Q345/316L 异种焊接接头的疲劳裂纹扩展速率研究

郭逸轩 王泽溪

（长安大学 工程机械学院，西安 710064）

随着工业设备和焊接技术的发展，异种焊接接头的应用越来越广泛。316L 钢材由于具有良好的强度和耐腐蚀性，常用于压力容器、船舶和石油化工等领域。在某些腐蚀强度较低的场合，如核电焊接阀板、船体主甲板平台[1-2]，部分结构采用价格低廉、焊接性和强度良好的Q345 钢材，可以大幅节约成本，因此不可避免会出现异种金属焊接问题。

由于异种金属之间熔点、热膨胀系数和化学成分等方面都存在差异，容易焊接后出现微裂纹、碳迁移和未熔透等缺陷，造成焊接接头的性能降低。异种钢焊接具有很大的挑战性，国内外学者做了大量的相关研究。黄本生等研究了Q345/316L 异种焊接接头的显微组织和力学性能，发现存在Q345 侧碳元素向焊缝迁移的现象，并且ER309L 焊丝相比ER308 焊丝得到的焊接接头在强度、塑性和冲击韧性方面的性能更优异[3]。王晓军等研究了Q345/316L 异种钢K-TIG 焊接接头的组织及性能，结果靠近316L 一侧的焊缝组织为奥氏体及骨骼状铁素体，靠近Q345 一侧的焊缝组织为板条马氏体，拉伸试验则均在Q345 母材处断裂，表明焊缝强度良好[4]。

目前，对Q345/316L 异种焊接接头的研究主要在于微观组织、硬度和拉伸性能，对其疲劳裂纹扩展行为的研究较少[5]。基于此，采用ER309L 焊丝对Q345 和316L 钢板进行焊接，对焊接接头母材区、热影响区以及焊缝区进行疲劳裂纹扩展试验，并基于Paris 公式拟合得到焊接接头各区域的疲劳裂纹扩展公式，为Q345/316L 异种焊接接头在实际应用中的抗断裂设计提供参考。

1 试验材料与焊接方法

采用316L 奥氏体不锈钢和Q345 低合金钢作为母材，板材尺寸为90 mm×280 mm×10 mm，焊丝为ER309L，直径为2.0 mm。表1为母材和焊丝的化学成分。

表1 母材和焊丝化学成分的质量分数 单位：%

焊接坡口形式根据《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》（GB/T 985.1—2008）选择K 形坡口，尺寸和焊接顺序如图1 所示。焊接前，先用砂纸将坡口附近的铁锈、油污等杂质打磨掉，然后进行水平固定，再采用钨极惰性气体保护焊按照多层多道焊的方式在室温环境下进行焊接。焊接参数如表2 所示。

图1 焊接坡口尺寸及焊接顺序

表2 焊接工艺参数

焊接后，根据ASTM E647 标准制备紧凑拉伸（Compact Tension，CT）试样用于疲劳裂纹扩展试验，试样厚度均为10 mm，形状和取样位置如图2 所示。疲劳裂纹扩展试验在Instron 8801 疲劳试验机上进行，采用恒载荷为12 kN、应力比为0.4 的加载条件，施加的载荷波形为正弦波，加载频率为10 Hz，裂纹长度基于柔度法原理通过传感器实时测量。

2 试验结果分析

Q345/316L 焊接接头各个区域的疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围在双对数坐标下的曲线如图3所示。不难发现，Q345 母材与其热影响区的疲劳裂纹扩展起始速率大致相同，而316L 母材与其热影响区的疲劳裂纹扩展起始速率差异较大。随着裂纹逐渐扩展，在应力强度因子范围ΔK达到40 MPa·m1/2之前，焊接接头两侧热影响区均表现出较母材更低的疲劳裂纹扩展速率，且焊缝的疲劳裂纹扩展速率较低。当ΔK超出40 MPa·m1/2后，所有曲线逐渐表现出比较一致的疲劳裂纹扩展趋势，这说明Q345/316L 焊接接头母材区、热影响区和焊缝区疲劳裂纹扩展性能的差异主要表现在应力强度因子范围较小的阶段。

图3 Q345/316L 焊接接头da/dN-ΔK 曲线

为了更加直观对比Q345/316L 焊接接头不同区域的疲劳裂纹扩展性能，绘制其裂纹长度与循环周次曲线，如图4 所示。由图4 可知：Q345 和316L母材试样的疲劳裂纹扩展寿命大致相当，约13 万周次；Q345 侧热影响区和316L 侧热影响区试样分别为26.9 万周次和19.2 万周次，较母材分别提高约107%和48%；焊缝试样的疲劳裂纹扩展寿命最长，为35.4 万周次。

图4 焊接接头不同区域疲劳裂纹扩展寿命曲线对比

3 结论

采用紧凑拉伸试样对Q345/316L 焊接接头母材区、热影响区和焊缝区分别进行疲劳裂纹扩展试验，主要得出3 点结论：

（1）Q345/316L 焊接接头各个区域的疲劳裂纹扩展速率由低到高依次为焊缝、Q345 热影响区、316L热影响区、Q345 母材与316L 母材；

（2）各区域疲劳裂纹扩展速率的差异主要体现在裂纹扩展前期，即应力强度因子范围低于40 MPa·m1/2时，后期的扩展速率相近；

（3）曲线拟合得到的疲劳裂纹扩展速率公式可为Q345/316L 焊接接头的抗断裂设计提供参考。