圓弧焊接角焊縫殘余應力自然時效敲擊處理熱處理的效果分析

平克楠

（太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024；山西省高端重型裝備智能制造重點科技創新平臺，山西 太原 030024）

1 概述

一些工作繁忙的A7級鑄造起重機門孔孔邊焊縫、箱型梁加筋板焊縫經常出現較嚴重的開裂現象，通常用戶或制造廠都會采用焊接修復手段處理，但很多情況下，修復效果沒有明顯好轉。以此為工程背景，對圓弧角焊縫殘余應力數值范圍及自然時效、敲擊處理、熱處理幾種工藝條件下的變化效果進行比較和分析，為設計制造技術的改進提供科學依據。本文的主要研究思路是對圓弧角焊縫殘余應力可控程度進行分析，對不同技術工藝的效果進行比較。希望突破定性的技術分析思路，在可以量化的數據指導下，控制殘余應力的初始范圍。

2 殘余應力測試技術

焊接殘余應力是由于焊接部位局部高溫加熱，在焊縫及其附近區域產生的殘存于構件內的應力，其數值、分布形態對焊接結構的靜載強度、疲勞強度都會產生很大的影響。因此，為了保證焊接結構的可靠性，改善其使用性能，測定并掌握焊接殘余應力在焊接結構中的分布規律變得十分必要。殘余應力的測量技術始于20世紀30年代，測量方法可分為機械釋放測量法和非破壞無損傷測量法2種。本試驗選用屬于機械釋放測量法的小孔釋放法測量焊接殘余應力，是由德國學者J.Mathar于1934年提出，現已得到廣泛應用，具有操作簡單、測量方便等特點。

3 模擬實際焊接工藝的圓弧角焊縫試驗件

3.1 圓弧角焊縫試驗件

設計參數：實際產品門孔原型，開孔鋼板厚10 mm，加筋板厚20 mm。

技術要求：實際制造工藝，開孔邊角弧形，R150、R200組合件。

材料：Q345B。

焊接裝配間隙≤2 mm 3件，間隙≈5 mm 1件。

3.2 焊接工藝參數

焊接方法：氣體保護焊；

電焊機型號：良名電氣KR-500S；

焊接材料：ER50-6，φ1.2，80%Ar+20%CO2；

I＝280～300A，U＝27～30 V，V＝60～70 cm/min；

焊高△8，雙面焊接。

3.3 試驗件焊接裝配間隙

試驗件1、試驗件2、試驗件3焊接裝配間隙1～1.5 mm，試驗件4焊接裝配間隙約為5 mm。

圖1 圓弧角焊縫試驗件

3.4 殘余應力測試點

沿每個試驗件的R150弧形焊縫和R200弧形焊縫分別布置5個殘余應力測試點A，B，C，D，E，鉆孔點位于焊縫中心，φ2.0、孔深4 mm，如圖1所示。

A點為弧線與直線交點測試部位，B點為偏離A點22.5°的測試部位，C點為偏離A點45°的測試部位，D點為偏離A點67.5°的測試部位，E點為偏離A點90°的測試部位。

在實施每一種處理工藝后，新的一組殘余應力測試點對應為A′，B′，C′，D′，E′，各自位于距離原測試點20 mm的焊縫中心。

3.5 殘余應力測試數據解釋

殘余應力測試數據可以表示為每個部位的主應力σ1和σ2，采用第四強度理論的合成應力，比較殘余應力的前后變化。

4 自然時效前后殘余應力變化

4.1 自然時效前后殘余應力測試數據

試驗件1、試驗件2在制造后試驗（2011年1月）與自然環境放置16個月后試驗（2012年5月），前后殘余應力測試數據見表1.

