多條焊縫組合應力場分布研究

■ 王文生

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多條焊縫組合應力場分布研究

■ 王文生

摘 要：對多條焊縫殘余應力場分布進行測試研究，結果表明，多維殘余應力場分布同多道焊的順序、工藝等有關，相互之間應力的強弱直接決定著多維殘余應力場的分布。焊縫部位殘余應力最大，距離多維焊縫25 mm以上拉應力迅速降低接近于0 MPa，50 mm以上基本均為殘余壓應力。多維殘余應力場分布中拉應力分布面積有限，且拉應力隨著距焊縫距離的增加迅速衰減，試樣端部殘余應力均小于內部焊縫處殘余應力。主焊縫或最后1道焊在消除殘余應力時，應作為主要部位予以重點關注。

關鍵詞：焊縫；殘余應力；機械切割法；焊接

0　引言

工程結構在機械加工和熱加工的過程中會產生不同大小的殘余應力，殘余應力的存在對結構件的宏觀性能有著重大的影響，焊接結構件尤為明顯。由于焊接時熱源的移動，導致結構件出現局部的不均勻相變影響。正是由于連續的加熱和冷卻，致使結構件內部存在溫度梯度，從而產生焊接熱應力。大量失效研究表明，殘余應力是焊接結構件發生失效的主要原因之一。對于復雜結構的焊接結構件，其焊縫均為多維多道焊，其殘余應力場分布狀態復雜，獲得其殘余應力場分布規律，對消除復雜結構件的殘余應力意義重大。

1　焊接樣品及測試方案

選取目前工程結構應用廣泛的Q345型板材，按X道→Y道→Z道→X道順序進行焊接，其中，X向2道焊，X向外側主焊縫作為最后1道焊，共計4道焊。由于Q345鋼的冷裂紋傾向較大，應選用低氫型的焊接材料，同時考慮到焊接接頭應與母材等強度的原則，選用E5015（J507）型電焊條。由焊接工藝嫻熟的焊接技師采用手工電弧焊進行焊接，焊接前進行預熱，預熱溫度為100 ℃。為了得到最準確的殘余應力場分布，焊后不進行任何熱處理，自然放置冷卻，為了保證測試結果的準確可靠，準備了3件試樣。母材及電焊條的機械性能見表1。

由于殘余應力場分布的主應力大小及方向都未知，因此對每個測試點均采用電阻值為120 Ω的0°、45°和90°角的三向應變花進行測試，測出3個方向的應變，從而確定該測試點的主應力及主方向角。采用XL2101G60型應力應變測試儀進行測試，以1/4橋橋路方式連接，在相同試樣上貼溫度補償片進行溫度補償，以消除溫度對殘余應力測試結果的影響。采用雙股屏蔽電纜，屏蔽電纜線阻約0.5 Ω，測試時需考慮線阻對測試結果的影響。在整個多維殘余應力場中沿X、Y、Z各道焊縫共布置測試點18處，測試點之間距離為25 mm，應力測試點排布位置見圖1，測試點坐標見表2。

表1　母材及電焊條機械性能

圖1　應變花布置圖

表2　測試點坐標系　mm

目前測量殘余應力的方法有機械切割法、盲孔法、X-射線衍射法等。其中，機械切割法由于將結構件破壞，殘余應力釋放完全，測試精度高。本次試驗采用逐層剝削機械切割測試法沿主焊縫截面方向由外至內對每個被測試件進行剖分，切割法測量時將被測部分完全分離，使結構件上的殘余應力釋放，剖分引起殘余應力完全釋放，釋放應變測量靈敏度高。利用電阻應變計測量釋放應力，間接得到樣品內的初始殘余應力（見圖2）。

2　測試結果

由于殘余應力的主應力大小及方向都未知，因此對每個測試點測出3個方向的應變后，確定該測試點的主應力及主方向角。三向應變花主應力的大小及方向的計算公式如下。

式中：ε0°為0°方向應變測試值；ε45°為45°方向應變測試值；ε90°為90°方向應變測試值；σmax為最大主應力，MPa；σmin為最小主應力，MPa；E為彈性模量；θ為主方向角，（°）；μ為泊松比。

