工程机械用钢Q345FCA对接焊缝的高周疲劳性能

李 明 弓 硕

（1.南京钢铁股份有限公司，江苏南京 210035；2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083）

工程机械广泛应用于建筑、矿山、港口、农田、水利、道路和国防等领域，对国民经济和社会生产力的发展具有重要意义[1-3]。挖掘机、装载机、推土机等大型工程机械的使用环境恶劣，负荷重且复杂，经常受到冲击与碰撞。从工程机械整体的安全性、稳定性、经济性等方面考虑，当前工程机械用钢板的抗拉强度仍以400～500 MPa级别为主，这是由于屈服强度235～355 MPa级别的钢板具有优良的成形性、焊接性，焊前无需预热，热输入大，焊后也无需热处理，焊接接头具有良好的塑性和冲击韧性。在实际工程中，80% 以上的机械设备失效是由疲劳引起的。疲劳破坏预见性较低，突然发生设备失效极易造成较大安全事故，因此对工程机械用钢板疲劳性能的研究非常必要。

在工程机械制造中，焊接是最主要的制造工艺[4-5]。对接焊缝常见于装载机、挖掘机等动臂结构件中，焊接质量对机械结构的疲劳使用寿命有一定影响。目前对钢材疲劳寿命的研究多集中于桥梁、压力容器、化工、交通等领域[6-10]，且多为对钢材本体的研究，关于钢材焊接接头高周疲劳性能的研究较少。因此本文以工程机械用钢Q345FCA为研究对象，对其对接焊缝结构的高周疲劳寿命进行评估，研究焊接疲劳裂纹萌生的微观机制。

1 试验材料与方法

试验材料为18 mm厚的热轧态Q345FCA钢板，其生产工艺为铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→真空处理→连铸→板坯加热→轧制→冷床冷却。试验钢的化学成分和力学性能分别如表1和表2[11]所示，母材疲劳强度为273 MPa[3]。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the tested steel（mass fraction） %

表2 试验钢的力学性能[11]Table 2 Mechanical properties of the tested steel[11]

焊接试板尺寸为500 mm×200 mm×18 mm，其长度方向平行于钢板轧制方向，沿试板长度方向开V型坡口，如图1所示。气保焊（gas metal arc welding，GMAW）采用大西洋牌φ1.2 mm的CHW-50C6焊丝，保护气体为CO2，气体流量为15～20 mL/min。熔敷金属的化学成分和焊接参数分别如表3和表4所示。

图1 焊接坡口示意图Fig.1 Schematic diagram of welding groove

表3 CHW-50C6熔敷金属的化学成分（质量分数）Table 3 Chemical composition of CHW-50C6 deposited metal（mass fraction） %

表4 焊接参数Table 4 Welding parameters

垂直于焊缝方向取样，经打磨、抛光后，采用体积分数为4% 的硝酸酒精溶液侵蚀，然后在光学显微镜下观察显微组织。

焊接试样的拉伸试验、冲击试验、弯曲试验、硬度试验分别在BPC-F1600EN型材料试验机、RKP450型摆锤冲击试验机、YJW-50型弯曲试验机、KB30S型维氏硬度计上进行。

根据GB/T 4337—2015《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》进行疲劳试验，试样表面光洁，尺寸如图2所示。采用QBWP-6000J型简支梁旋转弯曲疲劳试验机，在室温下进行旋转弯曲疲劳试验，转速为4 200 r/min，试验结束的判断依据为试样断裂或经历107次循环后未破坏。先通过升降法得到在给定疲劳寿命（循环周次为107）下对疲劳强度的统计估计，然后通过成组法对高应力条件下疲劳寿命的统计估计，确定有限疲劳寿命范围的S-N曲线的斜线部分；最后，结合两部分的试验数据拟合出完整的S-N曲线。试样断裂后，从断口部位取样，然后在扫描电子显微镜下观察疲劳源位置，分析疲劳断裂原因。

图2 旋转弯曲疲劳试样尺寸Fig.2 Dimension of the rotating bending fatigue specimen

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

Q345FCA钢焊接接头和母材的微观组织如图3所示。可以看到焊缝区原奥晶界分布着少量块状铁素体，原奥氏体晶内析出了细小无序的针状铁素体。通常混晶区性能不均匀，但试验钢混晶区的晶粒并未异常长大。母材组织为铁素体和珠光体，呈带状。

图3 Q345FCA钢对焊接头和母材的微观组织Fig.3 Microstructures of the butt-welded joint and the base metal for Q345FCA steel

2.2 力学性能

Q345FCA钢对焊接头的力学性能和硬度分别如表5和表6所示。结合焊缝区显微组织，从表4可以看出，Q345FCA钢焊接接头的抗拉强度（530 MPa）高于母材（488 MPa），焊缝和热影响区的硬度也高于母材，说明焊接提高了结构的强度和硬度。这是由于焊缝区针状铁素体的强度和硬度均高于母材（铁素体＋珠光体）。此外，热影响区没有出现过多异常组织，混晶区范围较窄，对性能的影响较小，所以焊接接头的力学性能整体优于母材。

表5 Q345FCA钢对焊接头的力学性能Table 5 Mechanical properties of the butt-welded joint of Q345FCA steel

