（材料加工工程专业论文）改善304l焊接接头疲劳性能的低相变点药芯焊丝及应用研究.pdf

摘要 焊接结构日益重要，然而焊接结构不断发生断裂事故，统计资料表明，9 0 的断裂是由疲劳失效引起的。因此提高焊接接头的疲劳性能有着显著的社会效益 和经济效益。本文针对3 0 4 l 不锈钢开发低相变点药芯焊丝及改善其焊接接头疲 劳性能的应用进行了系统研究。 基于马氏体相变原理，研制了适用于3 0 4 l 不锈钢母材焊接接头焊趾熔修处 理的低相变点药芯焊丝( l o wt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew e l d i n gw i r e ，缩写为 l t t w ) ，先对l t t w 单道焊缝的残余应力进行测试，结果表明焊缝表面存在残 余压缩应力，然后对其焊缝金属的冲击韧性、显微组织、金相组织和硬度进行了 测试和分析。 利用a n s y s 模拟非承载十字接头的焊接温度场和焊后残余应力的分布，接 头形式分为三种：原始焊缝、3 0 8 l 焊趾熔修和l t t w 焊趾熔修。焊接温度场模 拟结果吻合焊接的实际情况。残余应力场的结果表明，相比于原始焊缝焊趾部位 的拉伸应力值，3 0 8 l 焊趾熔修提高了焊趾部位的残余拉伸应力，而l r 丌w 焊趾 熔修由于低相变点焊材的相变膨胀作用使得残余拉伸应力变为残余压缩应力。 针对非承载十字接头进行疲劳试验，结果证明相比于普通焊接接头，l 1 v r w 焊趾熔修焊接接头的疲劳强度提高7 8 7 。相比于3 0 8 l 焊趾熔修的焊接接头， l t t w 焊趾熔修的焊接接头疲劳强度提高5 8 4 。在高、中、低三种应力水平下， 经l t t w 焊趾熔修处理的试样疲劳寿命提高几倍至二十几倍。并对疲劳数据进 行了统计分析，结果表明即使考虑分散性的影响，l 1 v r w 焊趾熔修处理还是能够 显著地提高焊接接头的疲劳性能。 关钮i 词：低相变点药芯焊丝焊接接头疲劳强度残余压缩应力有限元 a bs t r a c t c u r r e n t l y ，w e l d e ds t r u c t u r e sb e c a m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ；h o w e v e rt h e w e l d e ds t r u c t u r e sf r a c t u r ea c c i d e n t so f t e no c c u r s t a t i s t i c a ld a t as h o w st h a t9 1 3 o ft h e f r a c t u r ea c c i d e n t sa r ec a u s e db yf a t i g u ef a i l u r eo fw e l d e d j o i n t s t h e r e f o r e ，t h ef a t i g u e s t r e n g t hi m p r o v e m e n to fw e l d e dj o i n t si ss i g n i f i c a n tt os o c i a lb e n e f i t sa n de c o n o m i c b e n e f i t s i nt h i sp a p e r ，l o wt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew e l d i n gw i r ea n dt h ef a t i g u e s t r e n g t hi m p r o v e m e n to f 3 0 4 lw e l d e d j o i n t sa r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d b a s e do nt h em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n p r i n c i p l e ，1 0 w t r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r ew e l d i n gw i r e ( l t t w ) i sd e v e l o p e d f i r s t l y ，t h er e s i d u a ls t r e s so fs i n g l e c h a n n e lw e l d i n gl 1 v r wi sm e a s u r e d ；t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p r e s s i o ns t r e s se x i s t s t h e nt h ei m p a c tt o u g h n e s s ，m i c r o s t r u c t u r e ，p h a s es t r u c t u r ea n dh a r d n e s so fw e l d e d m e t a la r ea n a l y z e d