趙 震，王慶兵，梁力仁，洪曉祥，郭偉強(qiáng)

（1.江蘇中車電機(jī)有限公司，江蘇 大豐 224100；2.航天工程裝備（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215100）

0 前言

風(fēng)力發(fā)電對(duì)于解決能源危機(jī)、緩解環(huán)境污染有著十分重要的意義，越來(lái)越多的國(guó)家已將發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為未來(lái)電力投資的重點(diǎn)，我國(guó)制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”以鼓勵(lì)風(fēng)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化[1]。其中直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電功率密度、效率和可靠性等方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)直驅(qū)永磁型風(fēng)力發(fā)電（PMSG）系統(tǒng)能夠省略齒輪箱，節(jié)約建造、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用[2]。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子支架為典型的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，焊接是此類風(fēng)機(jī)制造的主要連接方式，焊縫的殘余應(yīng)力直接影響著構(gòu)件的強(qiáng)度及疲勞壽命[3-5]。研究表明，80%～90%的鋼結(jié)構(gòu)破壞與疲勞有關(guān)，疲勞是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失效的主要因素[6]，而殘余拉應(yīng)力是導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋的主要因素[7]。本研究針對(duì)實(shí)際工況下某直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子支架的主焊縫形式，預(yù)制平板對(duì)接試樣，研究多層多道焊過(guò)程中不同階段的焊接殘余應(yīng)力分布特征和大小，為設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)支架提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

1 小孔法測(cè)試焊接接頭殘余應(yīng)力原理

假設(shè)各向同性材料的構(gòu)件某一局部殘余應(yīng)力處于均勻的二維狀態(tài)，粘貼電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片分別有 0°、45°、90°的應(yīng)變片，如圖 1 所示。

圖1 小孔法用應(yīng)變片示意Fig.1 Sketch map of blind-holemethod strain gauge

在應(yīng)變片中心鉆孔，孔深等于或略大于孔徑，當(dāng)孔深為孔徑的1.2倍時(shí)，應(yīng)變近于完全釋放。因?yàn)榭咨钸h(yuǎn)小于板的厚度，因此可套用鉆通孔時(shí)的理論解作為鉆盲孔時(shí)近似解，通過(guò)電阻應(yīng)變儀分別測(cè)量方向 1、2、3 的釋放應(yīng)變 ε1、ε2、ε3。根據(jù)釋放應(yīng)變，按照彈性力學(xué)平面應(yīng)力理論得到主應(yīng)力和方向角公式

式中 σ1，σ2為鉆孔前殘余應(yīng)力的主應(yīng)力（單位：MPa）；ε1，ε2，ε3為 0°、45°、90°方向測(cè)得的釋放應(yīng)變；A，B為標(biāo)定試驗(yàn)得到的應(yīng)變釋放系數(shù)（單位：10-7mm2/N）。

θ=1/2γ為殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力（代數(shù)值）方向與1號(hào)應(yīng)變片參考軸之間的夾角，順時(shí)針取向，可根據(jù)公式中γ=tan-1（y/x）的y和x的符號(hào)來(lái)決定θ所在象限，進(jìn)而計(jì)算殘余應(yīng)力主應(yīng)力沿焊縫方向和垂直于焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力

式中 σx，σy分別為平行于焊縫方向x和垂直于焊縫方向y的殘余應(yīng)力計(jì)算值。

2 焊接試驗(yàn)及殘余應(yīng)力測(cè)試

2.1 試驗(yàn)材料及焊接準(zhǔn)備

待焊母材為退火態(tài)Q345D鋼板，尺寸500mm×200 mm×40mm。坡口尺寸和焊接順序如圖2所示。焊接方法為MAG；焊材為ER50-6的實(shí)心焊絲，直徑 1.2 mm；保護(hù)氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%的混合氣體。

圖2 對(duì)接接頭焊接坡口細(xì)節(jié)Fig.2 Welding groove details of butt joint

對(duì)接接頭焊前準(zhǔn)備如圖3所示。因?qū)嶋H工況下批量生產(chǎn)選用自動(dòng)焊接設(shè)備，因此預(yù)制試樣同樣采用自動(dòng)焊接以確保其內(nèi)部的殘余應(yīng)力盡可能貼近生產(chǎn)狀況，自動(dòng)焊設(shè)備如圖3a所示。第1道打底焊縫在有工裝約束的條件下焊接，對(duì)接試板組對(duì)結(jié)果如圖3b所示，其余11道焊縫在自由狀態(tài)下焊接。

2.2 焊接工藝

X型坡口的對(duì)接試板雙面焊共12道焊縫，分別在第4道、第8道和第12道測(cè)量其縱向及橫向焊接殘余應(yīng)力，預(yù)熱溫度不低于120℃，焊接過(guò)程中層間溫度控制在200℃以下。焊接工藝規(guī)范見(jiàn)表1，第4道、第8道和第12道焊縫外觀形貌如圖4所示。

圖3 對(duì)接接頭焊前準(zhǔn)備Fig.3 Welding preparation of butt joint

表1 40mm厚板對(duì)接多層多道焊工藝參數(shù)記錄Table 1 Multi-layer and multi-passwelding process parameter record of butt-welding of 40mm thick plates