表6 Q345FCA钢对焊接头的硬度Table 6 Hardness of the butt-welded joint of Q345FCA steel HV10

2.3 高周疲劳性能

根据试验钢高周疲劳强度（273 MPa）[3]的3%～5% 估算应力台阶，取值10 MPa。通过升降法和成组法得到试验钢的疲劳寿命数据如表7所示，高周疲劳试验升降图如图4所示。

表7 对接焊缝的疲劳数据Table 7 Fatigue data of the butt welds 周次

图4 高周疲劳试验升降图Fig.4 Staircase chart for high cycle fatigue test

使用文献[12]推荐的50% 概率的平均法对升降法试验数据进行处理。50% 概率的平均法按下述方法估算参数：

式中：n为升降法试验数据对子数；SLi为各对子应力的平均值。根据统计学观点，疲劳极限定义为指定循环基数N下的中值（50% 存活率）疲劳强度。

计算得出对接焊缝的疲劳强度为260 MPa，较母材降低了13 MPa。对焊接头的力学性能优于母材，但疲劳强度却低于母材。一般碳钢和合金钢的疲劳强度约为抗拉强度的一半，疲劳强度随抗拉强度的提高而提高。本文Q345FCA钢对焊接头的抗拉强度高于母材，但疲劳强度却未随着抗拉强度的提高而提高。说明在焊接过程中，提高力学性能对疲劳强度的提升作用有限。

按照国标推荐的估计方法对成组法数据进行处理：

表8 Q345FCA钢对焊接头的S-N曲线参数Table 8 Parameters of S-N curve of the butt-weld joint of Q345FCA steel

图5 Q345FCA钢对焊接头的S-N曲线Fig.5 S-N curve of the butt-weld joint of Q345FCA steel

从图5可以看出，Q345FCA钢对焊接头在不同循环应力下的疲劳寿命较为分散。当循环次数小于107时，S-N曲线为一条直线，没有出现传统的水平段。与之前研究的[3]母材的S-N曲线对比可以发现：当应力高于母材疲劳强度时，对焊接头的疲劳寿命高于母材，应力低于母材疲劳强度时，对焊接头的疲劳寿命低于母材。

2.4 疲劳断口形貌

Q345FCA钢对焊接头的典型疲劳断口形貌如图6所示，疲劳源主要有孔洞缺陷和试样表面两种类型。表8列出了断口长度、距焊缝中心的距离及疲劳源类型。可以看出，当疲劳源为孔洞缺陷时，试样断于焊缝；疲劳源为试样表面时，试样断于对焊接头的母材。孔洞可能为焊接时产生的未及时逸出气体的气孔。

图6 Q345FCA钢对焊接头的典型疲劳断口Fig.6 Typical fatigue fractures of the butt-welded joints of Q345FCA steel

表8 Q345FCA钢对焊接头的疲劳断口特征Table 8 Fatigue facture characteristics of the butt-welded joint of Q345FCA steel

从图5可以看出，当应力低于母材疲劳强度时，只有焊接缺陷型的疲劳断裂（图6（a，b））和失效试样；当应力高于母材疲劳强度时，焊缝疲劳源有两种类型（图6（c，d））。从图6可以看出，焊接缺陷主要为表面或次表面的气孔，气孔的尺寸有数百微米。裂纹以气孔为中心向四周扩散。对比340 MPa应力下两种类型疲劳源试样的疲劳寿命发现（图6（c，d）），焊接缺陷型疲劳源试样的疲劳寿命远低于表面型疲劳源试样的疲劳寿命。此外，由于低应力下试样疲劳源大多为焊接缺陷，其S-N曲线几乎不存在平行段。

Q345FCA钢冶炼时采用强弱结合的静搅工艺，钢中夹杂物数量大大减少，疲劳源均位于试样表面。但对接焊缝由于气孔等焊接缺陷的增多，疲劳源更加复杂，疲劳寿命分散性也较大。与母材的S-N曲线相比，在相同应力下，当疲劳源在表面时，对接焊缝的疲劳寿命相比母材明显提高。而当疲劳源为焊接缺陷时，对接焊缝的疲劳寿命随机性增长，与母材疲劳寿命相当或低于母材。焊缝组织主要为针状铁素体，相较于母材铁素体和珠光体组织，其强度和硬度较高；热影响区硬度也高于母材，从而导致在没有焊接缺陷时，试样的疲劳源均位于较软的母材表面，焊件强度的提高使该部位的疲劳寿命提高。存在焊接缺陷时，由于气孔的尺寸较大，气孔附近的应力集中更加明显，从而导致裂纹在气孔附近萌生，疲劳寿命显著降低。

3 结论

（1）Q345FCA钢对接焊缝的疲劳强度为260 MPa，S-N 曲线为lg N ＝12.583 2－0.021 3S；当循环次数小于107时，S-N曲线几乎不存在水平段。

（2）对接焊缝的疲劳源主要有孔洞缺陷和试样表面两种类型；孔洞缺陷主要为焊接时未及时逸出的气体所产生的气孔。试样表面疲劳源均位于母材。

（3）存在焊接缺陷时，焊件的疲劳寿命急剧降低，因此保证焊件的焊接质量是提高疲劳寿命的关键。