奧氏體不銹鋼管窄間隙焊縫疲勞裂紋擴展研究*

0 前 言

由于焊縫熔池中極易產(chǎn)生夾雜物和氣孔等缺陷， 焊縫相比于母材更易發(fā)生疲勞裂紋擴展， 因此， 提高焊接接頭的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展能力一直是提高管道服役壽命的關(guān)鍵。 通常， 疲勞裂紋擴展試驗主要用于母材的檢測， 對于不同參數(shù)下的疲勞裂紋擴展速率在很多文獻中都有報道， 從早期對碳鋼鋼管和不銹鋼管電弧焊和氣保焊的焊縫研究來看， 相比于母材， 電弧焊焊縫的疲勞裂紋擴展速率更高。 因此， 窄間隙自動熱絲氣保焊技術(shù)被廣泛應(yīng)用于管道焊接。 這種焊接工藝的優(yōu)勢在于填充焊縫缺口時， 焊絲被提前預(yù)熱， 這種溫度變化并不影響熱影響區(qū)。 除此之外，窄間隙焊縫也會降低焊接形變量和殘余應(yīng)力。

本研究對管道采用窄間隙熱絲氣保焊進行焊接， 對其疲勞裂紋擴展現(xiàn)象進行分析， 并將窄間隙熱絲氣保焊焊縫不同位置處的疲勞裂紋擴展現(xiàn)象進行了對比， 也對比了窄間隙熱絲氣保焊焊縫和傳統(tǒng)電弧焊焊縫的疲勞裂紋擴展性能。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗所用的管道材料為SA312 奧氏體不銹鋼，型號為304LN， 管體外徑324 mm， 壁厚25 mm，管體處于退火狀態(tài)， 定義其為300NB。 根據(jù)ASME 《鍋爐壓力容器規(guī)范》 第四章的要求進行管道焊接， 然后分別在鋼管對接焊縫及母材處制取拉伸試樣。 窄間隙熱絲氣保焊焊接技術(shù)遵循300NB 管道的焊接規(guī)范， 依照標(biāo)準(zhǔn)要求， 選用ER308L 焊絲作為304L 不銹鋼的填充焊絲， 焊接材料及焊接參數(shù)見表1， 管體和焊縫化學(xué)成分見表2。

緊湊拉伸試驗分別在母材及焊縫熔合線處取樣， 試樣尺寸和取樣位置如圖1 所示。 材料的拉伸性能見表3， 由表3 可知， 母材的屈服強度及最終拉伸強度均小于焊縫熔合線的抗拉強度， 這說明焊縫處的抗拉強度更高， 且不易發(fā)生斷裂。之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象， 可能與焊縫處的枝晶組織與鐵素體組織有關(guān)， 由于存在枝晶組織， 在拉伸過程中， 裂紋的擴展具有一定的方向性， 且裂紋并未沿枝晶取向薄弱的方向擴展， 從而進一步增強了其抗拉強度； 此外， 鐵素體的存在對于拉伸斷裂過程中的裂紋擴展具有一定的延遲作用，從而提高了其抗拉強度， 且鐵素體組織具有良好的塑性和韌性， 進而提高了焊縫處的屈服強度。

1.2 微觀組織觀察

熱絲氣保焊焊縫母材和熔合線處的顯微組織形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 母材主要以奧氏體組織為主， 焊縫熔合線存在大量的鐵素體組織， 這主要是由于在焊接過程中， 熱輸入較大，在冷卻過程中奧氏體會向鐵素體發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

刻蝕緊湊拉伸試樣如圖3 所示。 本試驗在常溫常壓下進行， 采用應(yīng)力場強度因子幅度ΔK 進行研究計算。 ΔK 增加， 表示裂紋驅(qū)動力增加； ΔK減小， 則表示裂紋驅(qū)動力降低。 負載率R 等于最大應(yīng)力場強度因子除以最小應(yīng)力場強度因子， 在試驗過程中R 保持在0.1， 采用裂紋張開位移方法對裂紋擴展情況進行測量， 測試結(jié)果見表4。

