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热处理加超声冲击复合处理对Q345B钢焊接接头疲劳性能的影响

王东坡, 胡典均, 邓彩艳, 吴世品, 高志伟

王东坡, 胡典均, 邓彩艳, 吴世品, 高志伟. 热处理加超声冲击复合处理对Q345B钢焊接接头疲劳性能的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 6-11. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191106003
引用本文: 王东坡, 胡典均, 邓彩艳, 吴世品, 高志伟. 热处理加超声冲击复合处理对Q345B钢焊接接头疲劳性能的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 6-11. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191106003
WANG Dongpo, HU Dianjun, DENG Caiyan, WU Shipin, GAO Zhiwei. Effect of heat treatment combined with ultrasonic impact on fatigue property of Q345B steel welded joint[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 6-11. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191106003
Citation: WANG Dongpo, HU Dianjun, DENG Caiyan, WU Shipin, GAO Zhiwei. Effect of heat treatment combined with ultrasonic impact on fatigue property of Q345B steel welded joint[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 6-11. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191106003

热处理加超声冲击复合处理对Q345B钢焊接接头疲劳性能的影响

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51875402)
详细信息
    作者简介:

    王东坡,1972年出生,博士,教授,博士研究生导师;主要从事焊接结构断裂韧性和疲劳寿命方面的研究工作;发表论文100余篇;Email:wangdp@tju.edu.cn.

    通讯作者:

    邓彩艳,教授;Email:dengcy@tju.edu.cn.

  • 中图分类号: TG 405

Effect of heat treatment combined with ultrasonic impact on fatigue property of Q345B steel welded joint

  • 摘要: 通过对比分析直接超声冲击、普通热处理加超声冲击及真空热处理加超声冲击对Q345B钢焊接接头疲劳寿命的影响,探讨了热处理加超声冲击复合处理对焊接接头疲劳性能的作用机制. 结果表明,普通热处理加超声冲击相较于直接超声冲击,焊接接头的焊接残余应力虽然有所消除,但由于材料软化使冲击产生的压应力降低及表面氧化使形成叠型缺陷的风险提高,疲劳性能有所降低,且随热处理保温时间延长,疲劳性能降低得越明显;真空热处理加超声冲击焊接接头虽然也存在材料软化,但由于不发生表面氧化加上残余拉应力消除,相较于直接超声冲击焊接接头的疲劳寿命有所提高,且疲劳破坏位置由焊趾转移到母材或焊根.
    Abstract: Through comparative analysis the effect of direct ultrasonic impact, the conventional heat treatment plus ultrasonic impact and vacuum heat treatment plus ultrasonic impact on fatigue life of Q345B steel welded joint were studied, and the mechanism of heat treatment combined with ultrasonic impact on the fatigue property of welded joint was discussed. The results show that conventional heat treatment plus ultrasonic impact compared with ultrasonic impact directly, while the welding residual stress of welded joint is eliminated to some extent, but as a result of material softening lower the impact of compressive stress and surface oxidation raise the risk of forming fold defects, the fatigue performance is reduced, and with the extension of heat preservation time, the fatigue performance decreases more obviously. Although the materials were softened by vacuum heat treatment plus ultrasonic impact, the fatigue life of welded joint was improved compared with that by direct ultrasonic impact without surface oxidation plus residual tensile stress elimination, and the fatigue damage position was transferred from the welding toe to the base material or the welding root.
  • 超声冲击是目前国际上常用的焊接结构疲劳延寿技术之一,因具有执行机构灵巧、使用灵活方便、效率高、噪音小、成本低、适用性强等优点[1-2],广泛应用于实际工程结构中. 超声冲击既能够通过冲击头的摆动实现焊趾处平缓过渡,同时还能够通过表面硬化产生有利的残余压应力[3]. 残余压应力可以增加疲劳裂纹扩展门槛值延迟裂纹起裂[4],并降低裂纹扩展速率[5],从而提高焊接接头的疲劳寿命.