2.3 殘余應(yīng)力測(cè)試

對(duì)接試板在焊接第4道焊縫、第8道焊縫、第12道焊縫后采用小孔法在如圖5所示的位置點(diǎn)測(cè)試單側(cè)母材殘余應(yīng)力，同時(shí)在該側(cè)母材背面對(duì)稱位置點(diǎn)測(cè)試應(yīng)力。

圖4 第4道、第8道及第12道焊縫外觀形貌Fig.4 Appearance morphology of the 4th、8th and 12th weld metal

圖5 殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)示意Fig.5 Sketch map of residual stress test points

殘余應(yīng)力測(cè)試過(guò)程如圖6所示。在規(guī)定測(cè)點(diǎn)附近用百葉片和砂紙打磨光，經(jīng)丙酮清洗后，畫(huà)線標(biāo)定測(cè)點(diǎn)如圖6a所示；用502瞬干膠貼上應(yīng)變片及接線端子，貼片后用烘燈烘干并保持干燥，在規(guī)定位置固定應(yīng)變片如圖6b所示；將測(cè)量應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線分別接在靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的相應(yīng)接觸位置上如圖6c所示；將小孔測(cè)鉆臺(tái)中心對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變片中心部位上，然后開(kāi)啟手電鉆鉆孔，對(duì)孔過(guò)程如圖6d所示；鉆孔后，待應(yīng)變釋放完畢，再?gòu)撵o態(tài)電阻應(yīng)變儀中讀出測(cè)量點(diǎn)3條通道的應(yīng)變值，并依據(jù)應(yīng)力計(jì)算公式算出測(cè)點(diǎn)位置殘余應(yīng)力。

圖6 殘余應(yīng)力測(cè)試過(guò)程Fig.6 Test procedure of residual stress

3 測(cè)試結(jié)果和分析

3.1 第4道焊接后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

第4道焊縫焊后接頭正面和背面的縱向殘余應(yīng)力如圖7所示，靠近焊縫的測(cè)點(diǎn)為正的拉應(yīng)力，隨著與焊縫中心距離的增加，轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

圖7 第4道焊后縱向殘余應(yīng)力Fig.7 Longitudinal residual stress after pass of the 4th welding

正面σx拉應(yīng)力峰值為182 MPa，位于y=32mm處，σx最大壓應(yīng)力為-83MPa，出現(xiàn)在y=92mm位置附近。小孔法測(cè)得背面應(yīng)力分布與正面相似，對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)的應(yīng)力值相近，拉應(yīng)力峰值為185MPa，出現(xiàn)在y=32mm處，壓應(yīng)力峰值為-90MPa，位于y=92mm附近。焊接熱源對(duì)試板的局部加熱，使得近焊縫的中心區(qū)域受熱膨脹，兩端低溫母材限制其自由變形從而使其產(chǎn)生壓縮塑性變形，焊縫附近的壓縮塑性變形區(qū)在冷卻后不能恢復(fù)到原來(lái)尺寸，兩側(cè)母材為限制其受收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力。距離焊縫中心較遠(yuǎn)區(qū)域，受熱膨脹或冷卻收縮均為彈性變形，冷卻后可恢復(fù)到原尺寸，此時(shí)因焊縫中心收縮區(qū)域作用，而受殘余壓應(yīng)力，距離焊縫中心越遠(yuǎn)，殘余壓應(yīng)力越大。

第4道焊縫焊后接頭正面和背面的橫向殘余應(yīng)力如圖8所示，其中小孔法測(cè)得σy均為正的殘余拉應(yīng)力，垂直于焊縫方向距焊縫中心越遠(yuǎn)，拉應(yīng)力值越小。

圖8 第4道焊后橫向殘余應(yīng)力Fig.8 T ransverse residual stress after pass of the 4th welding

正面 σy峰值為160 MPa，在 y=32 mm 處；σy最低值為36 MPa，在y=92 mm處。小孔法測(cè)得背面σy分布與正面相似，對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)的應(yīng)力值相近。σy峰值為152 MPa，出現(xiàn)在y=32mm處；σy最低值為45MPa，位于y=92mm處。

第4道焊縫焊后小孔法測(cè)得殘余應(yīng)力，σx峰值大于σy峰值，且同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的σx大于σy。

3.2 第8道焊接后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

第8道焊縫焊后接頭正面和背面的橫向殘余應(yīng)力如圖9所示，靠近焊縫的測(cè)點(diǎn)為正的拉應(yīng)力，其余測(cè)點(diǎn)均為壓應(yīng)力。

圖9 第8道焊后縱向殘余應(yīng)力Fig.9 Longitudinal residual stress after pass of the 8th welding

正面σx拉應(yīng)力峰值為143MPa，位于y=32mm附近；σx壓應(yīng)力峰值為-89MPa，位于距焊縫最遠(yuǎn)的y=92mm附近；背面σx拉應(yīng)力峰值為192MPa，位于y=32mm處；σx壓應(yīng)力峰值為-82MPa，位于y=92mm處。試板對(duì)應(yīng)點(diǎn)的正面和背面殘余應(yīng)力分布相近，應(yīng)力峰值位于上背面的對(duì)應(yīng)測(cè)試位置。