a n s y sa r eu s e dt os i m u l a t et h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ed i s t r i b u t i o no f r e s i d u a ls t r e s sa f t e rw e l d i n go ft h en o - l o a dc r u c i f o r mw e l d e dj o i n t s ，w h i c ha r ed i v i d e d i n t ot h r e e g r o u p s ：a s - w e l d e d 3 0 8 l d r e s s i n ga n dl t t w - d r e s s i n g t h ew e l d i n g t e m p e r a t u r er e s u l t ss i m u l a t et h ea c t u a ls i t u a t i o no fw e l d i n g t h er e s i d u a ls t r e s sr e s u l t s s h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h ea s - w e l d e dj o i n t s ，3 0 8 l - d r e s s i n gi m p r o v e st h er e s i d u a l t e n s i l es t r e s so fw e l dt o e s ，a n dl t t w d r e s s i n gc h a n g et h er e s i d u a lt e n s i l es t r e s s t o r e s i d u a lc o m p r e s s i o ns t r e s sd u i n gt ot h em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n t h ef a t i g u et e s t so fn o - l o a dc r u c i f o r mw e l d e dj o i n t sa r ec o n d u c t e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dt ot h ea s - w e l d e dj o i n t s ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho f l t t w d r e s s i n gj o i n t si n c r e a s e db y7 8 7 c o m p a r e dt ot h e3 0 8l - d r e s s i n gj o i n t s ，t h e f a t i g u es t r e n g t ho fl t t w - d r e s s i n gj o i n t s i n c r e a s e db y5 8 4 t h ef a t i g u el i f eo f l t t w d r e s s i n gj o i n t si m p r o v e df r o ms e v e r a lt i m e st om o r et h a n2 0t i m e su n d e rt h r e e d i f f e r e n tl o a d s a n dt h es t a t i s t i c sa n a l y s i so ff a t i g u ed a t as h o wt h a te v e nc o n s i d e rt h e e f f e c to fd i s p e r s i o n l t t w - d r e s s i n gc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ef a t i g u es t r e n g t ho f w e l d e d j o i n t s k e yw o r d s ：l o wt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew e l d i n gw i r e ，w e l d e dj o i n t s ， f a t i g u es t r e n g t h ，c o m p r e s s i v es t r e s s ，a n s y s 第一章绪论 1 1 选题背景及研究的意义 第一章绪论 自从2 0 世纪初涂药焊条发明以来，焊接技术已经越来越广泛地应用于各个 工业领域，如国防、冶金、建筑、交通、机械、石油、化工、动力和原子能等工 业领域。焊接方法方便、灵活，相比于铆接结构节约材料，简化结构细节，改善 劳动条件，提高生产效率。因此，目前桥梁、锅炉、船舶、机车、车辆等工业产 品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型厂房、高层 建筑等重要结构，无一不采用焊接结构【1 | 。 