42CrMo/Q345異種鋼焊接接頭疲勞性能試驗(yàn)研究

任 玲，范玉婷

(1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300； 2.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司，北京 102200)

異種鋼結(jié)構(gòu)的部件因其性?xún)r(jià)比高、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、軌道交通等高端領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。異種鋼在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和物理性能等方面存在較大的差異，在實(shí)際的焊接中由于焊接方法、焊接工藝選擇不當(dāng)，容易產(chǎn)生裂紋和熱影響區(qū)軟化等缺陷，造成焊接接頭斷裂，斷裂中大部分是由于承受重復(fù)性載荷引起的疲勞斷裂。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，由疲勞裂紋引起的焊接結(jié)構(gòu)失效斷裂事故占總斷裂事故的80～90%以上，疲勞破壞是在交變動(dòng)載荷的作用下產(chǎn)生的[1-3]，整個(gè)過(guò)程包括裂紋的產(chǎn)生、裂紋的擴(kuò)展以及瞬間破壞。

本試驗(yàn)采用對(duì)母材影響較小的爐中釬焊方法，研究表明采用純銅釬料焊接42CrMo和Q345單一材料時(shí)可獲得良好的力學(xué)性能焊接接頭[4-5]，目前沒(méi)有報(bào)道用純銅釬料進(jìn)行42CrMo和Q345異種鋼釬焊的研究。銅基合金是釬焊鋼鐵首選的焊料，其對(duì)鋼具有良好的潤(rùn)濕性，能提高焊縫的性能，但純銅釬料成本更低，而且純銅強(qiáng)度低，遠(yuǎn)低于42CrMo鋼和Q345鋼。因此，本試驗(yàn)采用無(wú)氧純銅TU1為釬料對(duì)42CrMo和Q345異種鋼進(jìn)行焊接，在焊接溫度、保溫時(shí)間、接頭接觸面積等參數(shù)條件相同的情況，通過(guò)查閱資料，確定合理的釬縫間隙范圍[6-7]，分別選取1.10、0.75、0.50、0.35和0.15 mm 5個(gè)間隙值，42CrMo和Q345釬焊后對(duì)其焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分析焊縫的疲勞性能。

1 焊接試驗(yàn)材料和工藝

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆倪x取42CrMo和Q345鋼錠，鑄錠直徑φ300 mm、高80 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1，室溫物理性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 42CrMo和Q345鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 The chemical composition of 42CrMo steel and Q345 steel(mass fraction,%)

表2 42CrMo鋼和Q345鋼的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of 42CrMo steel and Q345 steel

1.2 焊接工藝

對(duì)42CrMo鋼和Q345鋼錠進(jìn)行焊前清理，機(jī)械加工獲得1.10、0.75、0.5、0.35和0.15 mm五種接頭間隙，并預(yù)制出放置釬料的孔洞。然后進(jìn)行裝配，同時(shí)將TU1釬料放入到預(yù)定的位置，由于待焊工件是兩個(gè)接觸面積較大的圓柱體，在裝配過(guò)程中要保持平衡，防止傾斜。裝配好的待焊工件，在保證其準(zhǔn)確定位的前提下，將其緩緩放置于QSH-VHP-2400T真空釬焊爐中。

在釬焊爐內(nèi)通入氬氣，以20 ℃/min速度進(jìn)行加熱，加熱室分為幾個(gè)控制區(qū)，試件受熱均勻，整個(gè)焊接過(guò)程保持真空度不變，約為1.33×10-3Pa。爐內(nèi)溫度達(dá)到1150 ℃時(shí)停止加熱，并保溫20 min，使釬料充分熔解，工藝方法如圖1所示。釬焊后的試件經(jīng)過(guò)隨爐冷卻，將試件從載料臺(tái)卸下。

圖1 焊接工藝曲線Fig.1 Welding process curve

2 焊接接頭金相組織

采用FeCl3鹽酸溶液(5g FeCl3+10 mL HCl+90 mlC2H5OH)對(duì)焊接接頭進(jìn)行腐蝕，利用OLYMPUS-DSX500光學(xué)顯微鏡，對(duì)不同釬焊層厚度的焊接接頭進(jìn)行金相組織觀察，并測(cè)量接頭的實(shí)際間隙值。焊接接頭界面附近的金相組織如圖2所示。由圖2(a)可見(jiàn)，在焊縫厚度較大時(shí)，緊鄰界面母材部分的形貌與原始形貌明顯不同，42CrMo側(cè)有大量樹(shù)枝狀突起，Q345側(cè)較為平整，沒(méi)有大量突起。這表明在釬焊過(guò)程中，42CrMo與釬料發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用。由圖2(e)可見(jiàn)，42CrMo 側(cè)界面成規(guī)則的波浪狀，考慮是機(jī)械加工過(guò)程中造成的。

