不銹鋼焊接箱形截面殘余應力試驗與分布模型

王元清 袁煥鑫 石永久 舒贛平 廖東帆

(1清華大學土木工程系，北京 100084)

(2清華大學土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084)

(3東南大學土木工程學院，南京 210096)

(4深圳市麥諾幕墻技術有限公司，深圳518020)

普通鋼結構的銹蝕是其正常使用壽命周期內的一個顯著問題，不僅會增大結構維護成本，而且可能危及結構安全.采用抗腐蝕的不銹鋼結構可以從根本上解決這一問題，而且可以延長結構的使用壽命，獲得良好的建筑外觀效果［1］.當前針對不銹鋼結構構件的研究主要集中于冷成型構件上.冷成型構件的壁厚較小，承載能力受限;焊接截面構件則可以組合較厚的板件，截面設計更為自由，不僅可以滿足建筑結構承重骨架的大承載力需求，而且可以通過經濟合理的截面設計實現最優化設計.焊接截面的殘余應力分布對構件的穩定與承載性能具有重要影響，需要開展單獨深入的研究.

不銹鋼材的力學性能與普通碳素鋼存在較大區別，由于加入了高比例的合金元素，其應力-應變關系曲線上不存在明顯的屈服點和屈服平臺［2］，而且熱學性能參數也與普通鋼材存在差別，這使得不銹鋼焊接箱形截面的殘余應力分布不同于普通鋼材截面，原有的簡化分布模型往往不再適用，需要進行專門的試驗研究與分析.從發表的文獻來看，當前已有部分關于冷成型不銹鋼箱形截面構件的殘余應力研究.Young等［3］對2個不銹鋼冷軋不等邊箱形截面進行了完全分割，測得了截面的殘余應力數值.Cruise等［4-5］采用分割法量測了18個冷成型不銹鋼構件截面(其中包括7個冷軋不銹鋼箱形截面試件)的殘余應力大小和分布，并提出了簡化分布模型.Jandera等［6］采用X射線衍射法對2個冷軋不銹鋼箱形截面的殘余應力分布進行了測量.Quach等［7-8］對不銹鋼冷成型構件加工過程中的殘余應力進行了研究.

目前，就筆者所見文獻而言，尚無針對不銹鋼焊接箱形截面試件的殘余應力試驗研究.本文對2種材料牌號的8個不銹鋼焊接箱形截面的殘余應力分布進行了實測，得出截面焊接殘余應力的大小與分布形態，并基于實測數據，提出能夠準確預測截面殘余應力分布的簡化模型.

1 材料力學性能

在切割下料的熱軋原板上切取材性試件，受拉與受壓材性試件的尺寸分別滿足 GB/T 228—2010［9］和 GB/T 7314—2005［10］的相關規定.單調拉伸和壓縮材性試驗均借助萬能試驗機進行，得到了2種牌號的不銹鋼力學性能參數［11］.板材的縱向拉伸與壓縮力學性能指標見表1.表中，試件的組成板件厚度均為t=6 mm;E0為材料彈性模量;σ0.01和σ0.2分別表示殘余應變為0.01%和0.2%時的應力值，且σ0.2即為不銹鋼材料的名義屈服強度;σu為極限受拉強度;εf為受拉材性試件的斷后伸長率.

表1 不銹鋼板材的縱向材性參數

2 殘余應力試件

所設計的8個不銹鋼焊接箱形截面試件包括4個等邊箱形和4個不等邊箱形截面試件.不銹鋼的2種材料牌號為奧氏體型S30408(AISI 304，EN 1.4301)和雙相型 S22253(2205，EN 1.4462)［12］.試件截面的形狀示意圖見圖1.圖中，B為截面寬度;b0為翼緣板在腹板間的無支承寬度;H為截面高度;h0為腹板在翼緣間的凈高度.試件組成板件均采用水切割下料而成，且所有板件均沿板材的軋制方向下料.箱形截面試件的翼緣和腹板之間采用坡口對接焊縫連接，焊腳尺寸hb=5 mm.采用手工焊條電弧焊進行對稱施焊，盡量減少焊接變形.焊條的選擇應與母材匹配，盡量保證熔敷金屬與母材金屬的一致性，奧氏體型S30408試件采用E308型焊條，雙相型S22253試件采用E2209型焊條.

圖1 殘余應力箱形截面試件示意圖

試件加工完成后首先進行焊縫的外觀檢查，保證試件分割段焊縫的均勻性，以便得出具有代表性的量測結果.所加工的焊接不銹鋼箱形截面試件的平均實測尺寸見表2.試件截面的主要變化參數包括材料牌號、板件的寬厚比等.

殘余應力試件段的長度為標距段長度加上兩端的預留長度.標距段長度即為Whittemore手持應變儀的標準標距254 mm.標距孔兩端各留25 mm長的富余，以便在后續加工中保護標距孔遠離干擾.為了減少端部效應和焊接過程中不均勻熱輸入的不利影響，分割段兩端各預留1.5倍截面橫向尺寸的長度(見圖2)［13］.而殘余應力試件兩端的切割段將作為短柱試件，開展局部穩定試驗研究，因此其長度也必須滿足不小于3倍構件橫向尺寸的要求.

