王智祥，張 鑫，張繼祥

(1.重慶交通大學(xué)船舶工程中心，重慶400074;2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶400074)

2205雙相不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能，如強(qiáng)度高、低溫韌性好、抗疲勞強(qiáng)度高、對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋不敏感等，焊接成形性能優(yōu)良，在國內(nèi)外大量應(yīng)用于船舶、鍋爐、管道等領(lǐng)域被大量運(yùn)用［1-6］。尤其在化學(xué)品船舶制造中的表現(xiàn)優(yōu)良，如重慶川東造船廠采用國產(chǎn)2205雙相不銹鋼制造的化學(xué)品船，優(yōu)異的防腐蝕能力，可以承載幾百種化學(xué)品。然而，焊接接頭部位是工程結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，2205雙相不銹鋼焊接接頭性能尤其是焊縫及熱影響區(qū)疲勞性能及抗裂紋擴(kuò)展性能對(duì)船體整體性能至關(guān)重要，因此展開雙相不銹鋼焊接接頭性能的研究對(duì)船體安全性尤為關(guān)鍵［7］。申艷麗［8］采用等離子弧焊，研究了 2025 雙相不銹鋼的焊接性，并對(duì)焊后固溶處理與未進(jìn)行固溶處理的焊件組織特征、力學(xué)性能及抗腐蝕性進(jìn)行了比較，研究了不同焊接熱輸入和固溶處理工藝對(duì)焊接接頭綜合性能的影響;金曉軍，等［9］對(duì)2205雙相不銹鋼管道接頭環(huán)焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得到了內(nèi)外表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，并研究了不同的焊接線能量、管內(nèi)徑與壁厚比值和多層焊對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響;王智祥，等［10-11］對(duì)2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形進(jìn)行了較為深入的研究，得到了焊接應(yīng)力與變形的分布規(guī)律，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM等仿真方法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形做出了預(yù)測。但是，在船舶的使用中，單獨(dú)的考慮應(yīng)力與應(yīng)變對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響還是不夠充分的，當(dāng)船體出現(xiàn)疲勞裂紋后，結(jié)構(gòu)的承載能力如何變化，這對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性更具有實(shí)際的意義。因此，系統(tǒng)而深入地研究該2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展及其規(guī)律，對(duì)于把握其裂紋擴(kuò)展速率，準(zhǔn)確預(yù)測其焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，防止特種化學(xué)品船破壞、失效事故的突然發(fā)生，有著較大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。筆者利用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)2205雙相不銹鋼的母材、焊縫、熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得不同位置的關(guān)系曲線，并對(duì)各個(gè)位置的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能以及對(duì)應(yīng)力比的敏感程度進(jìn)行比較分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

太原鋼鐵廠生產(chǎn)的船用2205雙相不銹鋼的主要化學(xué)成分如表1。

表1 2205雙相不銹鋼主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical compositions of 2205 duplex stainless steel /%

所用E 2209焊絲由川東造船廠提供，其主要成分如表2。

表2 E 2209焊絲主要成分Tab.2 Main chemical compositions of E 2209 Wire /%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 板材對(duì)焊

將2205雙相不銹鋼板材加工成V型坡口(圖1)，在國營川東造船廠焊接實(shí)驗(yàn)室采用NB-500 IGBT型CO2氣體保護(hù)焊機(jī)進(jìn)行多層平焊。焊接參數(shù)為:層間溫度為150～250℃，焊接電流125～135 A，電壓24.5 ～25 V，焊速10 ～12 mm/s。

圖1 V型坡口試樣Fig.1 Shape and size of welded groove

1.2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

1)試樣的制取

將焊接后的板材在焊縫、熱影響區(qū)及母材上取材，加工成標(biāo)準(zhǔn)SE(B)試樣，如圖2。然后將試樣的表面磨光，并從切口頂端沿切口延伸線每隔1 mm畫刻度線，方便之后疲勞裂紋長度的測量。

圖2 試樣尺寸Fig.2 Size of sample

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在PLG-200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該型號(hào)高頻試驗(yàn)機(jī)最大負(fù)荷量程為500 kN，由微機(jī)控制，主要用于測定正弦波載荷下的板材、鏈條、齒輪(彎曲)、連桿、操作關(guān)節(jié)、緊固件、螺旋運(yùn)動(dòng)件等拉壓、三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲、交互復(fù)合彎曲疲勞和齒輪疲勞。試樣采用FWDH8標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲夾具進(jìn)行裝夾。

3)實(shí)驗(yàn)過程

選取了應(yīng)力比 R 為0.1，0.3，0.6 三種應(yīng)力比工況進(jìn)行試驗(yàn)，最大載荷選取17 kN，加載頻率控制在101.5 ～108 Hz，如表 3。

表3 疲勞實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Fatigue test plan

在實(shí)驗(yàn)過程中逐一記錄裂紋長度ai(i=1，2，3，...，n)及相應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù) Ni(i=1，2，3，...，n)，其中裂紋長度 ai(i=1，2，3，...，n)采用JC-10型20倍放大顯微鏡結(jié)合刻度線進(jìn)行測量，載荷循環(huán)次數(shù)Ni由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄，記錄值隨時(shí)標(biāo)在坐標(biāo)紙上。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到24～28 mm時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