表1 自然時效16個月前后的殘余應力測試數據

表2 敲擊試驗前后的殘余應力測試數據

表3 熱處理前后的殘余應力測試數據

表4 幾種工藝處理后的殘余應力變化效果綜述

4.2 自然時效前后殘余應力變化綜述

通過自然時效16個月前后的試驗，試驗件1 R150段自然時效16個月后的殘余應力平均降幅17.1%，試驗件2 R150段自然時效16個月后的殘余應力平均降幅17.7%.

同樣，試驗件1 R200段自然時效16個月后的殘余應力平均降幅15.2%，試驗件2 R200段自然時效16個月后的殘余應力平均降幅17.6%.

5 敲擊試驗前后殘余應力變化

5.1 敲擊試驗方法

對試驗件2，沿R150段加墊φ10鋼筋，在測試部位手工敲擊，敲擊次數80次，敲擊頻率2次/s。為比較敲擊頻率的影響，再沿R200段加墊φ10鋼筋，在測試部位手工敲擊，敲擊次數80次，敲擊頻率改變為1次/s。

5.2 敲擊試驗前后殘余應力測試數據

敲擊試驗仍然在試驗件2上完成。殘余應力測試數據見表2.

5.3 敲擊試驗前后殘余應力變化綜述

通過敲擊試驗前后的殘余應力試驗，敲擊次數80次，敲擊頻率2次/s，試驗件2 R150段的殘余應力平均降幅42.4%.改變敲擊頻率后，敲擊次數80次，敲擊頻率1次/s，試驗件2 R200段的殘余應力平均降幅29.0%.

6 熱處理前后殘余應力變化

6.1 熱處理工藝

將試驗件3、試驗件4放置于熱處理加熱爐內，4 h升溫至510～520℃→爐內保溫時間8 h→爐內降溫時間5 h→出爐。

6.2 熱處理前后殘余應力測試數據

熱處理前后的殘余應力測試數據見表3.

6.3 熱處理前后殘余應力變化綜述

通過熱處理前后的殘余應力試驗，試驗件3 R150段熱處理后的殘余應力平均降幅54.1%，試驗件4 R150段熱處理后的殘余應力平均降幅66.0%.同樣，試驗件3 R200段熱處理后的殘余應力平均降幅64.7%，試驗件4 R200段熱處理后的殘余應力平均降幅62.0%.

7 自然時效、敲擊處理、熱處理效果評價

4組數據的測試結果顯示，自然時效16個月后殘余應力平均降幅15.2%～17.7%.2組數據的測試結果顯示，敲擊處理后殘余應力平均降幅明顯，并且與敲擊頻率有關，敲擊次數80次，敲擊頻率2次/s時，殘余應力平均降幅42.4%；敲擊頻率1次/s時，殘余應力平均降幅29.0%.4組數據的測試結果顯示，熱處理后殘余應力平均降幅54.1%～66.0%.幾種工藝處理后的殘余應力變化效果綜述見表4.

8 綜合結論

綜上所述，得出以下結果結論：①位于鑄造起重機箱型主梁開孔處的圓弧焊接角焊縫殘余應力數值接近或稍高于外載荷作用下的工作應力，因此焊縫殘余應力對焊縫開裂的影響相當于工作應力產生的影響。②通過同組產品試驗件焊縫殘余應力試驗，自然時效16個月后的殘余應力降幅約為17%.③通過同組產品試驗件焊縫敲擊處理前后的殘余應力試驗對比，焊縫殘余應力降幅明顯，并且與敲擊頻率有關。這一結果對于易開裂焊縫局部區域的強化處理具有明確的啟示意義。④通過同組產品試驗件熱處理前后的殘余應力試驗對比，焊縫殘余應力降幅約為60%.這種工藝的效果非常明顯和有效，但對大型焊接產品難以實施，此時實施局部敲擊處理可以達到相似的效果。

［1］平克楠.冶金類繁重級別起重機運行安全檢測及風險點控制［J］.科技創新與應用，2017（32）：82-83.

［2］付榮柏.起重機鋼結構焊接制造技術［M］.北京：機械工業出版社，2010.

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