表2 箱形截面殘余應力試件的截面實測尺寸

圖2 殘余應力試件長度要求(單位:mm)

3 殘余應力測量

采用分割法來完成試件截面殘余應力的測量.將整體截面分割為預定的細小條帶，假定該過程完全釋放條帶內的殘余應力，所測得的全部條帶的殘余應力即可反映截面上殘余應力的大小及分布.殘余應力測量試驗中的關鍵技術和步驟如下:

①設定切割條帶并加工標距孔.條帶的基本寬度取為10 mm，根據各個截面的實測尺寸進行細微調整，共計648個條帶.在構件上按照設定的條帶寬度，于每個條帶中軸線的兩端加工標距孔(見圖3)，標距孔直徑為2 mm.鉆孔后進行倒角處理清除毛刺，倒角深度控制在0.5 mm，共計1296個標距孔.

圖3 標距孔加工圖

②測量初始標距長度.在對加工好的標距孔進行清潔處理后，采用Whittemore手持應變儀測量每個條帶上外側標距孔的距離.初始標距長度r1取為3次讀數的平均值，溫度校正棒的相應讀數記為t1.

③試件截面分解為組成板件.利用線切割機床(見圖4)從殘余應力試件上切取下分割段，然后將試件截面沿焊縫位置切開，每個箱形截面試件分解成4塊組成板件，對板件內側的標距孔進行倒角加工.補充測量條帶內側的初始標距孔長度，并記錄相應溫度矯正棒的讀數.

圖4 電火花線切割機床照片

④對試件截面進行完全分割.將各組成板件完全分割為條帶，充分釋放各條帶內的殘余應力，測量完全釋放殘余應力后的條帶長度r2，相應溫度校正棒的讀數記為t2.圖5展示了一個完全分割成條帶的試件——不等邊箱形截面R304-300.

圖5 完全分割的殘余應力試件截面(R304-300)

本試驗中的切割技術為無附加熱量輸入的線切割，不會對截面的殘余應力分布產生額外影響.測量工具為Whittemore機械式手持應變儀，精確度達到2.5 μm，測量的殘余應變值可以精確至10－5.

4 試驗結果與分析

采用分割法將殘余應力試件截面完全分割后，基于測得的標距孔長度，單個條帶所釋放的殘余應變可以根據下式計算得到:

式中，L0=254 mm為條帶的初始標準標距.在截面完全分割后，少數位于對接焊縫附近的條帶呈現出較明顯的彎曲形狀，手持應變儀直接測量得到的最終條帶長度為偏短的弦長，故需要根據彎曲矢高對式(1)計算得到的殘余應變進行近似弧長修正［14］，得到修正的應變εc為

式中，δ為彎曲矢高;L=L0+(r1－t1)為條帶的初始標距長度.當δ/L＜0.001時，條帶彎曲導致的影響可以忽略不計，即不考慮式(2)的弧長修正.

將測得的釋放殘余應變乘以材料受拉或受壓彈性模量，即可得出條帶釋放的殘余應力值.釋放的殘余應變為負值時對應受拉殘余應力，殘余應變為正值時對應受壓殘余應力.將各個條帶所釋放的殘余應力匯總，并對應原條帶切分的具體位置，繪制出所測全部8個箱形試件截面上的焊接殘余應力分布形態(見圖6).將條帶內側與外側的殘余應力數據進行數值平均，所得的平均值可以近似認為是板件中心厚度位置的殘余應力值.

由圖6可知，所有不銹鋼焊接箱形截面試件的殘余應力分布形態規則、連續，在翼緣和腹板的對接焊縫附近存在較高的殘余拉應力，在板件中部則呈現殘余壓應力.主要特征包括以下3點:

1)對接焊縫附近的殘余拉應力峰值較高，而且翼緣和腹板的殘余拉應力峰值相當.對于S30408和S22253兩種牌號的不銹鋼箱形截面，殘余拉應力峰值的平均幅值分別為198和305 MPa，而峰值應力分別達到236(即0.75σ0.2)和348 MPa(即0.58σ0.2).

2)組成板件殘余壓應力的峰值與板件的寬厚比直接相關，板件的寬厚比越大，殘余壓應力峰值越小.對于等邊箱形截面而言，翼緣板和腹板中部的殘余壓應力峰值相當;對于不等邊箱形截面而言，短邊的殘余壓應力峰值一般大于長邊.具體來說，板件S304-130的平均殘余壓應力峰值為162 MPa(即0.58σ0.2)，而板件S304-300的平均峰值僅為78 MPa(即0.28σ0.2).

圖6 實測焊接不銹鋼箱形截面殘余應力的分布形態

3)由于條帶的內側殘余應力值是將截面分割成組成板件后進行補充測量得到的，在切分過程中已經釋放了一部分殘余應力，因此內側應力值一般低于外側值.但由于釋放的殘余應力有限，二者之間的差別仍然處于可以接受的范圍內.

