焊接電流對Q235鋼焊接接頭殘余應力的影響

邰 馳 高志剛 陸建國 許明明

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院太倉分院）(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院）

焊接電流對Q235鋼焊接接頭殘余應力的影響

邰 馳*高志剛 陸建國 許明明

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院太倉分院）(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院）

對12 mm厚Q235試板進行手工電弧焊試驗研究。采用3種不同焊接電流參數對3組試板進行焊接，以研究不同焊接電流下焊接接頭所產生的殘余應力。3組試板均采用雙面焊。分別對正面填充焊和蓋面層焊采用155 A、165 A、175 A三種焊接電流。焊完后采用殘余應力測試方法對焊接接頭進行分析。研究結果表明，Q235鋼在175 A電流下焊接接頭殘余應力比165 A電流下大，155 A電流下最小。隨著焊接電流的增大，焊接殘余應力升高。

焊接電流 Q235鋼 焊接接頭 殘余應力 手工電弧焊

0 引言

Q235鋼在工業上應用廣泛，大量應用于建筑及工程結構，用于制作鋼筋，或用于建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器、船舶等。焊接殘余應力往往會使焊接產品質量下降，甚至會因無法補救而不得不報廢。殘余應力較大的部位往往會發生應力腐蝕或疲勞裂紋。因此，有必要仔細研究Q235鋼焊接結構的應力分布狀態及相關調控措施。不同的焊接工藝參數對Q235鋼焊接接頭殘余應力有不同的影響，在手工電弧焊中焊接電流大小尤其關鍵。因此，本文用不同大小的焊接電流作為差異參數，來研究手工電弧焊中焊接電流對Q235鋼焊接接頭殘余應力的影響。

1 焊接試驗

1.1 Q235鋼基本性能介紹

Q235鋼是普通的碳素結構鋼，Q代表屈服極限，235代表屈服值為235 MPa左右。Q235鋼隨著厚度增大其屈服值會減小。Q235鋼分為Q235A、Q235B、Q235C、Q235D四個質量級別。級別A、B、C、D不同是指其所做沖擊的溫度不同。其中，Q235A級為不做沖擊；Q235B級為做20℃常溫沖擊；Q235C級為做0℃沖擊；Q235D級為做-20℃沖擊。在不同的溫度下做沖擊韌性試驗，沖擊功的數值也有所不同。A、B、C、D級別的鋼其元素含量有所不同，硫含量依次遞減；A和B級的磷含量相同，C級的磷含量次之，D級的磷含量最少。

Q235鋼含碳量低，錳、硅含量也少，所以通常情況下不會因焊接而產生嚴重的硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊后接頭的塑性和沖擊韌性良好，焊接時一般不需預熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不需熱處理改善組織，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施即可獲得質量良好的焊接接頭，故Q235鋼具有優良的焊接性能[1]。

1.2 焊接殘余應力產生機理

殘余應力是當物體沒有外部因素作用時，在物體內部保持平衡而存在的應力。凡是沒有外部作用，物體內部保持自相平衡的應力，稱為物體的固有應力，或稱為初應力，亦稱為內應力[2]。焊接殘余應力是指在焊接過程中被焊工件因為電弧熱的加熱不均勻而產生的，并且當工件冷卻后仍未消除的應力。當焊縫金屬處于液態時，焊縫和相鄰區域的金屬溫度是相當高的，爾后就很快地冷卻下來。由于在焊接過程中焊件各部分受熱不同，所以會導致焊件各部分溫度也不相同，隨后的冷卻速度也不相同。焊件各部分在塑性變形、熱脹冷縮和其他各種因素的共同作用下，必然會產生焊接應力，亦即焊接殘余應力[3]。

1.3 試驗材料及設備

手工電弧焊是最基本的焊接方法，由于其具有設備簡單、操作方便靈活等特性，因此應用較為廣泛。不論從經濟上還是操作上，手工電弧焊都是本次試驗研究最佳的焊接方法[4]。為了能夠進行焊接對比，本次試驗采用3組Q235B試板，并分別采用3種不同大小的電流參數進行焊接。試板的厚度為12 mm，長寬分別為200 mm、150 mm。焊材、焊機和其他試驗設備有：J422焊條，VRTP-400 (S-2）型直流電源焊機，鄭州機械研究所生產的ZDL-Ⅱ型鉆孔儀和TJ120-1.5-?1.5型應變花，秦皇島信恒電子科技有限公司生產的CML-1H-16型應變/應力采集儀。

