Q345/316L 異種焊接接頭的疲勞裂紋擴展速率研究

郭逸軒 王澤溪

（長安大學 工程機械學院，西安 710064）

隨著工業設備和焊接技術的發展，異種焊接接頭的應用越來越廣泛。316L 鋼材由于具有良好的強度和耐腐蝕性，常用于壓力容器、船舶和石油化工等領域。在某些腐蝕強度較低的場合，如核電焊接閥板、船體主甲板平臺[1-2]，部分結構采用價格低廉、焊接性和強度良好的Q345 鋼材，可以大幅節約成本，因此不可避免會出現異種金屬焊接問題。

由于異種金屬之間熔點、熱膨脹系數和化學成分等方面都存在差異，容易焊接后出現微裂紋、碳遷移和未熔透等缺陷，造成焊接接頭的性能降低。異種鋼焊接具有很大的挑戰性，國內外學者做了大量的相關研究。黃本生等研究了Q345/316L 異種焊接接頭的顯微組織和力學性能，發現存在Q345 側碳元素向焊縫遷移的現象，并且ER309L 焊絲相比ER308 焊絲得到的焊接接頭在強度、塑性和沖擊韌性方面的性能更優異[3]。王曉軍等研究了Q345/316L 異種鋼K-TIG 焊接接頭的組織及性能，結果靠近316L 一側的焊縫組織為奧氏體及骨骼狀鐵素體，靠近Q345 一側的焊縫組織為板條馬氏體，拉伸試驗則均在Q345 母材處斷裂，表明焊縫強度良好[4]。

目前，對Q345/316L 異種焊接接頭的研究主要在于微觀組織、硬度和拉伸性能，對其疲勞裂紋擴展行為的研究較少[5]。基于此，采用ER309L 焊絲對Q345 和316L 鋼板進行焊接，對焊接接頭母材區、熱影響區以及焊縫區進行疲勞裂紋擴展試驗，并基于Paris 公式擬合得到焊接接頭各區域的疲勞裂紋擴展公式，為Q345/316L 異種焊接接頭在實際應用中的抗斷裂設計提供參考。

1 試驗材料與焊接方法

采用316L 奧氏體不銹鋼和Q345 低合金鋼作為母材，板材尺寸為90 mm×280 mm×10 mm，焊絲為ER309L，直徑為2.0 mm。表1為母材和焊絲的化學成分。

表1 母材和焊絲化學成分的質量分數 單位：%

焊接坡口形式根據《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口》（GB/T 985.1—2008）選擇K 形坡口，尺寸和焊接順序如圖1 所示。焊接前，先用砂紙將坡口附近的鐵銹、油污等雜質打磨掉，然后進行水平固定，再采用鎢極惰性氣體保護焊按照多層多道焊的方式在室溫環境下進行焊接。焊接參數如表2 所示。

圖1 焊接坡口尺寸及焊接順序

表2 焊接工藝參數

焊接后，根據ASTM E647 標準制備緊湊拉伸（Compact Tension，CT）試樣用于疲勞裂紋擴展試驗，試樣厚度均為10 mm，形狀和取樣位置如圖2 所示。疲勞裂紋擴展試驗在Instron 8801 疲勞試驗機上進行，采用恒載荷為12 kN、應力比為0.4 的加載條件，施加的載荷波形為正弦波，加載頻率為10 Hz，裂紋長度基于柔度法原理通過傳感器實時測量。

2 試驗結果分析

Q345/316L 焊接接頭各個區域的疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子范圍在雙對數坐標下的曲線如圖3所示。不難發現，Q345 母材與其熱影響區的疲勞裂紋擴展起始速率大致相同，而316L 母材與其熱影響區的疲勞裂紋擴展起始速率差異較大。隨著裂紋逐漸擴展，在應力強度因子范圍ΔK達到40 MPa·m1/2之前，焊接接頭兩側熱影響區均表現出較母材更低的疲勞裂紋擴展速率，且焊縫的疲勞裂紋擴展速率較低。當ΔK超出40 MPa·m1/2后，所有曲線逐漸表現出比較一致的疲勞裂紋擴展趨勢，這說明Q345/316L 焊接接頭母材區、熱影響區和焊縫區疲勞裂紋擴展性能的差異主要表現在應力強度因子范圍較小的階段。

圖3 Q345/316L 焊接接頭da/dN-ΔK 曲線

為了更加直觀對比Q345/316L 焊接接頭不同區域的疲勞裂紋擴展性能，繪制其裂紋長度與循環周次曲線，如圖4 所示。由圖4 可知：Q345 和316L母材試樣的疲勞裂紋擴展壽命大致相當，約13 萬周次；Q345 側熱影響區和316L 側熱影響區試樣分別為26.9 萬周次和19.2 萬周次，較母材分別提高約107%和48%；焊縫試樣的疲勞裂紋擴展壽命最長，為35.4 萬周次。

圖4 焊接接頭不同區域疲勞裂紋擴展壽命曲線對比

3 結論

采用緊湊拉伸試樣對Q345/316L 焊接接頭母材區、熱影響區和焊縫區分別進行疲勞裂紋擴展試驗，主要得出3 點結論：

（1）Q345/316L 焊接接頭各個區域的疲勞裂紋擴展速率由低到高依次為焊縫、Q345 熱影響區、316L熱影響區、Q345 母材與316L 母材；

（2）各區域疲勞裂紋擴展速率的差異主要體現在裂紋擴展前期，即應力強度因子范圍低于40 MPa·m1/2時，后期的擴展速率相近；

（3）曲線擬合得到的疲勞裂紋擴展速率公式可為Q345/316L 焊接接頭的抗斷裂設計提供參考。