熱焊工藝對2.25Cr1Mo鋼焊接構件疲勞壽命影響

李國志，賈寶全，張智超，任 航，呂 品

（1. 湖北省荊門市荊門石化總廠，湖北 荊門 448039； 2. 中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

焊接殘余應力是由于焊接部位局部高溫加熱，在焊縫及其附近區域產生不均勻彈塑性形變從而殘存于構件內的應力。焊接過程中產生的殘余拉應力往往是造成設備損壞的最根本原因之一，它直接影響設備的使用壽命[1]。因此，采用各種措施將焊接殘余應力減少，可以保證焊接結構的可靠性，改善其使用性能，提高其使用壽命，具有重要的經濟意義。熱焊工藝可以有效地降低焊接殘余拉應力，提高焊接試件的疲勞壽命[2]。

1 試驗過程及結果

1.1 試驗過程

試驗采用的材料為2.25Cr1Mo鋼板，制作成4塊尺寸為220 mm×150 mm×16 mm，中間帶有V型坡口的試件，采用手工電弧焊分別進行焊接。所選擇的焊接參數為：電源交變電壓220 V，工作交變電流140 A，工作電壓36 V，焊接速度為快速焊接，選用焊條CMA-106N，焊條規格為φ4.0 mm.第1組試板常溫下焊接，焊接后在空氣中自然冷卻；第 2組試板要先在加熱爐上進行高溫加熱，選定溫度為600 ℃，待加熱到選定溫度后，從加熱爐中取出，在自行設計的加熱爐板上進行焊接，焊接的同時用TM902C型測溫儀測定試板溫度，盡量使溫度保持在所選定溫度。焊后立即放入保溫棉中進行保溫緩冷，此即熱焊處理工藝。再采用同樣的方法對第 3組和第4組試板進行焊接，所不同的只是把選定的溫度分別選定在700 ℃和 800 ℃ 。采用小盲孔法測出各試件中焊接殘余應力的大小。應變片的粘帖位置如圖1所示。

圖1 應變片位置示意圖Fig.1 The location of the strain piece affixed

測試完焊接殘余應力后再采用鉬絲切割的方法在緊貼焊縫兩側的熱影響區切取兩個長130 mm寬15 mm的試件毛坯，1#、2#標定為常溫焊接的疲勞試件，（3#、4#）、（5#、6#）、（7#、8#）分別標定為經600，700，800 ℃高溫焊接處理的疲勞試件。試件毛坯的截取位置如圖2所示。把截取下來的毛坯件經機加工切削成為如圖3所示的試樣，切削后允許偏差為0.5 mm，本試驗采用圓柱形光滑軸向疲勞試樣，夾持部分為螺紋夾持。試驗采用的是由美國引進的MTS880型試驗機進行試樣疲勞壽命的測試，載荷的控制方式：采用應變控制，本實驗采用應變控制值為0.8%，載波頻率 f=2 Hz，T=1?f =0.5 s。

圖2 疲勞試件截取位置示意圖Fig. 2 The intercepting position of fatigue samples

圖3 疲勞試樣圖及尺寸Fig. 3 Fatigue sample and its dimension

1.2 試驗結果

表1 2.25Cr1Mo鋼的焊接殘余應力數值Table 1 The data of welding residual stresses of 2.25Cr1Mo steel

從表1數據可知，常溫試件焊縫熱影響區的殘余應力平均值為：縱向 σx=310.88 MPa，橫向 σy=156.08 MPa，計算其他試件焊接殘余應力平均值與常溫試件比較，可以得到殘余應力下降程度分別為：600 ℃高溫處理試件下降幅度為縱向ηx=50.08%，橫向ηy=50.15%；700 ℃高溫處理試件下降幅度為縱向ηx=59.49%，橫向ηy=59.88%；800 ℃高溫處理試件下降幅度為縱向ηx=69.94%，橫向ηy=69.66%。

表2 2.25Cr1Mo鋼疲勞試驗數據Table 2 The fatigue test data of 2.25Cr1Mo steel samples

由表2的數據可知，常溫下焊接試樣的疲勞循環次數平均值為：1715。經600 ℃高溫焊接處理后試樣的疲勞循環次數平均值為2 80，比常溫下焊接試樣提高了η=32.9%。經700 ℃和800 ℃高溫焊接處理后試樣的疲勞循環次數平均值分別為 2645和3185，比常溫下焊接試樣提高了 η=54.2%和η=85.7%。

2 機理分析

拉應力在疲勞斷裂發生的過程當中起著至關重要的作用。焊接構件發生疲勞破壞的時候存在一個極限振幅值，殘余應力振幅大于極限幅值時，就將發生疲勞破壞，而殘余應力振幅小于極限幅值時則是安全的[3]。隨著平均應力的增加，極限應力幅值將逐漸下降[4]。若焊接構件中的殘余應力σ0為殘余拉應力時，它將與工作應力相疊加使應力循環提高σ0，這樣隨著平均應力的增加，其極限應力幅值將降低，構件的疲勞強度將有所降低。在拉伸殘余應力區使平均應力增大，其工作應力有可能達到或者超過疲勞極限而破壞，因而對疲勞強度有不利的影響[5]。

采用熱焊工藝時，在焊接過程中，焊縫區和母材金屬熱影響區的溫度梯度變小；在冷卻的過程中，用保溫棉保溫緩冷，母材和焊縫的溫度相近，都有效地減少了不均勻變形量，降低了焊接殘余拉應力，從而疊加出的應力值也減小，這樣隨著平均應力的減小，它的極限應力幅值就增加，焊接構件的疲勞強度得到加強[6]。

4 結 論

采用熱焊工藝對2.25Cr1Mo試板進行焊接，能有效地降低焊接殘余拉應力，殘余拉應力值的減小使得疊加出的應力值也減小，疲勞強度得到加強，提高了焊接試件的疲勞壽命，并且焊接前加熱溫度越高，焊接試件的疲勞壽命越長。

［1］ 宋天民.焊接殘余應力的產生與消除[M].北京：中國石化出版社，2005:5-34.

［2］ 焊接手冊第二卷第1篇.材料的焊接性基礎[M].第二版.北京：機械工業出版社，2001:26-28.

［3］ 王國慶，賈寶全，張智超.熱處理消除Q235鋼焊接殘余應力機理的研究[J].焊接技術，2011，40（10）:56-57.

［4］ 中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊[M].北京:機械工業出版杜，1992:35-38.

［5］ 王江超，周方明.小孔法測量焊接殘余應力[J].電焊機，2008,38（2）:47-48.

［6］ 王者昌.關于焊接殘余應力消除原理的探討[J].焊接學報，2000,21（2）:55-58．