參考GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》［12］，擴(kuò)展速率da/dN由一組對(duì)應(yīng)的裂紋長度a和循環(huán)數(shù)N值采用多點(diǎn)遞增法求得。應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK則按式(1)計(jì)算［12］:

2.1 2205雙相不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率回歸分析

分別在應(yīng)力比 R 為 0.1，0.3，0.6 三種工況下進(jìn)行試驗(yàn)并隨時(shí)記錄數(shù)據(jù)，然后對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，其線性回歸結(jié)果如表4。

由表4可見，當(dāng) R=0.6時(shí)，材料常數(shù) C、n在一個(gè)量級(jí)上，說明母材，熱影響區(qū)以及焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率基本是一致的，處于同一個(gè)水平上。而當(dāng)R=0.1，0.3 時(shí)，材料常數(shù) C、n 出現(xiàn)明顯的差別。尤其常數(shù)C的變化，已經(jīng)跨越了幾個(gè)量級(jí)。這說明了在R=0.1，0.3時(shí)，3個(gè)位置的疲勞裂紋擴(kuò)展速率有著較明顯的差別，并且隨著應(yīng)力比的減小，這種差別越明顯。

表4 三種應(yīng)力比下疲勞裂紋擴(kuò)展速率回歸分析結(jié)果Tab.4 Regression analysis of fatigue crack behavior in three stress ratio

2.2 2205雙相不銹鋼母材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

為了對(duì)2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)中母材處的疲勞裂紋擴(kuò)展速率變化進(jìn)行比較，分別作出在同一載荷、不同應(yīng)力比下的曲線。曲線如圖3。

圖3 母材疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.3 Fatigue crack behavior of BM

三種應(yīng)力比下對(duì)母材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行回歸分析，其回歸方程如下:

可以看出，2205雙相不銹鋼隨著應(yīng)力比的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展的速率隨之增加，這與疲勞裂紋擴(kuò)展的基本理論［13-14］相一致，但增加量并不明顯，基本維持在一個(gè)相同的速率水平上，如ΔK為20和40的時(shí)候，da/dN的取值幾乎是相同的。同時(shí)，這也說明2205雙相不銹鋼母材的裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)力比的變化并不敏感，母材的疲勞裂紋在應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)擴(kuò)展仍會(huì)維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)有過大的起伏。

2.3 2205雙相不銹鋼熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

圖4 熱影響區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.4 Fatigue crack behavior of HAZ

可以看出，隨著應(yīng)力比的提高，熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率同樣隨著應(yīng)力比的提高而增加，但其速率分布點(diǎn)已經(jīng)不處于同一個(gè)分布區(qū)域，所以其疲勞裂紋擴(kuò)展速率變化更加顯著。如ΔK為18，R=0.3時(shí)的da/dN值，比R=0.1時(shí)的da/dN值略大，而當(dāng)R=0.6時(shí)的da/dN值已是R=0.1時(shí)的2倍多。因此，熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)力比的變化具有一定的敏感度，并且高于母材。

2.4 2205雙相不銹鋼焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

圖5 焊縫疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.5 Fatigue crack behavior of WM

2.5 2205雙相不銹鋼不同部位的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

在同一應(yīng)力比的前提下，2205雙相不銹鋼焊接街頭不同部位的疲勞裂紋擴(kuò)展速率也是不相同的。比較R=0.1時(shí)，2205雙相不銹鋼的母材、熱影響區(qū)和焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率可以發(fā)現(xiàn)，母材的速率最大，焊縫的速率最小。如ΔK取30時(shí)，母材的da/dN約為0.000 1，而熱影響區(qū)和焊縫的da/dN分別為0.000 04 和0.000 01。當(dāng) R=0.3 時(shí)，也有這樣的結(jié)果，但3個(gè)部位的差距減小。當(dāng) R=0.6時(shí)，從圖5中可以看出，雖然3個(gè)部位的曲線比較接近，并且在此應(yīng)力比下的回歸方程表明3者的疲勞裂紋擴(kuò)展速率處于同一個(gè)量級(jí)水平，大小相當(dāng)，但仍然既有母材的擴(kuò)展速率大于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)大于焊縫的相同結(jié)果。因此相比之下，母材、熱影響區(qū)以及焊縫中，母材的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力最弱，焊縫最強(qiáng)，熱影響區(qū)居于二者之間，由此說明，筆者采用工藝焊接接頭抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能良好。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)SE(B)試樣，在PLG-200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)焊接試件的母材、熱影響區(qū)以及焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析得到以下結(jié)論:

1)2205雙相不銹鋼焊接試件的母材、焊縫和熱影響區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)因子ΔK之間，都符合Paris公式。

2)2205雙相不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)中焊縫裂紋擴(kuò)展速率最低，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力最高;母材疲勞裂紋擴(kuò)展速率最高，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力最差;熱影響區(qū)介于二者之間，說明筆者采用工藝焊接接頭抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能良好。

3)焊縫處疲勞裂紋擴(kuò)展的速率對(duì)應(yīng)力比的變化的反應(yīng)最為靈敏，其次是熱影響區(qū)，母材基本穩(wěn)定。

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