    大量的研究表明超声冲击在提高焊接接头疲劳强度方面效果显著[6-7]. 然而实际服役的焊接结构由于尺寸大、结构复杂往往存在较高的焊接残余拉应力,焊接残余拉应力的存在将削弱超声冲击改善焊接结构疲劳性能的效果,而且直接影响超声冲击处理技术应用于实际焊接结构时的工艺制定. 张海等人[8]的研究表明,与直接超声冲击处理相比,通过过载拉伸消除残余拉应力后再进行超声冲击处理,可以显著降低疲劳加载过程中的残余压应力,进而大幅提高疲劳寿命. 目前广泛采用热处理消除焊接残余拉应力. 然而,关于热处理加超声冲击复合处理对焊接接头疲劳性能影响的研究鲜有报道.

    热处理虽然可以降低或消除焊接残余拉应力,但是热处理也会引起材料软化、表面氧化、脱碳等问题. 蒋文春等人[9]研究表明,Q345钢经过焊后热处理,残余应力降低60%,同时出现了表面氧化、脱碳现象. 热处理后,焊接接头表面氧化、脱碳和材料软化同样会影响超声冲击改善焊接接头疲劳寿命的效果. 因此,文中对比分析直接超声冲击处理、不同保温时间普通热处理加超声冲击复合处理、真空热处理加超声冲击复合处理对Q345B钢焊接接头疲劳寿命的影响,探讨了热处理加超声冲击复合处理对焊接接头疲劳性能的作用机制.

    为了使焊接接头保留一定的焊接残余应力,疲劳试件采用非承载纵向角接接头,疲劳试件尺寸如图1所示. 试验材料为Q345B钢,板厚为8 mm,焊接方法为药芯焊丝CO2气体保护焊. 选用TME711 焊丝,直径为1.2 mm,母材和焊接材料的力学性能如表1所示. 为了减小焊接变形,非承载纵向角接接头采用上下对称焊接,角焊缝为单道焊缝,焊接参数如表2所示.

    图  1  疲劳试件尺寸(mm)
    Figure  1.  Fatigue specimen size
    表  1  Q345B 钢和TME711焊丝的力学性能
    Table  1.  Mechanical properties of Q345B steel and TME711 welding wire
    材料屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)
    Q345B40955026.5
    TME71148056031.0
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    表  2  焊接参数
    Table  2.  Welding parameters
    电弧电压
    U/V
    焊接电流
    I/A
    焊接速度
    v/(mm·s−1)
    气体流量
    Q/(L·min−1)
    23.5180520
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    疲劳试件焊接后,根据AWS D1.1-D1.1M-2015 Structural Welding Code-Steel中规定的消应力退火热处理工艺消除焊接残余应力. 热处理分为3组:普通热处理保温2 h、普通热处理保温4 h、真空热处理保温2 h,其中保温2 h的热处理工艺曲线如图2所示(热处理保温4 h仅在保温时间延长2 h,其它参数不变). 热处理后,采用天津大学自行研制的超声冲击设备对试件焊趾部位进行超声冲击处理. 超声冲击处理参数为:振幅36 μm,频率17.9 kHz,冲击速度40 mm/min,单根冲击针直径3 mm. 疲劳试验在GPS300型疲劳试验机上进行,应力比R = 0.1. 疲劳试件共分4组:A组为超声冲击态、B组为普通热处理2 h加超声冲击态、C组为普通热处理4 h加超声冲击态、D组为真空热处理2 h加超声冲击态. 当试件的循环次数达到1 × 107周次,即停止疲劳试验,认为试件达到疲劳极限,不再发生断裂.

    图  2  焊后热处理工艺曲线
    Figure  2.  Process curve of post-weld heat treatment

    采用显微硬度计测试焊趾断面沿厚度方向的硬度,从焊趾近表面开始至心部每隔0.125 mm测试一个点,加载载荷为1 N,保载时间为15 s. 采用MTS型万能试验机测试各组试件的拉伸性能,拉伸试样为ϕ5 mm × 35 mm圆棒试样,拉伸速度为2 mm/min. 为了分析各组试件经超声冲击后残余应力的变化规律, 采用PROTO-IXRD-MG40型残余应力测试仪测试距焊趾2 ~ 3 mm处的残余应力. 同时,为了分析普通热处理和真空热处理后表面形貌的变化,采用Olympus GX51型光学显微镜及JEOL7800F型扫描电子显微镜(SEM)观察超声冲击态、普通热处理2 h加超声冲击态、普通热处理4 h加超声冲击冲击态和真空热处理2 h加超声冲击态试件焊趾断面的微观组织形貌,腐蚀液为为4%(体积分数)的硝酸酒精溶液.