由圖2可知，無(wú)論釬縫厚度大小，在靠近界面的母材上都有明顯的過(guò)渡區(qū)，此區(qū)為擴(kuò)散影響區(qū)(DAZ區(qū))。相比于遠(yuǎn)離焊縫的母材，Q345側(cè)過(guò)渡區(qū)顏色較淺，鐵素體所占比例增大，珠光體所占比例減小，并且在靠近Q345和42CrMo的釬縫界面處分別存在一些細(xì)小晶粒以及部分樹(shù)枝狀突起。這是因?yàn)樵贑u與Q345/42CrMo的接觸面上，各原子在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，表面原子開(kāi)始向四周擴(kuò)散，接觸界面由點(diǎn)結(jié)合變?yōu)槊娼Y(jié)合。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的擴(kuò)散，金屬內(nèi)部的缺陷逐漸消失，此時(shí)液態(tài)Cu向Fe中擴(kuò)散，擴(kuò)散層中Cu含量增高，致使邊界處DAZ區(qū)與母材有所不同。

(a)焊縫1.10 mm×200 μm；(b)焊縫0.75 mm×200 μm；(c)焊縫0.50 mm×200 μm；(d)焊縫0.35 mm×200 μm；(e)焊縫0.15 mm×200 μm圖2 釬焊接頭金相組織(a)weld of 1.10 mm×200 μm；(b)weld of 0.75 mm×200 μm；(c)weld of 0.50 mm×200 μm；(d)weld of 0.35 mm×200 μm；(e)weld of 0.15 mm×200 μmFig.2 Microstructure of brazing welded joint

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 疲勞試驗(yàn)原理

在QBG-100型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)不同中間層厚度的釬焊接頭進(jìn)行高頻疲勞實(shí)驗(yàn)，以測(cè)定接頭的疲勞性能，疲勞試樣尺寸和形狀參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》，試樣尺寸如圖3所示。采用拉-壓對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力載荷，應(yīng)力循環(huán)系數(shù)為R=-1，加載頻率100～110Hz，試驗(yàn)加載波形為正弦波如圖4所示。

圖3 疲勞試樣尺寸Fig.3 The size of fatigue specimen

圖4 試驗(yàn)所加載荷的正弦波示意圖Fig.4 Schematic diagram of sine wave of the test lood

本試驗(yàn)采用對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力，其中：

R=Smin/Smax=-1

(1)

Sm=(Smin+Smax)/2=0

(2)

Sa=(Smax-Smin)/2=Smin

(3)

式中：Smin為循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最小的應(yīng)力，MPa；Smax為循環(huán)應(yīng)力中數(shù)值最大的應(yīng)力，MPa；R為應(yīng)力比；Sm為平均應(yīng)力，MPa；Sa為應(yīng)力半幅，MPa。

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 不同焊縫間隙釬焊接頭的疲勞試驗(yàn)

在220 MPa應(yīng)力幅值下，對(duì)不同釬焊層厚度的試樣進(jìn)行第一階段試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。釬焊層厚度與循壞次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，隨著釬焊層厚度的增加，接頭的循壞次數(shù)在逐漸減小，疲勞強(qiáng)度逐漸減弱。分析其原因?yàn)椋弘S著釬焊厚度的增加，釬料與母材之間的毛細(xì)作用減弱；釬焊層厚度較大時(shí)，焊縫成分不均勻，在焊縫中心會(huì)形成成分偏析，造成焊縫夾雜等缺陷易形成疲勞源。

圖5 中間層厚度-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5 Interlayer thickness-cycle number curve

表3 不同釬焊中間層厚度的釬焊接頭高頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the high frequency fatigue tests of brazing joints with different thickness of brazing interlayer

3.2.2不同應(yīng)力幅值的釬焊接頭疲勞試驗(yàn)

采用不同大小的應(yīng)力幅值對(duì)釬焊中間層厚度為0.35 mm的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力幅值分別為270、260、250、240和230 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。由表4可知，焊接接頭的疲勞試樣在應(yīng)力幅值大于240 MPa時(shí)，才開(kāi)始發(fā)生斷裂，斷裂位置均在中間 Cu 層。

表4 不同應(yīng)力幅值下釬焊接頭高頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of the high frequency fatigue tests of the brazing joint under different stress amplitude

疲勞強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，疲勞S-N曲線[9]以指數(shù)形式表達(dá)為：

Sm·N=C

(4)

對(duì)等號(hào)兩側(cè)取對(duì)數(shù)可得：

(5)

