0. 引言

工程機械領域的加強筋板、復雜框架等高強鋼焊接結構常采用角焊縫接頭[1-4]。與對接焊縫相比，角焊縫的幾何形狀更為靈活，其焊趾處的形狀突變和組織突變會加劇應力集中，導致構件更易于發(fā)生疲勞開裂。因此，有必要選取合適的焊趾修整工藝及參數(shù)來有效提升角焊縫接頭的強度和服役時間[5-7]。

目前，提高角焊縫接頭疲勞強度和壽命的方法主要包括非熔化極惰性氣體保護電弧焊（TIG）熔修、機加打磨、沖擊強化和焊后熱處理等[8-11]。與其他方法相比，TIG熔修具有工藝簡單、操作方便、成本低、效果顯著等優(yōu)點[12]。在TIG熔修時TIG焊炬將焊趾處的焊縫金屬重新熔化，以消除熔渣、楔塊、咬邊等焊接缺陷，改善焊趾外形，使焊縫與母材之間形成平滑過渡，從而減少應力集中，提高疲勞強度[13-14]。TIG熔修工藝參數(shù)包括電弧電壓、熔修電流、熔修距離（熱源中心至焊趾的距離）、焊槍傾斜角度、預熱溫度、焊接速度、氣體流量等。IIW標準中對電弧電壓、焊槍傾斜角度、預熱溫度、焊接速度、氣體流量等參數(shù)作出了明確規(guī)定[15]，但是未對熔修距離和熔修電流作出規(guī)定。因此，作者以工程機械常用Q690D低合金高強鋼熔化極氣體保護電弧焊（GMAW）十字接頭為研究對象，在不同熔修距離和熔修電流下采用TIG熔修工藝對十字接頭角焊縫進行熔修，研究了熔修距離和電流對角焊縫焊趾形狀以及接頭疲勞性能的影響，以期為填補熔修技術標準空白，指導Q690D高強鋼接頭工藝優(yōu)化提供試驗參考。

1. 試樣制備與試驗方法

試驗材料為16 mm厚的Q690D低合金高強鋼板。采用GMAW對鋼板進行焊接，接頭形式為十字接頭，2塊腹板開45°坡口，焊接材料采用直徑為1.4 mm的ER76-G鐵基焊絲，化學成分（質量分數(shù)/%）為0.06~0.15C，1.40~1.85Mn，0.80~1.10Si，≤0.025P，≤0.025S，0.20~0.30Cr，1.40~1.80Ni，0.25~0.45Mo。GMAW打底焊的工藝參數(shù)為電弧電壓27 V、焊接電流350 A、焊接速度350 mm·min?1；填充及蓋面焊工藝參數(shù)為電弧電壓28 V、焊接電流400 A、焊接速度350 mm·min?1、層道間溫度60~200 ℃。采用TIG熔修工藝對十字接頭角焊縫進行熔修，根據(jù)IIW標準確定的工藝參數(shù)為電弧電壓12~15 V、焊接速度100 mm·min?1、氣體流量12 L·min?1、焊槍傾斜角度10°、預熱溫度60 ℃[15]。采用參數(shù)解耦方法設計試驗：固定熔修電流為150 A，設置熔修距離為2，1，0，?1 mm[15]，通過觀察焊趾的宏觀形貌獲得最優(yōu)的熔修距離；在最優(yōu)熔修距離下，將熔修電流設置為150，170，190，210 A，研究焊趾處的組織以及接頭的疲勞性能。

在熔修后的十字接頭橫截面上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，利用OLYMPUS SZ61TR型體視顯微鏡觀察角焊縫焊趾處的宏觀形貌。對十字接頭角焊縫焊趾的曲率半徑R與過渡角θ（如圖1所示）進行測量，過渡角為焊趾處母材與焊縫夾角的補角，測4次取平均值。由于目前曲率半徑無標準化的定義或公認的確定程序，根據(jù)文獻[4，16]提出的忽略焊縫過渡幾何偏差方法，貼近熔修焊趾進行三點畫弧以確定曲率半徑。采用FeCl3飽和溶液將拋光后的金相試樣腐蝕10 s后，采用OLYMPUS GX51型光學顯微鏡觀察熔修焊縫的顯微組織。在原始接頭和熔修接頭上截取如圖2所示的疲勞試樣，采用QBG-500H型疲勞試驗機進行拉-拉疲勞試驗，最大應力為300 MPa，加載頻率為100 Hz，應力比為0.23，疲勞試驗終止條件為試樣斷裂或循環(huán)次數(shù)達107周次，相同條件下測3次取平均值。