    按照IIW document XIII-2151r1-07/XV-1254r1- 07Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components中钢结构循环加载疲劳设计规范的统计方法对疲劳数据进行拟合,得到4组试件的S-N曲线如图3所示,并计算平均疲劳强度(50%存活率,循环2 × 106周次失效对应的应力范围),拟合及计算结果如表3所示.

    图  3  S-N曲线
    Figure  3.  S-N curves
    表  3  S-N曲线统计参数
    Table  3.  S-N curves statistical parameters
    试件
    类型
    平均疲劳
    强度R/MPa
    S-N曲线
    斜率m
    特征值
    Ck
    标准差
    σ
    A24638.012.01 × 10960.316 78
    B23925.267.48 × 10650.187 57
    C23024.611.11 × 10640.134 08
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    图3表3可以看出,超声冲击态试件的平均疲劳强度246 MPa,相对于直接超声冲击试件的疲劳强度,普通热处理2 h加超声冲击态试件的平均疲劳强度降低2.8%,普通热处理4 h加超声冲击态试件的疲劳强度降低6.5%,而真空热处理2 h加超声冲击态试件的疲劳寿命高于其它3组,在应力范围为260 MPa下,接头的疲劳寿命相较于直接超声冲击态提高了59.4%,相较于普通热处理2 h加超声冲击态提高了141.7%. 疲劳试验结果表明,与直接超声冲击相比,普通热处理加超声冲击复合处理试件的疲劳性能有所降低,且随热处理保温时间延长,疲劳性能降低越明显;而真空热处理加超声冲击复合处理有利于进一步提高疲劳性能. 此外,直接超声冲击处理和普通热处理加超声冲击复合处理后试件的起裂位置均在焊趾处;而真空热处理加超声冲击态试件,只有两个试样起裂位置位于焊趾处,且均为高应力区,其余均为非焊趾起裂,起裂位置为母材或焊根,如图4所示. 由此可知,真空热处理加超声冲击态试件相较于直接超声冲击态试件,不仅疲劳寿命有所提高,而且疲劳起裂位置由焊趾向母材或焊根转移.

    图  4  非焊趾起裂
    Figure  4.  Non welded toe crack. (a) parent metal crack ;(b) welding crack

    图5为不同热处理方式下试样的硬度和拉伸试验结果. 图5a为不同处理方式下试样的硬度变化曲线. 由于超声冲击处理的硬化作用,不同处理方式试样焊趾处的表层硬度均明显高于心部,但由于热处理的软化效果,热处理加超声冲击态试件焊趾表层硬度低于直接超声冲击态试件. 直接超声冲击态试件的表层维氏硬度为278 HV,普通热处理 2 h加超声冲击态试件相较于直接超声冲击态试件下降了8.3%,真空热处理2 h加超声态试件相较于直接超声冲击态试件降低了10.4%,普通热处理 4 h加超声冲击态试件相较于直接超声冲击态试件下降了16.3%. 由此可知,经过热处理导致超声冲击产生的硬化层硬度下降. 图5b为不同热处理方式下试样的拉伸试验结果. 直接超声冲击态试件屈服强度为409 MPa,抗拉强度为550 MPa,普通热处理2 h加超声冲击态试件屈服强度和抗拉强度相较于直接超声冲击态试件分别下降了11.2%和5.5%, 真空热处理2 h加超声冲击态试件相较于直接超声冲击态试件分别下降了15.4%和9.1%,而普通热处理4 h加超声冲击态试样母材金属屈服强度和抗拉强度最低,相较于直接超声冲击态试件分别下降了18.3%和11.1%. 热处理会导致材料的强度降低,其中屈服强度的下降更为明显,且随热处理保温时间的延长,屈服强度下降的越多.