式中：S為疲勞強(qiáng)度，MPa，本文用應(yīng)力幅值Sa表示；N為循環(huán)次數(shù)；C為擬合常數(shù)；m為S-N 曲線斜率。

m=1/B

(6)

C=10A/B

(7)

將不同的疲勞試驗(yàn)結(jié)果S1,S2…Sn和對(duì)應(yīng)的m值分別帶入式(4)中即可確定C1,C2…Cn的值。 假設(shè)有n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)P1，P2，……Pn，擬合這n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線方程為：

lgN=a+blgS

(8)

式中：a和b是常數(shù)。

(9)

(10)

式中：Sj為第j級(jí)應(yīng)力水平下的應(yīng)力幅值；lgNj為第j級(jí)應(yīng)力水平下疲勞壽命的平均值；n為參與擬合的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

通過(guò)對(duì)比 S-N 曲線的直線形式式(5)和式(8)可知，m=-b，C=10a。

用上述方法得lgN與lgS的直線表達(dá)式，并求出指定循環(huán)次數(shù)下相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度和不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命，疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合S-N曲線如圖 6所示。 由圖6可以看出，隨著應(yīng)力幅值的不斷減小，焊接接頭達(dá)到斷裂條件所承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在逐漸增加。當(dāng)應(yīng)力幅值達(dá)到230 MPa時(shí)，試樣還沒(méi)有發(fā)生斷裂；再增加應(yīng)力幅值時(shí)，試樣開(kāi)始發(fā)生斷裂，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值為材料的疲勞極限，即焊接接頭的疲勞極限Smax約為235 MPa。

圖6 不同應(yīng)力幅值下焊接接頭S-N曲線Fig.6 The S-N curves of welded joints with different stress amplitude

3.3 疲勞斷口分析

對(duì)釬焊中間層厚度0.50 mm的試樣進(jìn)行疲勞斷口觀察，如圖7所示。 由圖7(a)可以看到，在疲勞斷口的表面產(chǎn)生了裂紋源，在裂紋形成后的斷面表面平滑。這是由于拉壓循環(huán)，該部位不斷的被摩擦擠壓形成的[10]。在連續(xù)的拉壓循環(huán)應(yīng)力作用下，疲勞過(guò)程進(jìn)入裂紋的擴(kuò)展階段，疲勞裂紋第一擴(kuò)展階段是一個(gè)緩慢的過(guò)程，擴(kuò)展方向與主應(yīng)力成45°的最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，但由于各個(gè)晶粒的位向不一樣，在擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋的擴(kuò)展方向慢慢和主應(yīng)力方向垂直，進(jìn)入第二階段疲勞裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)較快，并且穿晶粒擴(kuò)展，在電子顯微鏡下能觀察到疲勞輝紋[11-13]。由圖7(c)可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段疲勞裂紋擴(kuò)展方向垂直于疲勞輝紋，這一階段的微觀形貌體現(xiàn)為斷面粗糙，當(dāng)真實(shí)應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度時(shí)，試樣發(fā)生瞬間斷裂。由圖7(d)可以看出，瞬間斷裂區(qū)域的斷口是典型的韌窩特征[14-15]，可以判斷其斷裂方式為韌性斷裂。

(a)宏觀形貌; (b) 疲勞源; (c) 擴(kuò)展區(qū); (d) 瞬斷區(qū)圖7 中間層厚度 0.50 mm 試樣的疲勞斷口形貌(a) macro morphology; (b)fatigue source; (c) expansion area; (d) instantaneous fracture areaFig.7 The fatigue fracture morphology of sample with interlayer thickness of 0.50 mm

4 結(jié)論

采用爐中釬焊的工藝參數(shù)，對(duì)42CrMo和Q345異種鋼采用無(wú)氧銅TU1進(jìn)行焊接。通過(guò)對(duì)42CrMo和Q345異種鋼焊接接頭進(jìn)行高頻疲勞試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1)在220 MPa應(yīng)力幅值下，對(duì)不同釬焊層厚度試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，厚度1.10、0.75和0.50 mm的試樣均在焊縫處斷裂，而厚度0.35和0.15 mm的試樣在循環(huán)次數(shù)超過(guò)107時(shí)未發(fā)生斷裂。隨著焊接接頭厚度的增加，接頭的循壞次數(shù)降低，疲勞強(qiáng)度下降。

2)不同應(yīng)力幅值下，對(duì)焊縫厚度為0.35 mm的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，焊接接頭疲勞極限約為235 MPa。

3)疲勞試樣的斷裂位置均在焊縫，說(shuō)明疲勞破壞對(duì)焊接接頭存在的缺陷非常敏感。