圖 1 角焊縫焊趾曲率半徑和過渡角示意

Figure 1. Schematic of curvature radius and transition angle of weld toe of fillet welds

圖 2 疲勞試樣的形狀和尺寸

Figure 2. Shape and dimension of fatigue specimen

2. 試驗結果與討論

2.1 熔修距離對焊趾形狀的影響

由圖3可以看出：當熔修距離為2，1 mm時，原始接頭焊趾處未發(fā)生重熔，該熔修工藝無法起到修繕焊趾形狀的作用；當熔修距離為?1 mm時，熔修焊縫中形成明顯的凹陷，凹陷位置易產(chǎn)生應力集中，降低其承載能力[17]；當熔修距離為0時，熔修焊縫完全覆蓋原始焊趾，且曲率半徑較大，母材與焊縫過渡平緩。因此，采用熔修效果最佳的熔修距離0對十字接頭角焊縫進行TIG熔修。

圖 3 不同熔修距離下熔修角焊縫焊趾處的宏觀組織(熔修電流150 A)

Figure 3. Macrostructure of weld toe in remelted fillet welds under different remelting distances (remelting current of 150 A

2.2 熔修電流對焊趾形狀和焊縫組織的影響

由圖4可以看出：不同電流熔修后焊趾的曲率半徑均大于原始接頭焊趾，并且隨著熔修電流的增加，焊趾的曲率半徑先減后增再減，150 A熔修電流下的曲率半徑最大，且測試值的離散程度低于其他熔修電流下；熔修后焊趾的過渡角低于原始焊趾，隨著熔修電流增加，過渡角先增后降，150 A熔修電流下的過渡角最小，不同熔修電流下過渡角的離散程度差異不大。由圖5可以看出：原始接頭焊縫顯微組織為貝氏體＋針狀鐵素體；當熔修電流為150，170，190 A時，除貝氏體和針狀鐵素體外，熔修焊縫中還存在少量馬氏體，這是由于上述電流下的熱輸入低，冷卻速率快，使得焊縫內(nèi)生成了少量馬氏體；當熔修電流為210 A時，熔修焊縫的顯微組織為貝氏體＋針狀鐵素體，未觀察到馬氏體，這可能是由于熱輸入升高造成的。綜上可知，熔修電流對焊趾表面形狀和焊縫組織均會產(chǎn)生影響。

圖 4 原始接頭焊趾和不同電流熔修焊趾的曲率半徑和過渡角

Figure 4. Curvature radius and transition angle of original joint weld toe and remelted weld toe under different remelting currents

圖 5 原始接頭焊縫和不同電流熔修焊縫的顯微組織

Figure 5. Microstructures of original joint weld (a) and remelted weld under different remelting currents (b–e)

2.3 熔修電流對接頭疲勞性能的影響

由圖6（a）可以看出：熔修后接頭的疲勞壽命高于原始接頭。隨著熔修電流的增加，熔修后接頭的疲勞壽命先降后升再降，150 A熔修電流下接頭的疲勞壽命最高，循環(huán)107周次后試樣均未斷裂；當熔修電流為170，190，210 A時，熔修后接頭的疲勞壽命與原始接頭相比分別約提高2.4，8.6，5.8倍。結合焊趾形狀參數(shù)可知，熔修接頭的疲勞性能與熔修焊趾的曲率半徑呈正相關，與過渡角基本呈負相關，這與文獻[18]中角焊縫接頭疲勞壽命的主要影響因素為焊趾曲率半徑和過渡角相吻合。由圖6和表1可以看出，原始接頭均在焊趾處斷裂，這是由于形狀因素導致原始焊趾處應力集中，疲勞裂紋于焊趾處萌生；經(jīng)170，190，210 A電流熔修后疲勞裂紋源位于熔修焊縫和熔修熔合區(qū)，這是因為TIG熔修有效緩解了原始接頭焊趾處的應力集中程度。

圖 6 原始接頭和不同電流熔修接頭的疲勞壽命以及典型疲勞裂紋形貌

Figure 6. Fatigue life (a) and typical fatigue crack morphology (b–f) of original joint (b) and remelted joint under different remelting currents (c–f)