5 簡化的殘余應力分布模型

5.1 現有的簡化分布模型

根據試驗測得的殘余應力數據，可將不銹鋼焊接箱形截面殘余應力分布簡化為如圖7所示的分布形態.圖中，σft和σwt分別為翼緣和腹板的殘余拉應力峰值;σfc和σwc分別為翼緣和腹板的殘余壓應力峰值;e和g分別表示翼緣和腹板的拉應力峰值區域寬度;f和h分別表示翼緣和腹板的拉壓應力轉換區域寬度.

圖7 殘余應力分布形態示意

試驗結果表明，σft和σwt可以取為相等，而且箱形截面上單塊板件的殘余應力可以實現自平衡，殘余應力峰值之間具有如下的平衡關系式:

就筆者所知，現有的相關研究只針對冷成型的不銹鋼箱形截面，尚沒有關于不銹鋼焊接箱形截面殘余應力分布的試驗研究.試件截面內殘余拉應力峰值一般低于材料的名義屈服強度，奧氏體型S30408和雙相型S22253兩種不銹鋼試件分別大約達到其名義屈服強度的80%和60%。ECCS的設計手冊［15］中給出了普通碳素鋼焊接箱形截面的殘余應力分布簡化模型.表3列出了該簡化模型的分布參數值.

表3 ECCS殘余應力分布模型參數值

該ECCS簡化模型針對不同的板件寬厚比提出了不同的分布參數.當板件寬厚比較小時，不再考慮殘余拉應力區的寬度，板件的殘余壓應力根據板件的自平衡條件計算得出.

將該模型與8個不銹鋼焊接箱形截面試件的實測殘余應力結果進行對比，對殘余應力采用材料名義屈服強度σ0.2進行正則化，同時對條帶的位置進行歸一化，結果如圖 8 所示.圖中，σr/σ0.2表示歸一化殘余應力值;x/(B/2)表示在翼緣板內殘余應力條帶對應的歸一化位置;y/(h0/2)表示在腹板內殘余應力條帶對應的歸一化位置。從圖中可以看出，ECCS建議的分布模型的拉應力峰值偏大，殘余拉應力與壓應力之間的轉換區段模擬不夠準確，難以合理預測板件中部殘余壓應力的幅值.因此，需要根據試驗得出的不銹鋼焊接箱形截面殘余應力分布特點，研究對應的簡化殘余應力分布模型.

5.2 修正的殘余應力分布模型

從試驗結果與ECCS殘余應力簡化分布模型的對比出發，對ECCS分布模型進行修正，調整模型中特征參數取值，降低焊縫附近的殘余拉應力峰值，考慮拉應力區域寬度與板件寬度的相關性，并且增大殘余拉應力與壓應力之間過渡區域長度，提出了如表4所示的不銹鋼焊接箱形截面殘余應力簡化分布模型.板件中部殘余壓應力峰值可以根據截面平衡條件式(3)計算得到.

表4 建議分布模型的特征參數

由于鐵素體型不銹鋼在材料性能上與雙相型具有較大程度的相似性，故可以套用雙相型不銹鋼焊接箱形截面的殘余應力分布模型.將實測的殘余應力試驗結果與該建議模型進行比較，結果見圖9.由圖可知，所提出的建議分布模型能夠準確可靠地模擬奧氏體型S30408和雙相型S22253不銹鋼焊接箱形截面的殘余應力分布形態，預測結果與試驗結果吻合良好，故可以推薦作為不銹鋼焊接箱形截面的殘余應力分布模型.

6 結論

1)利用分割法將8個不銹鋼焊接箱形截面試件完全切分，測量釋放的殘余應力，得到了奧氏體型S30408和雙相型S22253兩種不銹鋼牌號的焊接箱形截面殘余應力的實測數據.

圖8 試驗結果與ECCS分布模型對比

圖9 建議分布模型與測得的殘余應力試驗結果對比

2)不銹鋼焊接箱形截面的翼緣和腹板在焊縫位置的殘余拉應力相當，但其峰值仍低于材料的名義屈服強度.對奧氏體型S30408和雙相型S22253兩種牌號的試件截面而言，該峰值分別接近其名義屈服強度的80%和60%.

3)焊接箱形截面組成板件中部呈現殘余壓應力，其幅值與板件寬厚比直接相關.殘余壓應力的峰值隨板件寬厚比的增大而降低.

4)原有的針對普通鋼材焊接箱形截面的殘余應力分布模型不再適用，在殘余應力幅值、各應力區域寬度等方面均無法對不銹鋼焊接箱形截面的殘余應力進行準確模擬.

5)根據得到的殘余應力實測數據，對原有的普通鋼材殘余應力分布模型進行了適當修正，提出了適用于不銹鋼焊接箱形截面殘余應力分布形態的簡化模型.該模型能準確合理地預測焊接殘余應力的大小與分布形態，可以為不銹鋼構件穩定性的研究提供參考依據.

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