平克楠

鋼板對接焊工藝中橫向焊與豎直焊的焊接殘余應(yīng)力對比＊

平克楠

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

鋼板對接焊是工程中常見的鋼結(jié)構(gòu)件連接方式，在焊縫及其附近區(qū)域存在的焊接殘余應(yīng)力與鋼板材料、厚度、焊接工藝等因素有關(guān)。當(dāng)鋼板材料、厚度、焊接工藝相同，而焊接方向不同，特別是橫向焊接與豎直焊接兩種方式引起的焊接殘余應(yīng)力是否有明顯差異是研究的關(guān)注點(diǎn)。主要研究思路是對鋼板對接焊工藝中橫向焊與豎直焊的焊接殘余應(yīng)力分析，在相同材料、尺寸、工藝下，對橫向焊接試驗(yàn)件、豎直焊接試驗(yàn)件進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。

殘余應(yīng)力；對接焊縫；小孔釋放法；焊接試驗(yàn)

1 概述

鋼板對接焊是工程中常見的鋼結(jié)構(gòu)件連接方式，在焊縫及其附近區(qū)域存在的焊接殘余應(yīng)力與鋼板材料、厚度、焊接工藝等因素有關(guān)。在結(jié)構(gòu)件承受外載荷作用的工程場合，焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生顯著影響，因此，測定并了解焊接殘余應(yīng)力在焊接結(jié)構(gòu)中的數(shù)值范圍十分必要。

2 殘余應(yīng)力測試技術(shù)

殘余應(yīng)力的測量技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，測量方法可分為機(jī)械釋放測量法和非破壞無損傷測量法兩種。本試驗(yàn)選用屬于機(jī)械釋放測量法的小孔釋放法測量焊接殘余應(yīng)力，是由德國學(xué)者M(jìn)ATHAR J于1934年提出，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，具有操作簡單、測量方便等特點(diǎn)。

在焊縫中心及熱影響區(qū)選擇測試點(diǎn)，布置三方向應(yīng)變計(jì)，用鉆孔裝置在測點(diǎn)鉆孔，該測點(diǎn)的殘余應(yīng)力以應(yīng)變釋放的方式被應(yīng)變計(jì)感應(yīng)到并通過應(yīng)變測試系統(tǒng)記錄下來。小孔釋放法根據(jù)鉆孔是否鉆通，又可分為通孔法和盲孔法。本次試驗(yàn)選用通孔法，應(yīng)變釋放系數(shù)可由Kirsch理論解直接計(jì)算出。殘余應(yīng)力的主應(yīng)力和方向計(jì)算公式為：

應(yīng)變釋放系數(shù)為：

式（1）（2）中：0、45、90分別為測試點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)；、分別為被測材料的彈性模量和泊松比；、1、2分別為鉆孔孔徑和孔中心到應(yīng)變片近孔端、遠(yuǎn)孔端距離。

3 鋼板對接焊縫試驗(yàn)件

3.1 焊縫試驗(yàn)件及殘余應(yīng)力測試部位

設(shè)計(jì)參數(shù)：鋼板材料P265GH，鋼板厚6 mm。試驗(yàn)件尺寸見圖1。

技術(shù)要求：開坡口對接焊，焊接裝配間隙小于3mm，焊縫寬度10 mm。

圖1 對接焊縫試驗(yàn)件及測試點(diǎn)部位示意圖

如圖1所示，在焊縫中心線上，對稱選取2個(gè)測試點(diǎn)，編號為測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2。在距離焊縫中心10 mm的熱影響區(qū)的對應(yīng)位置，布置2個(gè)測試點(diǎn)，編號為測試點(diǎn)R1、測試點(diǎn)R2。討論焊接件殘余應(yīng)力，有兩類主要部位，一類是焊縫的殘余應(yīng)力，因此在焊縫中心選取了測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2；另一類是熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，其中焊縫邊緣的殘余應(yīng)力較為顯著，因此在距離焊縫中心10 mm處選取了測試點(diǎn)R1、測試點(diǎn)R2，此處距離焊縫邊緣5 mm。

3.2 焊接工藝

焊接方法：SMAW。

焊接材料：CHE58-1HR，φ3.2。

三層焊接：打底焊、填充焊、蓋面焊。

試驗(yàn)件分為鋼板對接橫向焊試驗(yàn)件1、鋼板對接豎直焊試驗(yàn)件2共兩件。

3.3 殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)解釋

殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)可以表示為每個(gè)部位的主應(yīng)力1和2。在一些需要采用第四強(qiáng)度理論校核強(qiáng)度安全的場合，除了討論最大主應(yīng)力外，還要考慮重要部位的組合應(yīng)力。因此測試數(shù)據(jù)將給出各測試部位的殘余應(yīng)力主應(yīng)力值和殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力值。

4 殘余應(yīng)力測試步驟

5 殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

5.1 鋼板對接橫向焊殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)件1的焊縫殘余應(yīng)力測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2和熱影響區(qū)殘余應(yīng)力測試點(diǎn)R1、測試點(diǎn)R2的殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見 表1。

