，加速了疲勞裂紋的萌生和擴展，減少了疲勞斷裂所需的循環次數。此外，焊接接頭對循環應力的敏感性高，疲勞數據分散性較大。

圖3 中錳鋼焊接接頭的應力幅與循環次數的關系曲線Fig.3 Curve of stress amplitude vs number of cycle of medium-Mn steel welded joint

圖4為中錳鋼焊接接頭在應力比為-1時應力幅與壽命之間的關系曲線，即S-N曲線。S-N曲線的水平直線段的應力幅即為中錳鋼焊接接頭的疲勞極限，疲勞極限代表中錳鋼焊接接頭在此應力下能經受無限次疲勞循環而不發生斷裂。由圖4可知，當應力比為-1時，中錳鋼焊接接頭的高周疲勞極限為353 MPa。經回歸計算可知，中錳鋼焊接接頭在高于條件疲勞極限的應力幅σa與壽命N滿足以下線性關系：

圖4 中錳鋼焊接接頭的S-N曲線Fig.4 S-N curve of medium-Mn steel welded joint

σa=608.15-36.81×lgN

(1)

2.2 疲勞斷口形貌

當焊縫中存在焊接缺陷時，疲勞裂紋源萌生于微觀缺陷處，疲勞源區平坦光亮，如圖5(a)所示；此時應力幅為430 MPa，循環次數為7.31×104周次，疲勞裂紋源位于氣孔處，這是由焊縫金屬熔化時產生的氣體在焊縫凝固過程中未能及時逸出而產生的。當焊縫無焊接缺陷時，疲勞裂紋萌生于試樣表面熔合線位置，在循環應力作用下，疲勞裂紋沿熔合線擴展，如圖5(b)所示，此時的應力幅為390 MPa，循環次數為8.36×105周次。究其原因，中錳鋼焊接接頭熔合線處的應力集中較嚴重，與母材相比疲勞強度大幅度降低，再加上焊接缺陷及殘余應力的存在，熔合線成為了焊接接頭疲勞性能最薄弱的環節。疲勞裂紋擴展區存在與疲勞裂紋擴展方向一致的放射線條，呈扇形向前擴展，而且疲勞裂紋擴展區表面粗糙，存在明顯的二次裂紋，如圖5(c)所示。瞬斷區表面存在大量均勻細小的韌窩，韌窩較淺，直徑為1～5 μm，如圖5(d)所示。

圖5 中錳鋼焊接接頭的疲勞斷口形貌Fig.5 Fatigue fracture morphology of medium-Mn steel welded joint：(a) fatigue crack source at pore in weld (σa=430 MPa，N=7.31×104 cycle); (b) fatigue crack source at fusion line (σa=390 MPa，N=8.36×105 cycle); (c) amplification of fatigue crack propagation area in Fig.(b) and (d) amplification of transient fracture area in Fig.(b)

2.3 疲勞強度的影響因素

由于焊接接頭中存在應力集中、殘余應力以及夾渣、氣孔等焊接缺陷，因此接頭的疲勞試驗數據呈現出相當大的分散性，疲勞極限也大幅度低于母材的疲勞極限(450 MPa)[11]。當焊縫金屬中存在氣孔時，這些氣孔可以認為是“先天”的疲勞裂紋源，在疲勞載荷作用下該處產生應力集中，使得疲勞過程直接進入到裂紋擴展階段，從而減少了疲勞斷裂所需的循環次數，降低焊接接頭的疲勞強度[12]。此外，熔合區是焊接接頭中的一個薄弱環節，該區域存在顯微組織突變，易出現晶界液化現象，為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件。焊接接頭中的應力集中主要產生于焊趾、焊根等幾何不連續處，在循環載荷作用下，在這些位置處極易萌生疲勞裂紋，最終導致疲勞斷裂。若焊接接頭處存在結構截面突變，則其應力集中程度更為嚴重，更容易萌生疲勞裂紋。除應力集中和焊接缺陷外，焊接殘余應力是降低鋼焊接接頭疲勞強度的另一個重要因素。由于焊接過程的復雜性和偶然性，焊接接頭在不均勻加熱和冷卻過程中極易產生殘余應力，殘余應力的存在改變了疲勞試驗過程中的有效平均應力水平。當應力比不低于0時，在循環拉應力作用下，殘余應力較快得到釋放，對焊接接頭疲勞強度的影響較小；而當應力比為-1時，殘余應力會顯著降低焊接接頭的疲勞強度[13]。

焊接結構的疲勞破壞主要起源于焊接接頭應力集中區域。在實際焊接結構中，可采用表面機械打磨的方法減弱焊縫及附近的缺口效應，使母材、熱影響區和焊縫之間平緩過渡，降低焊接接頭的應力集中程度。當焊縫中存在微裂紋、夾渣和氣孔等焊接缺陷時，焊接接頭的疲勞強度取決于焊縫金屬抵抗疲勞裂紋擴展的能力[14]，此時無法采用表面機械打磨的方法降低應力集中。優化焊接工藝參數，可減少焊接缺陷，提高焊接質量，在一定程度上改善接頭中的殘余應力分布[15-16]。同時，合適的后熱處理工藝可以細化熱影響區的顯微組織，降低焊接接頭內的殘余應力，從而提高焊接接頭的疲勞性能[17]。

綜上可知，應力集中、殘余應力和焊接缺陷是影響焊接接頭疲勞強度的主要因素。優化焊接工藝參數以降低焊接接頭應力集中以及應用合適的焊后熱處理工藝消除殘余應力是改善焊接接頭疲勞性能的有效措施。

3 結 論

(1) 當應力比為-1時，中錳鋼焊接接頭對循環應力的敏感性高，疲勞數據分散性較大，高周疲勞極限為353 MPa，在高于條件疲勞極限的應力幅σa和循環次數N的關系為σa=608.15-36.81×lgN。

(2) 當中錳鋼焊接接頭焊縫中存在明顯的焊接缺陷時，疲勞裂紋萌生于微觀缺陷處，而當焊縫中無焊接缺陷時，疲勞裂紋萌生于試樣表面熔合線位置，疲勞裂紋擴展區表面粗糙，存在著明顯的二次裂紋，瞬斷區表面存在大量均勻細小的韌窩。