Q345R焊接接頭的低周疲勞特性

孫云波 孫超 牙乾伊(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

Q345R焊接接頭的低周疲勞特性

孫云波 孫超 牙乾伊(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

由單軸拉伸驗證焊接接頭特性，并與應變循環試驗比較，研究循環拉伸對材料的加強作用。對CO2氣體保護焊的Q345R焊接材料在應變控制下的低周疲勞性能研究。

Q345R鋼；焊接接頭；疲勞特性

Q345R材料性能優良，常用于鍋爐、換熱器等壓力設備。CO2氣體保護焊效率高，成本低，焊接變形小，但由于會產生飛濺和氣孔等原因，目前未在壓力容器受壓元件上推廣應用，本文主要試驗工作：通過拉伸、循環受力試驗，得到Q345R鋼CO2焊接接頭性能參數、低周疲勞特性。

本文主要試驗工作：

1）進行拉伸以及單軸循環試驗，得到Q345R鋼CO2焊接接頭基本性能數據；

2）進行應變控制的低周疲勞試驗，得出CO2焊接接頭應變—壽命曲線。

1 單軸拉伸

本文的實驗都是在電子多軸實驗機上完成。焊接采用的是CO2氣體保護焊，焊接材料：H08Mn2Si，U型坡口，按照GB/T8110-95標準進行制備。

圖1-1 試件樣本

對于單軸拉伸試驗，焊件采用應變率為2.5*10-2。前期試驗數據呈線性變化，變形是彈性可逆的；由于是應變控制，這段變化很快，當應力值達到370MPa，數據顯示應變與應力呈非線性變化，出現塑性強化，且出現了不可逆的形變。設置應變比率為3.8%，試驗變形為塑性。重新試驗時材料屈服極限增加，材料發生了明顯的應變強化現象。

1.1 應變-應力循環

在機械和工程結構中，許多構件常受到循環交變載荷的作用，在進行循環疲勞受力后，在受力小于材料強度極限的情況下，常發生斷裂，裂紋周圍出現可視微小裂紋。對于塑性較好材料，發生斷裂時，通常都未發現明顯的塑性變形。

本次試驗通過循環載荷試驗，驗證接頭對交變載荷情況下的性能。將單軸拉伸曲線與應變-應力循環曲線相比，對應相同應變時應力較小，試驗數據圖1-2說明循環對于接頭具有增強強度的作用。

圖1-2 循環曲線與單軸拉伸擬合圖

2 疲勞試驗

設置低周循環拉伸實驗，對材料疲勞壽命進行完整性的評估，低周疲勞實驗的應變率一般都在10-4～10-3之間，本次試驗應變率設置在5×10-3。

實驗初始完成14-18圈區間，峰值數據開始下降，速率逐漸增大。而隨著繼續加載，數據越來越呈現穩定，應力峰值逐漸降低。出現可視裂紋時，實驗進行5000次以上，此時峰值應力突然降低，發現可視裂紋。

通過不同組別的應變應力疲勞實驗，得到不同應變幅的CO2焊接接頭的疲勞特性圖2-1：性能曲線。

圖2-1 疲勞循環峰值曲線圖

實驗中材料斷裂大部分發生在焊接材料與母材結合區，是產生斷裂的高發區。

由本次試驗數據說明，CO2焊接接頭性能的影響因素有以下兩個方面：

一是材料本身原因，由于345R的金相組織中本身缺陷，焊接中材料和受熱不均勻，導致材料性能降低；

二是外部分散性，實際中試驗設備液壓控制系統導致受力變化不一致，環境溫度、操作方法等其他因素同樣影響設備運行。

3 結果與討論

Q345R CO2焊接接頭的單軸拉伸試驗、疲勞低周循環試驗中，我們總結出以下二點結論：

1）受力拉伸循環對材料有加強作用。

2）疲勞循環情況下，焊接接頭疲勞壽命較低，母材和焊材溶合區金相組織不均勻，焊接受到熱輻射影響，退火不完全，為焊接接頭最薄弱的部位，是產生斷裂的高發區。

[1]裴紅.焊接力學非均勻體低周疲勞循環滯回能實驗研究[J].金屬學報，1993，7：328－334.

作者介紹：孫云波（1985-），男，本科，工程師，海洋石油工程股份有限公司。