目前焊接结构的重量已占钢铁总产量的5 0 7 0 ，然而焊接结构经常发生断 裂事故，其中9 0 为疲劳失效，涉及到船舶及海洋工程结构、铁路公路和发电站 管道等重要工业设施【2 】o 疲劳断裂事故最早发生在19 世纪初期，随着铁路运输 的发展，机车车辆的疲劳破坏成为工程上遇到的第一个疲劳强度问题。在五六十 年代，欧洲公路网得到高速发展，当时大多采用焊接结束建造钢桥，由于那时对 公路桥梁疲劳认识不足，在规范中没有规定进行抗疲劳设计，出现了许多设计不 合理的焊接接头，在今天日益繁忙和加重的交通运输载荷下，加快了疲劳损伤过 程，许多焊接钢桥中出现疲劳裂纹，不得不进行桥梁检测加卧引。1 9 5 4 年英国彗 星喷气客机由于压力舱构件疲劳失效引起飞行失事，引起人们对疲劳问题的广泛 关注。1 9 8 0 年3 月2 7 日发生在北海埃科菲斯克油田亚历山大基兰德号海上平 台的翻沉事故也是一起疲劳断裂事例，疲劳裂纹起源于平台的桩腿上与漏水检查 仪支管焊接的一条角焊缝上【4 1 。在我国焊接结构因为疲劳问题而断裂的工程事故 也常有报道。例如，上世纪8 0 年代，三门峡轴刘氏水轮叶片频繁出现裂纹，4 8 个叶片有4 7 个曾出现裂纹，裂纹扩展呈河流花样，具有明显的疲劳裂纹特征， 发现裂纹后一般要进行修复，但是经过补焊的位置可能寿命更短1 5 j 。由此可见焊 缝结构疲劳断裂问题严重的影响着社会的经济效益，给人民的生命和财产构成重 大的威胁。 疲劳事故的频繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，在一 些场合不得不放弃焊接结构，怀疑其是否适用于承受动载的工程实际。因此焊接 结构的疲劳问题引起国内外相关专家和工程技术人员的普遍关注。焊接结构的抗 疲劳设计规范不断出台，其中国际焊接学会不断推出和更新焊接钢结构及焊接接 头的疲劳设计规范，为焊接结构的疲劳设计提供了重要的依据。 第一章绪论 大量研究和实践表明【2 4 ，6 1 ，焊接接头疲劳破坏一般都起裂于焊接接头的焊趾 部位。因为焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力使得焊接接头 的疲劳强度低于基本金属疲劳强度，结构的疲劳强度取决于焊接接头的疲劳性 能，而不是基本金属的疲劳强度，这显然造成了极大的浪费。如果能够改善焊趾 部位的抗疲劳性能，将有效地提高焊接结构的疲劳强度。以往的改善措施包括 4 , 6 1 ：t i g 熔修法、砂轮打磨法、局部机加工法、冲击法、锤击法、喷丸法、预过 载法、局部加热法、局部压延法、爆炸法等等。它们通过改善焊缝几何外形，降 低应力集中，或者调节焊接接头表面应力场来提高焊接接头的疲劳强度。 上述方法有的得到了广泛的实际应用，有的还处于试验阶段，但是这些方法 都有一个共同的缺点，即它们都属于焊后加工型，这无疑增加了劳动量和成本。 因此本文的目的就是要探讨一种着重改善焊接接头焊趾部位疲劳性能的新方法 及其应用研究。 1 2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素 应力集中、表面状态等影响母材疲劳强度的因素对焊接结构的疲劳强度也有 影响。此外，焊接结构的一些特点，比如焊接残余应力、焊接焊缝及其附近区域 组织的不均匀性等也会影响焊接结构的疲劳强度。弄清单个因素的影响，有利于 了解焊接结构的疲劳性能特点，从而在设计上以及实际应用中避免疲劳事故的发 生。 1 2 1 应力集中的影响 结构中的应力集中情况在很大程度上决定了结构的疲劳强度。焊接过程中产 生的各种缺陷( 例如气孔、咬边等) 、不合理的焊接接头设计是产生应力集中的 主要原因，因此它们也是降低焊接结构疲劳强度的主要因素。 1 接头形式对疲劳强度的影响 焊接接头形式大致可分为三种，对接接头、t 型和字接头以及搭接接头。其 中对接接头形状的变化程度较小，应力集中系数最低，因此与其他焊接接头相比， 对接接头的疲劳强度最高。对接接头的疲劳强度主要取决于焊缝向母材金属过渡 的形状1 7 。过大的余高和过大的焊缝向母材金属过渡的过渡角都会增大应力集 中。机械加工去除焊缝余高和改善过渡角度都可以降低应力集中，进而提高对接 接头的疲劳性能。但是由于机械加工比较高的成本，以及焊缝缺陷处的应力集中 远远大于焊缝表面的应力集中。所以这种情况下焊缝表面的机械d n - r 是没有必要 的。t 型和十字接头广泛应用于许多焊接结构中。这种接头焊缝向母材过渡处有 第一章绪论 明显的截面尺寸变化，因此应力集中系数要明显高于对接接头，其疲劳性能低于 对接接头。搭接接头的疲劳极限在所有焊接接头中是最低的。搭接接头的疲劳极 限与接头焊脚尺寸有着很大的关联，焊脚尺寸为1 ：1 至1 ：2 时搭接接头的疲劳性 能虽有所提高，但还是远低于母材金属的疲劳极限，当焊脚尺寸比例为1 ：3 8 ， 并且焊缝向母材金属平滑过渡的情况下，搭接接头的疲劳极限才接近基本金属。 但是这就丧失了搭接接头简单易行的特点，不宜采用【8 】。 2 焊接工艺缺陷列疲劳强度的影响 焊接缺陷主要指焊接接头中由焊接过程引起的几何缺陷，包括裂纹、气孔、 固体夹杂物、未焊透( 未熔合) 、和熔深不足、咬边、对接错边与交角( 角度偏 差) 以及其他形状缺陷。这些缺陷导致疲劳裂纹早期开裂，使得疲劳强度急剧下 降。