    图  5  硬度和拉伸试验结果
    Figure  5.  Hardness and tensile test results.(a) hardness; (b) tensile property

    图6为残余应力测试结果. 经超声冲击后,焊趾位置均为残余压应力. 直接超声冲击处理后焊趾处的残余压应力为316 MPa,普通热处理2 h加超声冲击态试件为281 MPa,真空热处理2 h加超声冲击态试件为256 MPa,普通热处理4 h加超声冲击态试件为188 MPa.残余应力测试结果表明,热处理加超声冲击复合处理产生的残余压应力相较于直接超声冲击处理有所降低,且热处理保温时间越长,残余压应力降低越明显. 其中普通热处理2 h加超声冲击和真空热处理2 h加超声冲击产生的残余压应力较为接近. 超声冲击处理使材料发生塑性变形,产生的残余压应力可达到材料的屈服强度. 从拉伸试验结果可知,普通热处理和真空热处理后材料的屈服强度均降低,进而导致超声冲击处理产生的残余压应力随之降低.

    图  6  残余应力
    Figure  6.  Residual stress

    图7为直接超声冲击态、普通热处理2 h加超声冲击态和真空热处理2 h加超声冲击态母材区的微观组织形貌. 从图7a图7b可以看出,焊态母材表面有一层铁锈,但整体较为平滑. 而普通热处理2 h加超声冲击态的母材表面如图7c图7d所示,表面的铁锈发生脱落,表面氧化层厚度增加,约为8 μm,且由于表面氧化导致表面的凹坑和不平整度加剧,表面质量整体降低. 真空热处理加超声冲击态试件母材表面的铁锈也发生脱落,但由于不发生表面氧化,所以表面的凹坑和不平整度没有加剧,表面质量较好.

    图  7  微观组织形貌
    Figure  7.  Microstructure morphology. (a) ultrasonic impact state metallography; (b) SEM micrograph of ultrasonic impact state; (c) conventional heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state metallographic; (d) SEM micrograph of conventional heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state; (e) vacuum heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state metallographic; (f) SEM micrograph of vacuum heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state

    图8为不同热处理后加超声冲击处理复合处理后焊趾表面缺陷的SEM形貌. 从图8可以看出,4组试件经过冲击后,在焊趾近表面附近均形成叠型缺陷;与普通热处理加超声冲击态相比,直接超声冲击态和真空热处理加超声冲击态生成的叠型缺陷明显减小. 直接超声冲击形成的缺陷近似一条直线,长度与深度分别为46和6 μm. 普通热处理2 h加超声冲击形成的缺陷是圆弧状的曲线,长度和深度分别达到98和10 μm;普通热处理4 h加超声冲击形成的缺陷也是圆弧状的曲线,长度达到190 μm,深度达到35 μm. 而真空热处理2 h加超声冲击形成的缺陷相对于普通热处理明显减小,长度和深度仅为80和8 μm.

    图  8  焊趾断面SEM形貌
    Figure  8.  SEM morphology of cross-section of weld toe. (a) uultrasonic impact state; (b) conventional heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state; (c) conventional heat treatment 4 h plus ultrasonic impact state; (d) vacuum heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state

    对于含焊接残余拉应力试件,超声冲击形成的残余压应力释放机理:外加拉应力、焊接残余拉应力与超声冲击形成的平衡拉应力之和超过材料的屈服强度,试件厚度方向发生较大范围屈服,残余应力重新分布[8]. 由于超声冲击形成的压应力主要在厚度方向较小范围实现平衡,在疲劳加载过程中将优先释放. 因此,疲劳试件厚度方向存在的残余拉应力越大,超声冲击产生的残余压应力越容易发生释放. 张海等人[8]通过过载拉伸消应力再超声冲击的方法显著降低了疲劳加载过程中残余压应力的释放量,疲劳寿命相较于直接超声冲击处理大幅提高. 通过普通热处理加超声冲击复合处理并没有进一步提高疲劳寿命,反而比直接超声冲击处理后的疲劳寿命有所下降. 但经过真空热处理加超声冲击复合处理的接头疲劳寿命比直接超声冲击处理提高59%(应力范围小于260 MPa).

