奥氏体不锈钢管窄间隙焊缝疲劳裂纹扩展研究*

0 前 言

由于焊缝熔池中极易产生夹杂物和气孔等缺陷， 焊缝相比于母材更易发生疲劳裂纹扩展， 因此， 提高焊接接头的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展能力一直是提高管道服役寿命的关键。 通常， 疲劳裂纹扩展试验主要用于母材的检测， 对于不同参数下的疲劳裂纹扩展速率在很多文献中都有报道， 从早期对碳钢钢管和不锈钢管电弧焊和气保焊的焊缝研究来看， 相比于母材， 电弧焊焊缝的疲劳裂纹扩展速率更高。 因此， 窄间隙自动热丝气保焊技术被广泛应用于管道焊接。 这种焊接工艺的优势在于填充焊缝缺口时， 焊丝被提前预热， 这种温度变化并不影响热影响区。 除此之外，窄间隙焊缝也会降低焊接形变量和残余应力。

本研究对管道采用窄间隙热丝气保焊进行焊接， 对其疲劳裂纹扩展现象进行分析， 并将窄间隙热丝气保焊焊缝不同位置处的疲劳裂纹扩展现象进行了对比， 也对比了窄间隙热丝气保焊焊缝和传统电弧焊焊缝的疲劳裂纹扩展性能。

1 试验过程

1.1 试验材料

试验所用的管道材料为SA312 奥氏体不锈钢，型号为304LN， 管体外径324 mm， 壁厚25 mm，管体处于退火状态， 定义其为300NB。 根据ASME 《锅炉压力容器规范》 第四章的要求进行管道焊接， 然后分别在钢管对接焊缝及母材处制取拉伸试样。 窄间隙热丝气保焊焊接技术遵循300NB 管道的焊接规范， 依照标准要求， 选用ER308L 焊丝作为304L 不锈钢的填充焊丝， 焊接材料及焊接参数见表1， 管体和焊缝化学成分见表2。

紧凑拉伸试验分别在母材及焊缝熔合线处取样， 试样尺寸和取样位置如图1 所示。 材料的拉伸性能见表3， 由表3 可知， 母材的屈服强度及最终拉伸强度均小于焊缝熔合线的抗拉强度， 这说明焊缝处的抗拉强度更高， 且不易发生断裂。之所以会出现这种现象， 可能与焊缝处的枝晶组织与铁素体组织有关， 由于存在枝晶组织， 在拉伸过程中， 裂纹的扩展具有一定的方向性， 且裂纹并未沿枝晶取向薄弱的方向扩展， 从而进一步增强了其抗拉强度； 此外， 铁素体的存在对于拉伸断裂过程中的裂纹扩展具有一定的延迟作用，从而提高了其抗拉强度， 且铁素体组织具有良好的塑性和韧性， 进而提高了焊缝处的屈服强度。

1.2 微观组织观察

热丝气保焊焊缝母材和熔合线处的显微组织形貌如图2 所示。 由图2 可以看出， 母材主要以奥氏体组织为主， 焊缝熔合线存在大量的铁素体组织， 这主要是由于在焊接过程中， 热输入较大，在冷却过程中奥氏体会向铁素体发生了转变。

刻蚀紧凑拉伸试样如图3 所示。 本试验在常温常压下进行， 采用应力场强度因子幅度ΔK 进行研究计算。 ΔK 增加， 表示裂纹驱动力增加； ΔK减小， 则表示裂纹驱动力降低。 负载率R 等于最大应力场强度因子除以最小应力场强度因子， 在试验过程中R 保持在0.1， 采用裂纹张开位移方法对裂纹扩展情况进行测量， 测试结果见表4。

1.3 疲劳裂纹扩展试验

在焊缝处制取试样进行疲劳裂纹扩展试验，在紧凑拉伸试验过程中， 在焊缝中心线的不同位置分别预置了缺口， 包括热影响区和母材区域。试样的制备和测试都严格按照ASME E467 标准要求进行。

（3）水体总悬浮物浓度垂直剖面变化受水位变化、水体流速和流态的改变、采砂活动等湖区自然条件和人类活动影响，也受到五河来水的浑浊程度影响，使得沿程纵向变化明显，存在显著的层化现象。高浑浊水体悬浮物浓度随深度变化的斜率比中低浓度的小，主要原因可能是高浑浊水体的粒径较大，沉降速度较快，导致其沿深度方向的悬浮物浓度迅速增大。

2 结果与讨论

根据Paris 公式， 相比于母材和热影响区，焊缝处的抗疲劳强度更高， 所得结果与前期奥氏体不锈钢全尺寸管件焊缝和热影响区处的疲劳裂纹扩展研究结果相一致。

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窄间隙热丝气保焊焊缝处不同位置的疲劳裂纹扩展速率与裂纹应力场强度因子的比值曲线如图4 所示。 按照Paris 公式， 根据设定的ΔK 计算得到的热影响区的疲劳裂纹扩展速率要明显高于母材和焊缝位置。

图5 为窄间隙热丝气保焊和手工电弧焊焊缝疲劳裂纹扩展情况对比， 根据图5 可知， 相比窄间隙热丝气保焊， 手工电弧焊焊缝处的疲劳裂纹扩展速率更高。 相关研究表明， 窄间隙热丝气保焊焊缝具有更高的抗疲劳强度。

当ΔK 更低时， 微观组织是影响疲劳裂纹扩展的主要因素， 同时在断裂面无法形成连续的断裂条纹， 因此， 相比较热影响区和母材， 由于疲劳裂纹扩展速率与裂纹应力场强度因子的曲线斜率与疲劳裂纹扩展门槛值ΔK

成正比， 因此，焊缝处的疲劳裂纹扩展门槛值ΔK

更高， 三者的ΔK

如图4 所示。

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3 结 论

（1） 通过在室温下测定窄间隙热丝气保焊焊缝处的疲劳裂纹扩展速率发现， 相比于母材和焊缝金属， 热影响区处的疲劳裂纹扩展速率更高，然而， 对于焊缝处的枝晶取向及裂纹扩展路径，还有待进一步研究。 焊缝中心线处的疲劳裂纹扩展门槛值ΔK

比母材和热影响区更高。

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（2） 相比具有常规V 形缺口的手工电弧焊，窄间隙热丝气保焊焊缝金属具有更高的抗疲劳裂纹扩展性能。