各种缺陷对于质量的影响差异很大，影响的大小与缺陷的种类、位置与方向 有关【9 】o ( 1 ) 裂纹 裂纹指因材料分离形成的平面缝隙，一般带有尖锐顶端。裂纹在焊缝中可能 可出现于施焊过程、焊后热处理以及焊后加工中。热裂纹通常发生在高温下固、 液两相的共存之处，如凝固裂纹与结晶裂纹。冷裂纹通常发生在低温，当材料的 韧性耗尽时产生，如氢致裂纹、硬化裂纹和时效裂纹。裂纹严重影响构件的疲劳 强度，当受到横向载荷时这种影响最为严重。裂纹是应力集中源，它可大幅度降 低焊接结构或接头的疲劳强度。 ( 2 ) 气孔与缩孔 气孔是焊接熔池冷却凝固时速度较快，内部的气体来不及逸出所形成的孔 穴。缩孔是凝固收缩产生的孔穴。焊缝填充金属和母材含杂质( 硫) 较多、药粉 药皮湿度大以及保护不良的原因氮气侵入熔池是造成气孔的主要原因。气孔为体 积缺陷，降低了截面尺寸，因此降低焊缝的疲劳强度。当气孔处于表面时，会加 大对疲劳性能的不利影响，它作为应力集中源，成为疲劳裂纹的起裂点。 ( 3 ) 固体夹杂物 固体夹杂物即焊缝内混入、夹杂的异种物体。普通钢材焊接接头中固体夹杂 物常常是夹渣，轻合金焊件中往往是异种金属，比如铜、钨。夹渣的出现可能是 由于前一焊道的熔渣来不及清理，不容易脱落的熔渣可以通过使用磨削或铣削方 法除去。夹渣会降低焊接接头的疲劳强度。 ( 4 ) 未焊透与熔深不足 未焊透是指各层焊缝填充金属的交界面或焊缝填充金属与母材之间未能熔 透的一种缺陷。钢材表面有异物，上一层焊道的熔渣以及轻合金表面的氧化膜是 产生未焊透缺陷较常见的原因。熔深不足是焊接过程中焊缝熔池未能焊透焊缝根 部而使焊缝留下间隙。焊接时焊件接头形式设计不合理与焊接方法不合适时便会 第一章绪论 造成熔深不足。未焊透或熔深不足会减小焊接件的有效截面面积，增大焊接件板 厚方向上缺陷尺寸，从而降低其疲劳性能。 ( 5 ) 咬边、对接错边以及其他形状缺陷 咬边是指焊趾、焊道问或焊缝根部的沟槽状凹陷，主要由焊接参数( 焊接电 流) 选用不当所致。咬边对疲劳强度的影响很大，这主要是由于咬边多处于应力 集中较大的焊趾部位，并且处于材料表面易形成裂纹的起裂源，再加之咬边在焊 接接头中经常出现，因此受到广泛重视。 对接错边及交角是因焊接变形或装配焊件不良引起的板间轴向错位及角度 偏差。由于错边及交角会形成叠加弯曲应力和附加缺口应力，因此降低焊件的疲 劳强度会。 其它焊接形状缺陷，例如坡口未填满、焊缝超高、下榻、焊接飞边及焊瘤、 烧穿，都会造成缺1 ：3 效应，这些缺陷往往是应力集中比较大的地方，因此也会造 成焊接结构疲劳强度的降低。 1 2 2 近缝区金属性能变化的影响 对于低碳钢，近缝区金属力学性能的变化对焊接接头的疲劳性能没有什么影 响。并且在特殊情况下，如非常高的热输入下焊接，可使焊接热影响区对应力集 中的敏感性下降，其疲劳极限可高于母材。对于低合金钢，情况则比较复杂，在 多道多层焊时，其热影响区力学性能的变化比低碳钢大。但有人通过试验得出近 缝区金属性能变化，例如金相组织、化学成分和力学性能的不一致，在有应力集 中和无应力集中时对结构的疲劳强度影响都不大1 4 j 。 1 2 3 残余应力的影响 焊接时通常在焊缝及其附近形成接近屈服强度的残余拉伸应力，这是焊接接 头所独有的特征，凶此人们针对焊接残余应力对结构疲劳的影响进行了大量的试 验研究。试验时经常采用的办法是采用有焊接残余应力的试件和经过焊后热处理 消除内应力之后的试件进行试验，并进行对比。由于焊接过程中产生残余拉伸应 力的同时，焊缝及其附近材料的组织性能也会随着发生变化，热处理的作用一方 面消除了焊后的高值残余拉伸应力，但另一方面也恢复并改善了焊接引起的材料 性能的改变。因此，对于试样的试验结果就有了不同的解释，对残余应力的影响 认识和评价也就不同。 第一章绪论 1 3 提高焊接结构疲劳强度的工艺方法 由上面的分析可以看出，焊接接头的疲劳强度通常是远低于母材金属的，应 力集中是降低焊接结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接结构构造合理、焊接工 艺适当、焊接质量过关，才能保证焊接接头的疲劳强度较高，改善焊接接头的疲 劳强度。采取适当的工艺措施可以有效地提高焊接接头的疲劳强度，以下将要介 绍的工艺措施g u m e y t l 0 】做过详细的讨论，主要基于以下几点：减少或消灭焊 接缺欠，特别是消除微观空穴、微小夹杂物及微观裂纹；改善焊趾部位的几何 形状降低应力集中；调节焊接残余应力场，产生残余压缩应力场；对焊缝缺 口表面进行涂镀可防腐蚀。 ( 1 )t i g 熔修 t i g 熔修是用钨极氩弧焊方法在焊接接头的焊趾部位重熔一次，使焊缝平滑 过渡到基本金属。这种方法使得应力集中降低，同时也减少了焊趾部位的微小夹 渣物等缺陷，因而提高接头部位的疲劳强度。 ( 2 ) 机械加工 机械加工可大大降低焊缝表面的应力集中程度，焊接接头的疲劳强度也会相 应提高。但是这种方法的成本很高，因此只能适用于极其重要的和确实能加工到 的地方。并且带有缺陷的焊缝，其缺陷处的应力集中要比焊缝表面严重的多，所 以在这种情况下焊缝表面的机械加工是没有意义的。因此机械加工并没有得到广 泛的应用。 ( 3 ) 砂轮打磨 砂轮磨削是一种提高焊接接头疲劳强度的有效方法，但其效果不如机械加 工。