1.4 焊接工藝參數的確定

在該試驗中，選用?3.2 mm和?4.0 mm的焊條。焊接層數為五層，正面四層，反面一層 （打磨后）。試板一、試板二、試板三的焊接工藝參數分別如表1、表2、表3所示。確定了焊接工藝參數，并且關注到焊接的注意點后，開始施焊并記錄數據。試板一的正反面焊接接頭外觀形貌分別如圖1、圖2所示。試板二、試板三的正反面焊外觀形貌圖略。

表1 試板一的焊接參數

表2 試板二的焊接參數

表3 試板三的焊接參數

圖1 試板一正面焊

3組試板焊完冷卻后，先觀察檢驗其外觀形貌，如圖3所示。

圖2 試板一反面焊

圖3 焊接完成的3組試板

2 焊接殘余應力測量

2.1 確定焊接殘余應力的測量方法

焊接殘余應力的測量方法有機械釋放測量法、X射線衍射法、超聲波法、磁性法、裂紋柔度法以及共振頻率法等。機械釋放測量法的基本原理是使構件中的殘余應力從構件中分離或者切割出來，通過測量構件應變的變化求出殘余應力的大小。這種方法有不足之處，它會給構件造成一定的損傷和破壞。其優點是測量精度高、理論完善、技術成熟，因此目前應用廣泛。該方法主要包括盲孔法、鉆孔法、環芯法、分割切條法等，其中淺盲孔法的破壞性最小。本次試驗采取盲孔法測試殘余應力。

2.2 盲孔法測試原理

鉆孔法測量殘余應力的基本原理[5-7]是：采用一種非常特殊的箔式應變花貼片粘貼在需要檢測的工件表面上，然后在應變花的中心處鉆出一個孔徑約為2 mm、孔深約為2 mm的小孔。鉆孔后鉆孔部位就會產生局部的應力釋放，而箔式應變花可以感應出應變變化，這種應變叫做釋放應變。應變花貼片編號次序與參考坐標軸如圖4所示。

圖4 應變花貼片粘貼位置

應力測量儀測讀出應變變化后，即可根據計算公式得到孔深范圍內的平均主應力 （σ1、σ2）和主應力方向角 （θ）。

由主應力可求得X、Y方向應力:

式中 ε1、ε2、 ε3——應變花中各應變片感受到的釋放應變， 單位符號為 με（με為微應變的單位符號）；

A、B——釋放系數，與孔徑、孔深、應變花幾何尺寸及被測材料的彈性模量E、泊松比μ有關，需事先標定給出。

本試驗采用的TJ120-1.5-?1.5型應變花，在Q235鋼上鉆?1.5 mm孔的釋放系數A、B為：

2.3 盲孔法測試操作步驟

2.3.1 工件表面制備

粘貼應變花的表面須用特制的砂輪打磨機打磨除銹、除氧化皮，使Ra值保持在3.2～6.4之間，打磨的面積不小于應變花面積的4倍。粘接鉆具固定腿處表面可粗糙一點，以增加摩擦力。用丙酮擦拭粘貼表面油污。為了除凈表面殘留的鐵屑、粉末等，建議用棉花球或紗布多次擦洗，直至棉花球或紗布上無污點為止。

2.3.2 應變花的粘貼

（1）應變花粘貼前應對其作外觀檢查，保持外觀平整。

（2）粘貼前，用蘸有丙酮的棉花球或紗布擦拭需要粘貼的工作表面，保證表面整潔，切勿用手去觸碰需粘貼應變花的工作表面。

（3）滴一滴優質固化特性的502膠水在需粘貼應變花的工作表面，以第一個應變花為基準，依次將應變花粘貼在工作表面，然后在上面放置一小塊塑料薄膜，用大拇指用力按壓2 min左右。

（4）固化時間一般為5～6 h。

2.3.3 焊接導線

（1）將應變花的6根引線輕輕拉起，在接近應變花基底的部位粘上絕緣層。

（2）在絲柵部位覆蓋一小塊絕緣膠帶，并將引出線蓋住一部分，這樣一方面鉆孔時可防止鐵屑損壞絲柵或引起短路，另一方面也可加固引出線不致被拉斷。

（3）將應變花導線連接到相應的應力測量儀接線柱A、B上，補償片導線接到接線柱B、C上。

（4）應力測量儀調零后，檢查應變花是否穩定，有無不斷變化的特征。如果不穩定，就要重新檢查應變花的焊接點是否焊好，是否達到規定的要求，或者還需要排除其它的一些故障。如果有嚴重漂移問題，應重新貼片，重新測量。