表1 鋼板對接橫向焊殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)件及測試部位特征殘余應(yīng)力主應(yīng)力值/MPa殘余應(yīng)力組合應(yīng)力值/MPa 試驗(yàn)件1測點(diǎn)1焊縫中心鋼板對接橫向焊σ1=201.97，σ2=22.57191.68 試驗(yàn)件1測點(diǎn)2焊縫中心鋼板對接橫向焊σ1=160.25，σ2=﹣41.65184.63 試驗(yàn)件1測點(diǎn)R1距焊縫中心10 mm鋼板對接橫向焊σ1=150.73，σ2=115.01136.42 試驗(yàn)件1測點(diǎn)R2距焊縫中心10 mm鋼板對接橫向焊σ1=235.75，σ2=41.17218.10

由此可知，橫向方向焊接時(shí)，焊縫殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力平均值約181 MPa，殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力平均值約188 MPa。

距焊縫中心10 mm的熱影響區(qū)殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力平均值約193 MPa，距焊縫中心10 mm的熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力平均值約177 MPa。

5.2 鋼板對接豎直焊殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)件2的焊縫殘余應(yīng)力測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2和熱影響區(qū)殘余應(yīng)力測試點(diǎn)R1、測試點(diǎn)R2的殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見 表2。由此可知，豎直方向焊接時(shí)，焊縫殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力平均值約為127 MPa，殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力平均值約為118 MPa。距焊縫中心10 mm的熱影響區(qū)殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力平均值約89 MPa，距焊縫中心10 mm的熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力平均值約85 MPa。

6 鋼板對接橫向焊與豎直焊殘余應(yīng)力比較

6.1 橫向焊與豎直焊的焊縫中心殘余應(yīng)力比較

橫向焊與豎直焊的焊縫中心殘余應(yīng)力測試結(jié)果的比較見表3。

6.2 橫向焊與豎直焊熱影響區(qū)殘余應(yīng)力比較

橫向焊與豎直焊熱影響區(qū)殘余應(yīng)力測試結(jié)果的比較見表4。

表2 鋼板對接豎直焊殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)件及測試部位特征殘余應(yīng)力主應(yīng)力值/MPa殘余應(yīng)力組合應(yīng)力值/MPa 試驗(yàn)件2測點(diǎn)1焊縫中心鋼板對接豎直焊σ1=111.14，σ2=7.76107.47 試驗(yàn)件2測點(diǎn)2焊縫中心鋼板對接豎直焊σ1=142.70，σ2=105.68128.26 試驗(yàn)件2測點(diǎn)R1距焊縫中心10 mm鋼板對接豎直焊σ1=83.19，σ2=-2.8584.65 試驗(yàn)件2測點(diǎn)R2距焊縫中心10 mm鋼板對接豎直焊σ1=94.90，σ2=68.7284.89

表3 橫向焊與豎直焊焊縫中心殘余應(yīng)力比較表

焊縫中心殘余應(yīng)力橫向焊豎直焊豎直焊相對橫向焊殘余應(yīng)力降幅 殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力201.97 MPa142.70 MPa29.3% 殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力平均值181 MPa127 MPa29.8% 殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力最大值191.68 MPa128.26 MPa33.1% 殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力平均值188 MPa118 MPa37.2%

表4 橫向焊與豎直焊熱影響區(qū)殘余應(yīng)力比較表

熱影響區(qū)殘余應(yīng)力橫向焊豎直焊豎直焊相對橫向焊殘余應(yīng)力降幅 殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力235.75 MPa94.90 MPa59.7% 殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力平均值193 MPa89 MPa53.9% 殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力最大值218.10 MPa84.89 MPa61.1% 殘余應(yīng)力的組合應(yīng)力平均值177 MPa85 MPa52.0%

7 綜合結(jié)論

當(dāng)鋼板材料、尺寸、焊接工藝相同時(shí)，橫向焊接與豎直焊接兩種方式引起的焊接殘余應(yīng)力存在明顯差異。橫向焊接時(shí)的焊接殘余應(yīng)力高于豎直焊接時(shí)的焊接殘余應(yīng)力。因此，焊接方向?qū)堄鄳?yīng)力的影響問題應(yīng)在工程實(shí)踐中更加重視。

比較焊縫中心殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力值或比較焊縫中心殘余應(yīng)力的最大組合應(yīng)力值，豎直焊接相對橫向焊接時(shí)，殘余應(yīng)力降幅約為30%。

比較熱影響區(qū)殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力值或比較熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的最大組合應(yīng)力值，豎直焊接相對橫向焊接時(shí)，殘余應(yīng)力降幅約為60%。

橫向焊接殘余應(yīng)力明顯高于豎直焊接殘余應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果，提示了橫向焊縫的疲勞強(qiáng)度低于豎直焊接焊縫的疲勞強(qiáng)度，在焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到這種差異。

［1］平克楠.圓弧焊接角焊縫殘余應(yīng)力自然時(shí)效敲擊處理熱處理的效果分析［J］.科技與創(chuàng)新，2018（3）：81-83.

［2］付榮柏.起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)焊接制造技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］李亞江，王娟.焊接缺陷分析與對策［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

平克楠（1962—），男，山西太原人，高級工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度與疲勞。

山西省高端重型裝備智能制造重點(diǎn)科技創(chuàng)新平臺（編號：201605D151001）

2095－6835（2020）24－0032－02

TG457.11

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.010

〔編輯：張思楠〕