砂轮打磨的原理与机械加工类似，打磨时要注意的是磨削方向要与受力方向 一致，否则打磨时的刻痕如果与受力方向垂直，就相当于应力集中源，疲劳裂纹 易在这些地方开裂，反而降低焊接接头的疲劳强度。 ( 4 ) 锤击法和喷丸法 锤击法是一种冷加工的加工方法，作用是在焊接接头表面造成压缩应力。本 方法是否有效取决于能否在焊缝表面产生的塑性变形；锤击还可以降低焊趾部位 存在的缺i s l 尖锐度，减少了过渡区域的应力集中，这也是该方法提高接头疲劳强 度的原因。喷丸的原理与锤击法相似，也属于冲击加工的方法。喷丸的效果与喷 丸直径尺寸有关，喷丸尺寸不应过大或过小，以使其能处理微小的缺陷的同时保 证一定的冷作硬化性能，喷丸的作用深度一般在表面上的千分之几毫米。研究结 果表明，喷丸能显著地提高高强钢接头的疲劳强度，喷丸对氩弧焊高强钢材料具 有突出的效果，其程度甚至高于t i g 熔修。同时t i g 熔修辅以喷丸锤击，则其 第一章绪论 效果更为显著。 ( 5 ) 特种焊条方法 这种方法是研n t 一种新型的焊条，它通过降低熔池中金属及熔渣的表面张 力，改善焊缝焊趾处的几何形状，降低焊趾处的应力集中程度，从而提高焊接接 头的疲劳强度。该方法与t i g 熔修有相似的优缺点，都可以改善焊趾部位的疲 劳性能，但它对焊接位置有特殊的要求，仅适合于平焊位置和平角焊，而对于横 焊、立焊和仰焊，它的优越性就降低了。 ( 6 )调整残余应力场产生压缩应力的方法 调整残余应力场产生压缩应力的方法主要包括预过载法、局部加热、挤压法 和g u m n e r t s 方法。预过载法是使得缺口处发生屈服并伴有一定的拉伸塑性变 形，缺口及其附近发生拉伸塑性变形处会产生压缩应力，而在试样其它截面部位 将有与其相平衡的低于屈服点的拉伸应力产生，在随后的疲劳试验中，其应力范 围将显著变小于原始未施加预过载的试样，因此它可以提高焊接接头的疲劳强 度；局部加热可以在应力集中处产生压缩残余应力，因而对提高接头疲劳强度是 有利的；挤压法在位于需要产生残余压缩应力的位置进行挤压，其特点与局部加 热法类似：g u r n n e r t s 方法是直接将缺口部位加热到能产生塑性变形但低于相 变温度5 5 的温度或5 5 0 。c ，然后采用急剧喷淋的方法冷却。该方法使得未受喷 淋的周围金属和表层下金属冷却较晚，待其冷却时收缩将在已冷却表面上产生压 缩应力，以此提高构件的疲劳强度。 ( 7 )超声冲击处理方法 超声冲击方法是近几年发展起来的，其机理也是在焊缝的表面引入压缩应 力。这种方法执行机构轻便，具有很好的可控性，由于机械装置简单，使用起来 灵活方便、利于操作，可大幅度提高效率，降低成本，并且节约能源，接头形式 不受限制，是一种发展前景良好的改善焊接接头疲劳性能的方法。天津大学利用 自我研制的超声波冲击试验装置，针对几种典型结构钢的焊接接头实施超声冲击 处理，然后进行了未冲击与冲击处理的对比疲劳试验，探讨了超声冲击法改善焊 接头疲劳强度的实际效果，研究结果表明经超声冲击处理后的焊接接头其疲劳强 度显著提高。 1 4 马氏体和马氏体相变及其应用 1 4 1 马氏体和马氏体相变 l8 9 5 年将高碳钢经淬火后的显微组织命名为马氏体，以后人们就以这类组 织的形态( 针叶状) 及其性质( 硬度高，具有铁磁性) 来描述马氏体，把形成这 第一章绪论 类组织的过程以及其晶体结构改变( 面心立方- 四角( 正方) ) 过程称为马氏体相 变【1 1 1 。 迄今存在马氏体组织的材料已从高、中碳钢延伸到多种材料，诸如低碳钢、 纯铁、铁基合金、非铁金属及合金、z r 0 2 陶瓷、电介质、铁电材料、半导体、 合金超导体、高t c 超导氧化物、硫化物、碳化物、金属间化合物、高压h e 及 蛋白质等【1 2 】。 徐祖耀对前人所下的马氏体相变定义和所作的分类进行了总结，将马氏体相 变定义为：替换原子经无扩散切变位移( 均匀的和不均匀的形变) 、由此产生形状 改变和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级、形核一长大型的相变【1 3 】。 马氏体相变一般具有以下基本特，怔【l l 】：无扩散型过程；表面浮突和形状 改变；惯习面及其不变特性；新旧相之间保持一定的相位关系；马氏体内 往往具有亚结构；相变的可逆性；一级相变特征；形核和长大。一般钢内 马氏体的形态是多种多样的，但就它们的特征而言，可分为两类：一类是低碳马 氏体，呈条状，亚结构为位错，称为条状或位错马氏体；一类是高碳马氏体，呈 片状( 针状、透镜状) ，亚结构为细的孪晶，称为片状或孪晶马氏体。含碳量大 约在0 4 0 旷1 0 之间为条状马氏体及片状马氏体的混合组织。 1 4 2 马氏体相变提高构件的疲劳强度 已有大量的文献论述压缩应力可以提高焊接接头的疲劳强度，然而问题是如 何在较方便的焊接接头中引入压缩应力。金属表面的热处理强化或热化学处理可 以在钢制零件上产生一层硬化表层，其中表面淬火的方法就是在零件表面产生马 氏体相变，从而提高材料的疲劳强度。利用马氏体相变焊材也可以在焊缝表面产 生残余压缩应力，进而提高焊接结构的疲劳强度。 常用的表面热处理强化方法有电感应表面淬火、火焰淬火、渗碳和氮化。他 们都可使零件表面硬化，并产生金相结构的体积变化，从而在表层中产生很高的 残余压应力。表面淬火的工艺是先将工件表面加热到钢的临界温度之上，之后进 行淬火，产生的马氏体硬表层存在有高残余压应力。