1.3 疲勞裂紋擴展試驗

在焊縫處制取試樣進行疲勞裂紋擴展試驗，在緊湊拉伸試驗過程中， 在焊縫中心線的不同位置分別預(yù)置了缺口， 包括熱影響區(qū)和母材區(qū)域。試樣的制備和測試都嚴(yán)格按照ASME E467 標(biāo)準(zhǔn)要求進行。

（3）水體總懸浮物濃度垂直剖面變化受水位變化、水體流速和流態(tài)的改變、采砂活動等湖區(qū)自然條件和人類活動影響，也受到五河來水的渾濁程度影響，使得沿程縱向變化明顯，存在顯著的層化現(xiàn)象。高渾濁水體懸浮物濃度隨深度變化的斜率比中低濃度的小，主要原因可能是高渾濁水體的粒徑較大，沉降速度較快，導(dǎo)致其沿深度方向的懸浮物濃度迅速增大。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)Paris 公式， 相比于母材和熱影響區(qū)，焊縫處的抗疲勞強度更高， 所得結(jié)果與前期奧氏體不銹鋼全尺寸管件焊縫和熱影響區(qū)處的疲勞裂紋擴展研究結(jié)果相一致。

順著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，社會對外語人才的需求不僅在數(shù)量，在質(zhì)量，層次以及種類上均提出更高的要求。因此，要發(fā)揮紹興政府在外語人才隊伍建設(shè)中的主導(dǎo)作用，通過加大外語人才優(yōu)惠政策的力度，包括外語人才培養(yǎng)，引進，使用等環(huán)節(jié)，逐漸使外語人才管理培養(yǎng)逐步走上規(guī)范化的道路，營造出一個寬松的外語人才發(fā)展環(huán)境。另外，政府要積極鼓勵國內(nèi)外優(yōu)秀外語培訓(xùn)機構(gòu)和教育機構(gòu)在紹興成立分支機構(gòu)，針對不同區(qū)域和不同行業(yè)進行外語培訓(xùn)，為廣大紹興市民的外語學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的條件和氛圍。

窄間隙熱絲氣保焊焊縫處不同位置的疲勞裂紋擴展速率與裂紋應(yīng)力場強度因子的比值曲線如圖4 所示。 按照Paris 公式， 根據(jù)設(shè)定的ΔK 計算得到的熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展速率要明顯高于母材和焊縫位置。

圖5 為窄間隙熱絲氣保焊和手工電弧焊焊縫疲勞裂紋擴展情況對比， 根據(jù)圖5 可知， 相比窄間隙熱絲氣保焊， 手工電弧焊焊縫處的疲勞裂紋擴展速率更高。 相關(guān)研究表明， 窄間隙熱絲氣保焊焊縫具有更高的抗疲勞強度。

當(dāng)ΔK 更低時， 微觀組織是影響疲勞裂紋擴展的主要因素， 同時在斷裂面無法形成連續(xù)的斷裂條紋， 因此， 相比較熱影響區(qū)和母材， 由于疲勞裂紋擴展速率與裂紋應(yīng)力場強度因子的曲線斜率與疲勞裂紋擴展門檻值ΔK

成正比， 因此，焊縫處的疲勞裂紋擴展門檻值ΔK

更高， 三者的ΔK

如圖4 所示。

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3 結(jié) 論

（1） 通過在室溫下測定窄間隙熱絲氣保焊焊縫處的疲勞裂紋擴展速率發(fā)現(xiàn)， 相比于母材和焊縫金屬， 熱影響區(qū)處的疲勞裂紋擴展速率更高，然而， 對于焊縫處的枝晶取向及裂紋擴展路徑，還有待進一步研究。 焊縫中心線處的疲勞裂紋擴展門檻值ΔK

比母材和熱影響區(qū)更高。

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（2） 相比具有常規(guī)V 形缺口的手工電弧焊，窄間隙熱絲氣保焊焊縫金屬具有更高的抗疲勞裂紋擴展性能。