解决焊缝修复高强度低合金钢的拉伸过载疲劳行为

江苏激光联盟导读：

磨损通常是局部的，所以用焊接修复或填充受损区域更经济。当硬质焊接金属直接用于硬质金属基底时，会在焊接界面上产生巨大的残余应力，并产生焊接缺陷。当你进行焊接时，会有一个热影响区，当这个区域冷却下来时，焊接会产生残余应力。如果焊接不正确，焊接会使材料的韧性降低高达50%，从而使金属非常脆，所有这些因素结合在一起会使焊接点成为一个问题区域。该研究调查了拉伸过载 (OL) 对高强度低合金钢的影响，这种高强度低合金钢广泛用于采矿业的储罐和挖掘机铲斗等设备。

焊接高强度低合金 (high-strength low-alloy, HSLA) 部件广泛用于汽车、运输设备、储罐、挖掘机铲斗、高层建筑和引风机。焊接部件通常在一系列不同的负载下运行。充分了解实验室测试的焊接 HSLA 样品在不同焊接和结构条件下的疲劳行为显然是有益的。这是因为可以采用已确定的增强抗疲劳性和疲劳寿命的机制来提高那些焊接 HSLA 结构的可靠性和使用寿命。

在此之前已经进行了许多研究，以提高焊接部件的疲劳性能，并将相关焊接工艺的任何不利影响降至最低。来自印度理工学院鲁尔基分校的Prasad 和 Dwivedi 在2008年研究了焊接工艺相关参数（焊接电流/电压/速度、热输入）对焊接 HSLA 钢的微观结构、硬度和韧性的影响。他们发现，通过改变焊接电流和焊接速度，增加热量输入会使晶粒结构粗化，从而降低焊缝金属 (weld metal, WM) 和热影响区 (heat-affected zone,HAZ) 的硬度。不同焊接方法（如埋弧焊和气体保护焊）形成的焊接接头的 WM 和 HAZ 的疲劳性能低于母材 (parent metal, PM) ，因为存在拉伸残余应力。然而，激光多次回火工艺或适度的焊后热处理（525°C 下 1 小时）可以大大提高 WM 和 HAZ 的疲劳裂纹扩展性能，因为随后的疲劳裂纹扩展速率 (da/dN) 与 PM 相似。

本研究尝试直接测量OL (over loading, 拉伸过载) 诱导塑性变形 (plastic deformation, PD) 在厚度方向沿疲劳裂纹扩展路径的 10 mm 厚的不同焊缝修复 HSLA 样品中的厚度方向，以及相应的疲劳裂纹扩展。通过扫描电子显微镜 (SEM) 对保持一小时的拉伸 OL 产生的裂纹尖端损伤区 (damage zone, DZ) 的详细特征进行了表征。拉伸 OL 引起的 PD 提供了裂纹尖端相关残余压应力的间接测量，拉伸 OL 对疲劳的积极影响明显超过了 DZ 的负面影响。本研究的主要目的是测量详细的 OL 引起的 PD 分布，并了解 WM 和 PM 之间的软缓冲层 (buffer layer, BL) 如何与拉伸 OL 相互作用。沿疲劳裂纹路径通过 WM、BL 和 PM 的 OL 引起的 PD 分布可以提供有关选择合适的 WM 和 BL 以连接或修复 HSLA 结构的更多信息。

拉伸过载 (over loading, OL) 的影响

在整个疲劳试验中，基础疲劳载荷是最大载荷 30 kN 和应力比 R 为 0。在与 WM、BL 和 PM 之间的边界相关的两个选定裂纹长度处应用两个具有一小时保持时间的 OL。第一次 OL 为 70 kN，第二次 OL 为 52 kN，大约是疲劳幅度 30 kN 的两倍。

图1显示了在有和没有 BL 的焊缝修复 HSLA 中沿疲劳裂纹扩展路径的 OL 诱导 PD 分布，由实验数据和最小二乘法（LSM）曲线表明，当疲劳裂纹扩展到大约 10 毫米。首先，当疲劳裂纹扩展到大约 10 mm 时，测试了焊接修复的 HSLA 样品中的 PD 变化。在没有 OL 的情况下，厚度方向沿裂纹扩展路径的 PD 通过显示 10 mm 厚度为零。零变形是由于疲劳试验中的小载荷幅值。因此，零 PD 被假定为基线或数据。然后测量在应用第一个 OL 后焊接修复的 HSLA 样品（有和没有 BL）中的 OL 引起的变形。PD 幅度与到第一个 OL 应用点的距离成线性关系。最大震级出现在该点（或裂纹尖端）处，并随着距该点距离的增加而减小。