钢件在加热到超过临界温度 后便奥氏体化，此时以大于临界值的冷却速度将其冷却到马氏体m s 以下，就发 生了马氏体转变。室温时，马氏体的比容最大，奥氏体的比容最小，珠光体居中。 表面淬火件利用了马氏体与奥氏体的比容之差，在零件表面产生残余压应力以提 高疲劳强度。 另一种利用马氏体相变提高构件疲劳强度的方法是使用低相变点焊材。众所 周知，由于化学成分、合金含量和冷却速度不同，钢铁材料在冷却过程中会发生 不同的组织转变或多次的组织转变，这一组织转变伴随有体积膨胀，在拘束条件 第一章绪论 下将会产生相变应力，属于压缩应力。对于焊缝金属来说，这将有利于残余拉伸 应力的降低甚至出现残余压缩应力，从而改善焊接接头的力学性能。低相变点焊 条( l o wt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew e l d i n ge l e c t r o d e ，l t t e ) 就是一种利用相变 应力在焊接接头中产生压缩应力提高焊接接头疲劳强度的新型焊接材料。 1 5 国内外研究最新动态 早在6 0 年代，前苏联焊接专家就研制出利用相变膨胀获取压缩应力的特殊 焊剩1 4 】，借此来提高焊接结构的疲劳强度，其主要是依靠碳含量和较高含量的 m n ( 2 q ) 来降低熔敷金属的转变温度。文献中的小试样疲劳试验结果表明， 低碳钢焊条堆焊的试样比未堆焊试样疲劳强度提高了4 5 ，而特殊焊条堆焊之后 疲劳强度提高了7 5 ，这说明特殊焊条可以有效的提高结构的疲劳强度。但是这 一方法并没有得到推广和发展，其原因可能是因为：大量的m n 引起焊接金属的 脆化，力学性能急剧下降，而且m n 的加入会带来很多卫生方面的问题，较高的 含碳量表明这种特殊焊条的焊接性可能较差。 日本国家金属研究所a k i h i k oo h m 1 5 】教授等人，利用c r 和n i 降低焊接材料 熔敷金属的马氏体转变开始温度，并结合超低碳钢材使得低相变点焊接材料得到 了快速的发展，他们在1 9 9 8 年国际会议上提出的一篇有关低相变点焊接材料的 报告，其主要成分为1 0 c v l 0 n i ，并利用这种焊材进行高强钢h t 5 8 0 和h t 7 8 0 焊接接头的疲劳试验，试验表明其纵向箱型焊缝焊接接头的疲劳强度提高了 1 0 0 。日本k a w a d a 工业公司研究实验室把o h m 教授等人研制出的低相变点 焊丝用于非调制钢接头【1 6 ，试验表明，对丁不同的焊接接头疲劳强度提高2 f a t 和4 f a t 。 在2 0 0 5 年布拉格举行的国际焊接协年会上，1 n o s ek o u t a r o u 1 7 , 1 s 等人利用 低相变点焊丝改善薄板焊接中的变形问题，结果表明利用低相变点焊丝可以减少 8 0 的焊接角变形，从而大大降低焊后校正的工作量。在同一届年会上c h i a k i s h i g a 等人【1 9 】对低相变点焊条的残余应力分布进行了分析，研究表明m s 点为 2 0 0 时可以有效的降低焊接残余应力。 h d a i 2 0 】等人对低相变点焊条焊接接头的残余应力分布进行了具体的测量， 其结果表明，由于相变的作用，焊缝中心由原有的残余拉伸应力变为了残余压缩 应力，文中提出需要继续研发新型低相变焊材，使其既能达到降低残余拉伸应力 的作用，又能保证足够的韧性。 天津大学王文先 2 1 - 2 4 】等人于2 0 0 2 年研制出低相变点焊条，并优化其熔敷金 属的合金成分，其相变开始温度为1 9 0 ，具有最大相变膨胀应变的合金成分为 第一章绪论 9 c r - 8 5 n i 1 m n ，并在此基础上加入t i 、v 、n b 和r e 等合金元素提高其力学性 能。王文先等人进行了大量的疲劳试验，来验证其改善焊接接头疲劳性能的效果。 试验表明对于五种焊接接头形式( 横向对接接头、非承载十字接头、纵向环绕角 焊缝接头、纵向平行角焊缝接头和侧平面角接板接头) 使用低相变点焊条的试样 疲劳强度都有所提高，提高程度1 2 - 6 0 不等，疲劳寿命提高2 5 0 倍。与此同 时还提出了低相变点焊条焊趾熔修( l t t e d r e s s i n g ) 提高焊接接头疲劳强度的方 法，采用非承载十字接头和纵向环绕角焊缝接头两种接头类型，分别对比了低相 变点焊条焊趾熔修( l t t e d r e s s i n g ) 和普通焊条焊接接头的疲劳强度，前者的疲劳 强度分别比后者提高1 9 9 和4 1 7 。 随着计算机技术和计算方法的发展，数值模拟技术已经成为现代工程学发展 的重要动力。国外早在上世纪三十年代就开始了对于焊接热过程的研究， d r o s e n t h a l 分析了移动热源在固体中的热传导。前苏联科学院的h h r y k a l i n 院 士对焊接过程的传热问题进行了系统的研刭25 | 。a d a m s 、木原博、稻埂道夫等人 建立了不同情况下的焊接传导公式【26 1 。w i l s o n 和n i c k e l l 首次把有限元法用于固 体热传导的分析计算中【2 7 】。与此同时不同的热源模型也不断提出，学者g o l d a k 、 s o n t i 、a m a t e a u 和j r o n d a 提出了不同的热源模型 2 8 - 3 0 】。