2.3.4 鉆具安裝

（1）將鉆具 （帶上放大鏡）放在工件表面，通過放大鏡觀察，使鉆具初步對準應變花中心位置。

注意：事先將鉆具的高度和水平調好。盡可能調節三支腿成一致，以保證鉆桿垂直于工件表面。鉆具的高度應盡可能低，使鉆具穩定性好。

（2）在鉆具固定塊與工件接觸面縫隙處涂少許502膠水，擰緊支腿上的鎖緊帽將鉆具固定于工件表面。

（3）松開鎖緊壓蓋，對X、Y方向的4個調節螺絲進行微調，同時轉動放大鏡，使放大鏡的十字中心線與應變花的中心標記盡量重合，然后鎖緊壓蓋。

（4）應力測量儀重新調零。

2.3.5 鉆孔

（1）取出帶端銑刀的鉆桿擦干凈，在鉆桿身上滴潤滑油，然后插入鉆具套筒里輕輕轉動，劃去鉆孔部位的應變花的基底 （比鉆孔的孔徑略大0.15～0.2 mm）。

（2）測讀應力儀上每個應變片的讀數，一般變化不大。應力儀重新調零。

（3）取出帶?1 mm麻花鉆的鉆桿，擦干凈，滴上潤滑油，然后插入鉆具套筒里。松開深度定位卡圈，塞入深度控制塊，之后固定卡圈 （距離圓孔臺約2 mm）。

（4）由一人壓著鉆具，啟動手電鉆開鉆。手持電鉆盡可能垂直于工件表面，壓力適中，直至鉆到預定孔深，然后撥出鉆桿。

（5）使用帶?1.5 mm麻花鉆的鉆桿，接著步驟同前述步驟 （3）。啟動手電鉆擴孔，調壓器調至100 V左右，進刀量盡可能小，達到預定深度后撥出鉆桿。

（6）等待約2 min后測讀應力儀讀數，并記錄數據。

圖5為殘余應力小孔模擬圖，圖中數據的單位為mm。

圖5 殘余應力小孔模擬圖

2.3.6 盲孔法測試結果與分析

相關的殘余應力測試和按公式計算的數據如表4、表5、表6所示。

根據表4、表5、表6，作出圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，在焊縫中心處，試板三的縱向殘余應力最高，試板一最低。而在遠離焊縫處，三塊試樣的縱向殘余應力大小基本相同。在距離焊縫中心20 mm處，縱向殘余應力由正轉為負，也就是說，在此處縱向殘余應力由拉應力轉變為壓應力。在遠離焊縫中心處，不論是縱向殘余應力，還是橫向殘余應力，它們的變化趨勢是一致的。在焊趾處，試板三橫向殘余應力最高。越遠離焊縫中心，橫向和縱向殘余應力越趨于穩定。根據應力分布圖可知，隨著焊接電流的增大，焊縫區的拉應力增大。焊縫區拉應力越大，焊縫質量就越差[8]。

表4 試板一上的應變、應力值

表5 試板二上的應變、應力值

表6 試板三上的應變、應力值

圖6 縱向殘余應力分布圖

3 結論

本文對12 mm厚Q235B試板采用手工電弧焊方法，分別用3種不同焊接電流參數對3組試板進行焊接試驗，研究不同焊接電流對焊接接頭殘余應力大小的影響。3組試板均采用雙面焊，分別在正面焊縫填充和蓋面層焊采用155 A、165 A、175 A三種大小不同的焊接電流，焊完后采用外觀檢驗和殘余應力測試方法對其進行分析。研究結果表明：

圖7 橫向殘余應力分布圖

（1）從殘余應力測試結果可以看出，焊縫區的拉應力是隨著焊接電流的增大而增大。拉應力越大，焊接接頭的質量就越差。

（2）從減小焊接殘余應力方面來講，Q235B鋼的手工電弧焊以采用 155～165 A焊接電流比較合適。

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The Influence of Welding Current on the Residual Stress of Q235 Steel Welded Joint

Tai ChiGao Zhigang Lu Jianguo Xu Mingming

The 12 mm thick Q235 plates were tested by manual arc welding.In order to study the residual stress in welding joint under different welding currents,3 welding currents were used to weld the 3 sets of test plates,and the double-sided welding were adopted.Three kinds of currents,155 A,165 A,and 175 A,were used in the welding of the front filling layer and the capping layer.After welding,the residual stress test method was used to analyze the welding joints.The results showed that the residual stress in the welding joint of Q235 steel under the 175 A current was higher than that of 165 A,and the residual stress under 155 A current was the lowest.In other words,the welding residual stress increased with the increase of welding current.

Welding current;Q235 steel;Welding joint;Residual stress;Manual arc welding

TG 44

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.014

2016-08-17）

*邰馳，男，1990年生，助理工程師。太倉市，215400。