采用逐層剝削并最終切割完成放置12 h后，記錄各測點的殘余應力值，各測點殘余應力測試結果見表3。

圖2　切割過程中殘余應力釋放

3　殘余應力場分布狀況

在焊接過程中，接頭金屬及其附近母材金屬受到加熱后伸長，但伸長時被周圍冷金屬拘束而受到壓縮。在壓縮量大于母材金屬的屈服變形量時，產生相應的塑性變形量。與此同時，受熱區域的力學熔點下降，進而產生更大的塑性變形量。在焊后冷卻過程中，塑性變形被保留下來，使加熱壓縮區域產生拉伸應力，更遠的區域產生壓應力。焊接接頭中殘余應力存在2個方向的應力，即沿焊縫長度方向的縱向殘余應力和垂直于焊縫方向的橫向殘余應力。

測試結果表明，靠近焊縫的測試點殘余應力最大，且均為殘余拉應力，部分殘余應力接近甚至超過材料本身的屈服強度，距離焊縫越遠，殘余拉應力越小，且衰減迅速，距離焊縫25 mm以上，殘余應力接近于0 MPa，當距離焊縫50 mm以上時，殘余應力變為壓應力，說明多維殘余應力場分布中拉應力分布面積有限，且拉應力隨著距焊縫距離的增加衰減迅速。

縱向殘余應力的大小與Y向及Z向焊縫的距離呈正比，即距離越近，殘余應力越大；距離越遠，殘余應力越小，且殘余應力由殘余拉應力逐步變為殘余壓應力，說明Y向及 Z向的殘余應力對X向焊縫殘余應力有直接影響。Y向及 Z向3個截面間的殘余應力分布曲線見圖3、圖4，X-Y平面內殘余應力場分布見圖5。

表3　各測點殘余應力測試結果

圖3　Y向殘余應力場分布曲線　

圖4　Z向殘余應力場分布曲線

圖5　X-Y平面殘余應力場分布

4　結論

（1）多維殘余應力場分布同多道焊的順序、工藝等均有關系，相互之間應力的強弱直接決定著多維殘余應力場的分布。

（2）靠近焊縫的測試點殘余應力最大，且均為殘余拉應力，部分殘余應力（即1點和5點）接近甚至超過材料本身的屈服強度，距離焊縫越遠，殘余拉應力越小，且衰減迅速，距離多維焊縫25 mm以上，殘余拉應力接近于0 MPa，當距離多維焊縫50 mm以上時，殘余應力場基本均已變為殘余壓應力，說明多維殘余應力場分布中拉應力分布面積有限，且拉應力隨著距焊縫距離的增加衰減迅速。

（3）縱向殘余應力的大小與Y向及Z向焊縫的距離呈正比，即距離越近殘余應力越大，距離越遠殘余應力越小，且殘余應力由殘余拉應力逐步變為殘余壓應力。研究結果說明，Z向的殘余應力對X向焊縫殘余應力有著直接影響。

（4）試樣端部殘余應力均小于內部焊縫處殘余應力，且端面焊縫處殘余應力大小僅約為內部焊縫處殘余應力的1/2，這是由于端部由于僅1側有約束，殘余應力得到部分釋放。

（5）3維焊縫的焊縫交接中心點即2點，由于3道焊縫均對該點的殘余應力有影響，故對于該點的殘余應力雖然接近3道焊縫，但相互之間殘余應力及多次焊接導致的相當于退火等熱處理工藝反而抵消了該部位的殘余應力，使得該部位的殘余應力較小，但最后1道焊接為主焊縫，使得該部位仍存在殘余拉應力。

（6）主焊縫或最后1道焊對于多維殘余應力場分布的影響最大，故對于主焊縫或最后1道焊在消除殘余應力時，應作為主要部位予以重點關注。

5　參考文獻

[1] 陸才善. 殘余應力測試小孔釋放法[M]. 西安：西安交通大學出版社，1991.

[2] 倪紅芳，凌祥，涂善東. 多道焊三維殘余應力場有限元模擬[J]. 機械強度，2004，26(2)：218-222.

[3] 蔡洪能，唐慕堯. TIG焊接溫度場的有限元分析[J]. 機械工程學報，1996，32(2)：34-39.

王文生：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，高級工程師，江蘇 常州，213011

責任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U213.4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0058-04