焊接过程应力的研究工 作始于上个世纪三十年代，b o u l t o n 和l a n c e m a r t i n i 研究了一维焊接残余应力产 生机制【3 l 】。随后，前苏联的h o 奥凯尔布朗姆、美国t a l l 博士进行了进一步的 发展完善工作【3 2 1 ，日本的上田幸雄等人导出了分析焊接热应力所需的各表达式。 此后美国h d h i b b e r t ，e f r y b l i e k i ，y l a m u k 以及美国m i t 的k m a s u b u e h i l 等在 焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作【3 3 1 。国内对焊接温度 场、应力应变数值分析起步于上世纪七八十年代，西安交通大学、上海交通大学、 清华大学、天津大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学等众多大学的学者先后对 焊接温度场和应力场进行了分析研列3 4 。3 9 1 。随着研究的不断深入，可以说数值分 析已经成为科学研究的一个重要手段和工具，越来越广泛的被科学研究者熟悉和 应用。 1 6 本文研究的方向及内容 1 6 1 本文研究的方向 参照于以上文献综述，低相变点焊材主要是通过马氏体相变获得焊缝表面的 残余压缩应力来提高焊接结构的疲劳强度，但是以往的研究表明低相变焊接材料 的力学性能，特别是韧性往往低于基本金属，因此提高低相变点焊材的力学性能 是推广利用这种焊材必须要进行的工作。同时文献中提到的低相变点焊材主要应 第一章绪论 用于碳钢和低合金钢的焊接，并没有对不锈钢等高合金钢的应用进行研究。 不锈钢等高合金钢应用于抗腐蚀、抗高温等重要场合，其安全性尤其重要。 其中疲劳破坏是威胁不锈钢结构的重要威胁。例如在核电站小支管连接件的失效 方式主要有应力腐蚀、振动疲劳、设计和安装缺陷、热疲劳、腐蚀、冲刷腐蚀和 流动加速腐蚀等，其中疲劳断裂是最容易出现的事故，而管件的振动是主要导致 疲劳失效的方式。o p d e 在2 0 0 2 年做的调查，在2 3 9 9 个管件中有8 4 3 个是由疲 劳导致的失效。因此调高不锈钢焊接接头的疲劳性能也是尤其重要的。 本文的研究方向是研制针对3 0 4 l 不锈钢焊接接头的低相变点焊丝，并利用 低相变点焊丝焊趾熔修技术提高不锈钢焊接接头的疲劳性能，从而扩大低相变点 焊材的应用范围，为提高不锈钢焊接接头的疲劳性能提供新的方法。 1 6 2 本文研究的内容 本文针对低相变点药芯焊丝及其焊趾熔修技术改善不锈钢焊接结构疲劳强 度的方法进行了全面的研究，主要内容包括： ( 1 ) 适用于不锈钢焊趾熔修技术的低相变点药芯焊丝的研制； ( 2 ) 低相变点药芯熔敷金属冲击韧性的测试； ( 3 ) 低相变点药芯焊丝焊接接头残余应力的测试： ( 4 ) 低相变点药芯焊丝焊接过程温度场及应力场的模拟： ( 5 ) 低相变点药芯焊丝焊趾熔修技术对不锈钢焊接接头疲劳性能改善的试 验验证。 第二章低相变点药芯焊丝的设计和研制 2 1 前言 第二章低相变点药芯焊丝的设计和研制 焊材包括焊条、药芯焊丝和实心焊丝，基于下列原因，本论文以药芯焊丝为 焊接对象，相比于焊条，药芯焊丝的应用比例逐渐提高，药芯焊丝相比于焊条 能适用于自动化的生产，利于提高生产效率；本论文中低相变点药芯焊丝主要 应用于t i g 焊接，焊条并不适用；相比于实心焊丝，药芯焊丝生产简单，对 于研发阶段，可以通过改变药芯焊丝的药芯组分来优化焊丝配方成分，生产周期 短。由于所研究的焊丝的熔敷金属是在较低温度下发生马氏体相变，因此药芯焊 丝命名为低相变点药芯焊丝( l o wt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew e l d i n gw i r e ，缩 写为u 陌w ) 。 低相变点药芯焊丝的药芯配方及钢带的成分决定了焊缝金属的组织特征和 力学性能。本章主要以熔敷金属的化学成分为研究中心，以获得适当化学成分为 主要参考标准，确定了适用于不锈钢焊趾熔修处理的低相变点药芯焊丝的焊丝配 方。在此基础上，对低相变点药芯焊丝的熔敷金属或焊缝金属的硬度、冲击韧性 进行测试，进行显微组织和x 射线衍射分析，并结合设计方法研制出了低相变 点药芯焊丝。 2 2 低相变点药芯焊丝的设计原理和原则 2 2 1 设计原理 钢铁材料从高温到室温的冷却过程中，会发生体积的热收缩。同时伴有一系 列的组织转变，此组织相变伴随有体积膨胀。室温下的焊接残余应力由焊接热收 缩应力和相变应力共同决定的，对于低碳钢、中碳钢和低合金元素材料，组织转 变在较高的温度下进行，此时材料处于塑性状态，因而体积膨胀不会改变焊接残 余应力。对于高合金材料，比如奥氏体不锈钢，由于材料从高温到低温的冷却过 程中并不发生相变，所以通常选用与奥氏体不锈钢相匹配的焊接材料进行焊接 时，焊接的残余应力主要由焊接热收缩决定，最终焊缝表面得到残余拉伸应力。 但对于一定合金成分的钢铁材料，组织转变开始和结束均在较低温度，此时材料 处于弹塑性或弹性状态，因此相变体积膨胀，可减少残余拉伸应力，以致出现对 第二章低相变点药芯焊丝的设计和研制 焊缝性能有益的残余压缩应力 4 0 1 。 低相变点焊丝和普通药芯焊丝的焊缝金属冷却曲线如图2 1 所示。