熱焊工藝對2.25Cr1Mo鋼焊接構(gòu)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(yīng)力是由于焊接部位局部高溫加熱，在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生不均勻彈塑性形變從而殘存于構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力。焊接過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力往往是造成設(shè)備損壞的最根本原因之一，它直接影響設(shè)備的使用壽命[1]。因此，采用各種措施將焊接殘余應(yīng)力減少，可以保證焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，改善其使用性能，提高其使用壽命，具有重要的經(jīng)濟意義。熱焊工藝可以有效地降低焊接殘余拉應(yīng)力，提高焊接試件的疲勞壽命[2]。

1 試驗過程及結(jié)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(shù)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(guī)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(shè)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(yīng)力的大小。應(yīng)變片的粘帖位置如圖1所示。

圖1 應(yīng)變片位置示意圖Fig.1 The location of the strain piece affixed

測試完焊接殘余應(yīng)力后再采用鉬絲切割的方法在緊貼焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)切取兩個長130 mm寬15 mm的試件毛坯，1#、2#標(biāo)定為常溫焊接的疲勞試件，（3#、4#）、（5#、6#）、（7#、8#）分別標(biāo)定為經(jīng)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(jīng)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(yīng)變控制，本實驗采用應(yīng)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(jié)果

表1 2.25Cr1Mo鋼的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值Table 1 The data of welding residual stresses of 2.25Cr1Mo steel

從表1數(shù)據(jù)可知，常溫試件焊縫熱影響區(qū)的殘余應(yīng)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(yīng)力平均值與常溫試件比較，可以得到殘余應(yīng)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(shù)據(jù)Table 2 The fatigue test data of 2.25Cr1Mo steel samples

由表2的數(shù)據(jù)可知，常溫下焊接試樣的疲勞循環(huán)次數(shù)平均值為：1715。經(jīng)600 ℃高溫焊接處理后試樣的疲勞循環(huán)次數(shù)平均值為2 80，比常溫下焊接試樣提高了η=32.9%。經(jīng)700 ℃和800 ℃高溫焊接處理后試樣的疲勞循環(huán)次數(shù)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(yīng)力在疲勞斷裂發(fā)生的過程當(dāng)中起著至關(guān)重要的作用。焊接構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的時候存在一個極限振幅值，殘余應(yīng)力振幅大于極限幅值時，就將發(fā)生疲勞破壞，而殘余應(yīng)力振幅小于極限幅值時則是安全的[3]。隨著平均應(yīng)力的增加，極限應(yīng)力幅值將逐漸下降[4]。若焊接構(gòu)件中的殘余應(yīng)力σ0為殘余拉應(yīng)力時，它將與工作應(yīng)力相疊加使應(yīng)力循環(huán)提高σ0，這樣隨著平均應(yīng)力的增加，其極限應(yīng)力幅值將降低，構(gòu)件的疲勞強度將有所降低。在拉伸殘余應(yīng)力區(qū)使平均應(yīng)力增大，其工作應(yīng)力有可能達(dá)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(qū)和母材金屬熱影響區(qū)的溫度梯度變??；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(yīng)力，從而疊加出的應(yīng)力值也減小，這樣隨著平均應(yīng)力的減小，它的極限應(yīng)力幅值就增加，焊接構(gòu)件的疲勞強度得到加強[6]。

4 結(jié) 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(yīng)力，殘余拉應(yīng)力值的減小使得疊加出的應(yīng)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(yīng)力的產(chǎn)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(chǔ)[M].第二版.北京：機械工業(yè)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(yīng)力機理的研究[J].焊接技術(shù)，2011，40（10）:56-57.

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

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

［6］ 王者昌.關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討[J].焊接學(xué)報，2000,21（2）:55-58．