第8道焊縫焊后接頭正面和背面的橫向殘余應(yīng)力如圖10所示，σy均為正的殘余拉應(yīng)力，垂直于焊縫方向距焊縫中心越遠(yuǎn)，拉應(yīng)力值越小。

圖10 第8道焊后橫向殘余應(yīng)力Fig.10 Transverse residual stress after pass of the 8th welding

正面σy峰值為134MPa，位于y=32mm處；σy最低值為91MPa，在y=92mm處；其中y=52mm位置處σy也達(dá)到124MPa。背面σy分布與正面相似，對(duì)應(yīng)點(diǎn)應(yīng)力值相近。σy峰值為179MPa，同樣出現(xiàn)在y=32mm處；σy最低值95MPa，位于y=92mm處；橫向應(yīng)力在垂直于焊縫的方向的最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)上仍處于較高水平。

第8道焊后小孔法測(cè)得殘余應(yīng)力結(jié)果，σx峰值大于σy峰值，且同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)σx普遍大于σy。

3.3 第12道焊接后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

第12道焊縫焊后接頭正面和背面的縱向殘余應(yīng)力如圖11所示，靠近焊縫一側(cè)的測(cè)點(diǎn)為正的拉應(yīng)力，向母材一端方向發(fā)展的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

σx拉應(yīng)力峰值為521MPa，出現(xiàn)在y=0mm附近的焊縫中心線附近，高于母材的最低抗拉強(qiáng)度335MPa。其原因是：焊縫中心金屬熔合比低，填充金屬的屈服強(qiáng)度最低為420MPa，為限制該位置的收縮變形，殘余拉應(yīng)力需超過(guò)該區(qū)域金屬的屈服強(qiáng)度；也可能是熔合線位置在多層多道焊的影響下不斷加熱和冷卻，產(chǎn)生塑性變形，使材料處于塑性強(qiáng)化狀態(tài)，殘余應(yīng)力相應(yīng)增大。

熔合區(qū)距焊縫中心約12mm，σx=426MPa，殘余應(yīng)力仍處于較高水平，向母材方向，縱向殘余應(yīng)力整體上逐漸減小，y=52mm處出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力為-120MPa，y=72mm 時(shí)，σx=-142MPa。y=92mm時(shí)，σx=-80MPa。因?yàn)楹缚p中心的壓縮塑性變形區(qū)在冷卻后受拉應(yīng)力作用，對(duì)兩端母材產(chǎn)生壓應(yīng)力，向母材方向某位置存在峰值壓應(yīng)力。

圖11 第12道焊縫焊后縱向殘余應(yīng)力Fig.11 Longitudinal residual stress after pass of the 12th welding

接頭背面殘余應(yīng)力同樣呈現(xiàn)此特征，背面σx拉應(yīng)力峰值為573MPa，出現(xiàn)在焊縫中心附近即y=0mm處，且向母材方向拉應(yīng)力逐漸減小至y=32mm處的233MPa。繼續(xù)向母材方向則轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，y=92mm 時(shí)，σx=-82MPa。

第12道焊縫焊后接頭正面和背面的橫向殘余應(yīng)力如圖12所示。σy均為正的殘余拉應(yīng)力，整體上垂直于焊縫方向，距焊縫中心越遠(yuǎn)，拉應(yīng)力值越小。

正面σy峰值為y=0mm處的208MPa，向母材方向σy逐漸減小，在y=92mm處σy=100MPa。小孔法測(cè)得背面橫向應(yīng)力值略高于正面，應(yīng)力分布特征與正面相同。在焊縫中心區(qū)域附近，測(cè)得最大殘余拉應(yīng)力σy=229MPa，距焊縫中心最遠(yuǎn)位置點(diǎn)σy=100MPa。

4 結(jié)論

（1）板厚40 mm坡口形式為X型的平板對(duì)接接頭，縱向殘余應(yīng)力在焊縫中心附近表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力峰值區(qū)，向母材方向逐漸減小，在遠(yuǎn)離焊縫中心的母材上的測(cè)點(diǎn)為殘余壓應(yīng)力。隨著焊道數(shù)量的增多，縱向殘余應(yīng)力峰值呈增大趨勢(shì)，最大縱向殘余拉應(yīng)力約為573MPa，出現(xiàn)在全部12道焊接后的焊縫中心附近。

（2）平板對(duì)接接頭橫向殘余應(yīng)力在焊縫中心附近區(qū)域向母材一端，由峰值殘余拉應(yīng)力逐漸減小至接近零應(yīng)力狀態(tài)。同一位置點(diǎn)橫向殘余應(yīng)力小于縱向殘余應(yīng)力。全部12道焊縫焊后最大橫向殘余應(yīng)力為229MPa。

（3）平板對(duì)接接頭正面和背面殘余應(yīng)力分布特征相同，應(yīng)力值相近。

圖12 第12道焊后橫向殘余應(yīng)力Fig.12 Transverse residual stress after pass of the 12th welding

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