▲图1. 带有和不带有 BL 以及带有和不带有第一个 OL 的焊缝修复 HSLA 中沿裂纹扩展路径的 PD 分布。(a). 有和没有第一个 OL 的焊接修复 HSLA（无 BL）的 PD 分布。(b). 带有和不带有第一个 OL 的 4 mm BL 的焊缝修复 HSLA 的 PD 分布。(c). 带有和不带有第一个 OL 的 4 mm BL 的焊缝修复 HSLA 的 PD 分布。

缓冲层及其厚度的影响

为了强调 BL 对 OL 测试条件下焊缝修复 HSLA 的影响，选择无 BL 焊缝修复 HSLA 的 OL 诱导 PD 分布和巴黎疲劳曲线作为参考性能，并与焊缝性能进行比较 -修复了带有 BL 的 HSLA，如图2所示用于 PD 测量，图3用于疲劳行为。为了强调 BL 厚度变化的影响，图4中进一步比较了 4 毫米和 10 毫米 BL 的焊缝修复 HSLA。

▲图2. 有和没有 BL 的焊缝修复 HSLA 中沿裂纹扩展路径的 OL 诱导的 PD 分布的比较。(a). 焊缝修复的 HSLA 样品与 4 mm BL 或无 BL 的比较。(b). 焊缝修复 HSLA 样品与 10 mm BL 或无 BL 的比较。

▲图3. OL 测试条件下有或没有 BL 的焊缝修复 HSLA 的巴黎疲劳曲线比较。(a) 焊缝修复的 HSLA 样品与 4 mm BL 或无 BL 的比较。(b) 焊缝修复 HSLA 样品与 10 mm BL 或无 BL 的比较。

▲图4. 4 毫米和 10 毫米 BL 焊缝修复的 HSLA 样品的比较。(a) 沿疲劳裂纹扩展路径的 OL 诱导 PD 分布。(b) OL 测试条件下的巴黎疲劳曲线。

扫描电镜观察

使用 SEM 检查在 OL 测试条件下有和没有 BL 的焊缝修复 HSLA 的疲劳/断裂表面，特别强调由拉伸 OL 引起的损伤区 (DZ) 周围的区域。为了将显微观察与相关位置相关联，疲劳/断裂曲线（宏观图）被标记并相应编号。

根据上述描述，图5显示了没有BL的焊缝修复HSLA的宏观轮廓、位置和 SEM 详细信息，图6显示了具有4 mm BL的焊缝修复HSLA的详细信息，图7显示了带有10 mm BL的焊缝修复HSLA的详细信息。

▲图5. 没有 BL 的焊缝修复 HSLA 中 OL 诱导损伤区 (DZ) 的疲劳表面概览和 SEM 细节。(a). OL 诱导 DZ 的疲劳表面概述。(b). (a)中矩形1的放大图。(c). (a) 中矩形 2 的放大图。(d). (b) 中矩形3的放大图。

▲图6. 具有 4 mm BL 的焊缝修复 HSLA 的疲劳表面概览和 SEM 细节，显示了 DZ 和附近塑性变形区 (PDZ) 的细节。(a). OL 诱导 DZ 的疲劳表面概述。(b). (a) 中矩形 1 的放大图。(c). (a) 中矩形 2 的放大图。(d). (b) 中矩形 3 的放大图。

▲图7. 具有 10 mm BL 的焊缝修复 HSLA 的疲劳表面概览和 SEM 细节，显示了 DZ 和 PDZ 附近的细节。(a). OL 诱导 DZ 的疲劳表面概述。(b). (a) 中矩形 1 的放大图。(c). (a) 中矩形 2 的放大图。(d). (b) 中矩形 3 的放大图。

在OL测试条件下，具有10毫米缓冲层的焊接修复合金的疲劳寿命比没有缓冲层的焊接修复钢的疲劳寿命大大约6倍。

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！原文以"Tensile overload-induced plastic deformation and fatigue behavior in weld-repaired high-strength low-alloy steel"发表在Journal of Materials Processing Technology上。