    普通热处理加超声冲击处理后的硬化层硬度、屈服强度及超声冲击产生的残余压应力,与直接超声冲击态相比均有所下将. 由于超声冲击产生的残余压应力与材料的屈服强度密切相关,热处理后材料发生软化,屈服强度降低,导致超声冲击产生的残余压应力有所下降,进而会削弱超声冲击改善疲劳寿命的效果. 普通热处理使得材料表面发生氧化,表面的凹坑增多和不平整度加剧,表面质量降低. Feng等人[10]研究发现,超声冲击过程中,原始表面形貌为了匹配冲击针压痕,通过自我调节粗糙度会形成叠型缺陷. 叠型缺陷与试件原始表面质量有关,表面质量越差,越易形成缺陷,且缺陷的长度和深度随表面质量的降低而增大. 结合图7图8 可知,普通热处理后,试件表面出现的氧化,凹坑和不平整度加剧极大地增加了叠型缺陷产生的风险,进而导致疲劳寿命的降低. 因此,普通热处理加超声冲击处理虽然也能消除焊接残余拉应力,有利于疲劳寿命的提高,但是由于材料软化和表面质量降低均会导致疲劳寿命降低. 三者综合的结果,最终导致焊接接头的疲劳寿命比直接超声冲击的疲劳寿命短.

    尽管真空热处理加超声冲击态也存在材料软化的现象,但由于表面未发生表面氧化、表面质量降低现象,使得叠型缺陷的尺寸降低;另外焊接残余拉应力的消除使疲劳加载过程中超声冲击产生的压应力不易释放,最终疲劳寿命比直接超声冲击有所提高,且疲劳破坏位置由焊趾转移到母材或焊根.

    (1) 与直接超声冲击处理相比,普通热处理加超声冲击复合处理的焊接接头疲劳性能有所降低,且随热处理保温时间的延长,疲劳性能下降越明显; 真空热处理加超声冲击处理比直接超声冲击处理的疲劳性能有所提高,应力范围为260 MPa的疲劳寿命提高了59.4%,且疲劳破坏位置由焊趾转移到母材或焊根.

    (2) 由于热处理的软化效果,试件冲击硬化层硬度和屈服强度降低,超声冲击产生的残余压应力降低;同时由于表面氧化和表面不平整度的加剧,增加了叠型缺陷产生的可能性, 从而导致普通热处理加超声冲击复合处理后焊接接头的疲劳性能低于直接超声冲击处理后焊接接头的疲劳性能.

    (3) 尽管真空热处理加超声冲击复合处理存在软化现象,但由于焊接残余拉应力的消除及材料表面不发生氧化现象,因此相较于直接超声冲击处理疲劳寿命有所提高.

  • 图  1   疲劳试件尺寸(mm)

    Figure  1.   Fatigue specimen size

    图  2   焊后热处理工艺曲线

    Figure  2.   Process curve of post-weld heat treatment

    图  3   S-N曲线

    Figure  3.   S-N curves

    图  4   非焊趾起裂

    Figure  4.   Non welded toe crack. (a) parent metal crack ;(b) welding crack

    图  5   硬度和拉伸试验结果

    Figure  5.   Hardness and tensile test results.(a) hardness; (b) tensile property

    图  6   残余应力

    Figure  6.   Residual stress

    图  7   微观组织形貌

    Figure  7.   Microstructure morphology. (a) ultrasonic impact state metallography; (b) SEM micrograph of ultrasonic impact state; (c) conventional heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state metallographic; (d) SEM micrograph of conventional heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state; (e) vacuum heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state metallographic; (f) SEM micrograph of vacuum heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state

    图  8   焊趾断面SEM形貌

    Figure  8.   SEM morphology of cross-section of weld toe. (a) uultrasonic impact state; (b) conventional heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state; (c) conventional heat treatment 4 h plus ultrasonic impact state; (d) vacuum heat treatment 2 h plus ultrasonic impact state

    表  1   Q345B 钢和TME711焊丝的力学性能

    Table  1   Mechanical properties of Q345B steel and TME711 welding wire

    材料屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)
    Q345B40955026.5
    TME71148056031.0
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    表  2   焊接参数

    Table  2   Welding parameters

    电弧电压
    U/V
    焊接电流
    I/A
    焊接速度
    v/(mm·s−1)
    气体流量
    Q/(L·min−1)
    23.5180520
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    表  3   S-N曲线统计参数

    Table  3   S-N curves statistical parameters

    试件
    类型
    平均疲劳
    强度R/MPa
    S-N曲线
    斜率m
    特征值
    Ck
    标准差
    σ
    A24638.012.01 × 10960.316 78
    B23925.267.48 × 10650.187 57
    C23024.611.11 × 10640.134 08
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  • 期刊类型引用(2)

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    其他类型引用(5)

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-05
  • 网络出版日期:  2020-07-26
  • 刊出日期:  2020-07-26

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