曲线l 和 3 是普通药芯焊丝熔敷金属的冷却膨胀曲线，从图2 1 虚线可以看出，普通低碳 钢药芯焊丝相变温度较高，普通不锈钢药芯焊丝未发生相变，两者最终在焊缝表 面得到的都是残余拉伸应力。曲线2 为能够使不锈钢焊接接头焊趾处产生压缩应 力的低相变点药芯焊丝。从图2 1 中的实线可以看出，在相变开始温度m s 点， 曲线出现转折点，此时奥氏体开始向马氏体转变，奥氏体量逐渐减少，马氏体量 逐渐增大，随着温度继续降低，马氏体相变所产生的膨胀应变越加明显。当相变 转变结束温度在室温附近时，焊缝金属不再发生热收缩，从而使得焊缝金属获得 残余压应力。 八7 删长v 删融榭虮麟缎 ；7 瓣鬻幺 图2 1 低相变点焊丝设计原理示意图 影响焊接接头疲劳性能的因素主要是应力集中和焊接残余拉伸应力，基于以 上原理我们可以利用低相变点焊接材料改善焊缝焊趾处的应力状态，将残余拉伸 应力降低，甚至在焊趾处得到残余压缩应力，从而提高整体焊接接头的疲劳性能。 2 2 2 低相变点药芯焊丝的设计原则 由以上设计原理可知，我们的设计原则如下： 1 焊缝金属的相变温度控制在低温，这样马氏体相变产生的相变膨胀可以 持续到室温，可以最大限度的降低热收缩所产生的拉伸应力； 2 焊缝金属的组织为低碳板条马氏体和残余奥氏体，这是因为焊缝金属由 第二章低相变点药芯焊丝的设计和研制 奥氏体向马氏体转变随着温度的降低持续发生，这一转变持续至室温，所以转变 并不完全，从而残留部分奥氏体。低碳板条马氏体有着良好的综合力学性能，是 我们希望得到的组织，同时残余奥氏体组织也有利于焊缝金属韧性的提高； 3 药芯焊丝的钢带和药芯配方成分都应尽量使用低碳材料，这有利于生成 低碳板条马氏体。同时要保证药芯焊丝的焊接性能良好。 2 3 低相变点药芯焊丝的研制 2 3 1 熔敷金属合金系统的选择 2 311 合金元素对m s 的影响 根据低相变点药芯焊丝的设计原理，熔敷金属合金系统的选择主要是考虑元 素对马氏体相变开始温度m s 点的影响。大部分合金元素在钢中起到降低m s 点 的作用，例如c 、m n 、c r 、n i 、v 、c u 、m o 、w 、s i 等；对m s 点影响不显著 的合金元素，例如b 等；降低m s 点的合金元素，例如c o ，a l 等。许多学者4 1 4 2 】 对合金元素的降低m s 点的作用做了研究，并得到下面的经验公式，这些数据是 通过统计的方法求得的。 l r v i n e 等人在0 1 c 1 2 c r 成分基础上得出的合金元素降低m s 能力的结果 如下1 4 l j ： m s ( o c ) = 一4 7 4 c 一3 3 m n 一1 7 n i 一1 7 c r 一2 l m o l l w 一11 s i( 2 - 1 ) p i c k e r i n g 给出的合金元素在1 7 c r - 4 n i 成分基础上压低m s 点作用如下 所剥1 j ： m s ( o c ) = 一4 5 0 c 一4 5 0 n 一2 0 n i + l o c o 一3 5 c u 一3 0 m n 一3 6 w 一5 0 s i ，价 - - 4 5 m o - - 2 0 c r - - 4 6 v - - 5 3 a l 毕。二， 此外其他学者还在不同的成分基础上得到了下列的经验公式 1 1 , 4 2 ： m s ( 。c ) = 5 6 1 4 7 4 c 一3 3 m n l7 n i l7 c r - - 2 1 m o( 2 - 3 ) m s ( o c ) = 5 3 9 4 2 3 c 一3 0 4 m n 一1 7 7 n i 1 2 1 c r 一7 5 m o( 2 - 4 ) m s ( oc ) = 5 2 0 一3 2 0 c 一5 0 m n 一3 0 c r 一2 0 ( n i + m o ) 一5 ( c u + s i ) ( 2 - 5 ) 由此可见不同的学者对于每个合金元素对m s 点的影响作用观点并不一致，这是 由于钢材的化学成分范围不同，同一合金元素在其中的作用也就不同，合金元素 之间的交互作用也影响了对m s 点的作用【1 1 】，例如如果考虑到合金元素之间的交 互作用，公式( 2 - 4 ) 就应该改为： m s ( 。c 卜5l2 4 5 3 c 一16 9 n i + 15 c r 一9 5 m o + 2 17 ( c ) 2 ( 2 - 6 ) 一715 ( c ) ( m n ) 一6 7 6 ( c ) ( c r ) 并且也没有考虑到m s 点随碳含量降低，呈指数下降这一事实，因此由计算得出 第二章低相变点药芯焊丝的设计和研制 的和实际测量的不同合金系统m s 值往往有很大的差异。但是合金元素对m s 点 影响还是可以看出明显的规律，可以通过这些公式对新型钢的m s 点进行预测和 分析。从公式中可以总结出，合金元素对m s 点降低影响大小的顺序是：c 、m n 、 c r 、n i 、m o 、s i 。 2 3 1 2 熔敷金属合金系的确定 由以上分析可知，合金元素对钢的作用不仅与热处理状态和组织状态有很大 的关系，还与其它合金元素的含量多少，存在方式有交互的作用。并且不同合金 元素之间的交互作用是极其复杂的。 低相变药芯焊丝熔敷金属合金系的选择标准是尽量降低m s 点的元素，选择 合金元素应该避免提高m s 点和合金元素，