S355J2W+N鋼返修焊接頭殘余應力分析

常 力，宮 平

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

S355J2W+N改良型耐候結構鋼是城鐵A型車轉向架結構常用鋼板材料。城鐵A型車是借鑒動車組構架結構和B型車構架結構優點，自主研發設計的新型轉向架。在轉向架焊接制造過程中，時常產生不允許的或超出標準要求的焊接缺欠，必須通過返修焊予以清除。本研究針對S355J2W+N鋼返修焊焊接接頭殘余應力進行試驗研究，分析試件焊接及返修焊后接頭殘余應力分布情況，為返修焊接頭機械性能研究提供理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為改良型耐候結構鋼S355J2W+N，化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法

焊接試驗采用MAG焊，保護氣體為φ（Ar）82%＋φ（CO2）18%，V 型坡口平板對接接頭，單面焊雙面成形。焊接制備3個試件，分別編號A0、A2、A4，其中A0試件不進行返修焊，A2、A4試件分別進行2次、4次“模擬缺陷”的返修焊。“模擬缺陷”的清除按照如圖1所示進行，采用角向砂輪或圓柱磨頭，保證重新制備的坡口底部與側壁過渡圓滑，不得留有尖角。

表1 S355J2W+N鋼板化學成分[5]%

圖1 “模擬缺陷”清除示意

根據城鐵A型車轉向架實際制造工藝，焊接及返修焊后采用去應力退火處理，去應力退火加熱溫度590℃，保溫2 h。研究顯示，返修焊使得焊縫中心及熱影響區處的殘余應力有不同程度的增加，但在遠離熱影響區的母材處，影響效果不明顯；而焊接結構通過去應力退火處理可以削弱殘余應力的峰值[2-3]。本次研究測試的對象為殘余應力峰值得到削弱后的接頭殘余應力分布情況，以模擬交付產品的實際狀況。所有試件經去應力退火處理后進行X射線無損檢測，檢測合格后進行試驗測試分析。

2 試驗結果及分析

試驗按照CB3395-1992標準（殘余應力測試方法——鉆孔應變釋放法）測定接頭的殘余應力。鉆孔及粘貼應變花如圖2、圖3所示。

圖2 試件鉆孔

對接接頭焊縫試件上殘余應力分布的基本規律是：中心焊縫區及熱影響區受拉應力，兩側母材區域受壓力[4]。為考察給定3個試件A0、A2、A4焊接殘余應力的大小，需重點測試焊接試件上焊縫區各位置的焊接殘余應力分布，以及試件中部兩側母材上垂直于焊縫區各位置的焊接殘余應力分布。因為試件整體對稱，焊接殘余應力的分布亦是對稱分布，故測點位置選擇在焊接試件的一半區域即可，測試位置如圖4所示。焊接殘余應力計算結果如表2所示。

圖3 粘貼應變花位置

圖4 應變花位置

焊接試件上焊縫區各位置的縱向殘余應力分布、橫向殘余應力分布、最大主應力分布以及試件中部兩側母材上垂直于焊縫區各位置的縱向殘余應力分布、橫向殘余應力分布、最大主應力分布分別如圖5～圖10所示。

由表 2及圖5～圖 10可知，3組試件A0、A2、A4焊縫區域縱向應力和最大主應力主要表現為拉應力，在試板邊緣，縱向應力和最大主應力均很小。從試板邊緣至試板中心，沿焊縫分布的縱向應力和最大主應力均有增加的趨勢，中心區域殘余應力較大，但最大應力值僅為122 MPa（縱向應力）、124 MPa（最大主應力）。3組試件中，焊縫區域縱向應力和最大主應力也有較明顯的差別，焊接殘余應力從低到高的順序依次為A2、A4、A0。各試件焊縫區橫向應力以壓應力為主，最大壓應力（絕對值）出現在試件邊緣處，且數值相差不大。

表2 試樣測試數據記錄及處理

圖5 焊縫區沿焊縫中心線縱向殘余應力分布

圖6 焊縫區沿焊縫中心線橫向殘余應力分布

試件中心焊縫兩側母材區焊接殘余應力中，無論是縱向應力還是橫向應力，均為壓應力，但殘余應力最大值（絕對值）不在試件邊緣，而是在焊縫和板邊的中間區域。3組試件A0、A2、A4殘余應力絕對值從低到高的順序大致與焊縫區域縱向應力和最大主應力的分布規律接近，但差別不如前者明顯。母材區最大主應力與縱向應力分布規律相近，也主要表現為殘余壓應力。

圖7 試件中部母材區垂直于焊縫方向縱向殘余應力分布

圖8 試件中部母材區垂直于焊縫方向橫向殘余應力分布

圖9 焊縫區沿焊縫中心線最大主應力分布

返修焊次數對焊接接頭力學性能和疲勞性能均產生了明顯的影響作用[6-7]，即隨著返修次數的增加，熱影響區沖擊吸收功和接頭疲勞性能呈下降趨勢。而從本次試驗結果來看，未返修接頭的殘余應力主應力稍大于返修的。可見對于焊后經去應力退火處理的對接接頭結構而言，殘余應力對焊接接頭機械性能的影響有限，焊接接頭組織及其他因素是影響接頭機械性能的主要因素。

圖10 試件中部母材區垂直于焊縫方向最大主應力分布

3 結論

（1）焊縫區域縱向應力和最大主應力主要為拉應力，由中心向邊緣呈減小趨勢。焊縫區橫向應力以壓應力為主，最大值（絕對值）出現在試件邊緣處。母材區殘余應力為壓應力，最大值（絕對值）出現在焊縫和板邊的中間區域。

（2）經去應力退火的對接接頭試件，返修與未返修接頭之間殘余應力值差異不大，無明顯規律性。

（3）結合課題既有研究成果得出結論，對于焊后經去應力退火處理的對接接頭結構而言，殘余應力對焊接接頭機械性能的影響有限。

參考文獻：

[1]EN10025-5：2004改良的耐候結構鋼交貨技術條件[S].

[2]劉亞良，楊鑫華.補焊位置對S355J2W對接接頭殘余應力分布影響[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2016，35（11）：1290

[3]沙恒輝，劉滿華，常經宇，等.轉向架構架標準焊接接頭殘余應力數值模擬[J].電焊機，2015，45（05）：180-183.

[4]鄔強，李國義.焊縫返修引起殘余應力變化的研究[J].內蒙古石油化工，2005（05）：1-2.

[5]趙學榮，朱援祥，孫秦明.對接焊縫殘余應力的有限元分析[J].焊接技術，2003（05）：14-15+2.

[6]宮平，常力.多次返修焊對S355J2W+N鋼焊接接頭性能的影響[J].焊接技術，2011（02）：29-31+60.

[7]常力，宮平，于傳穎，張雪紅.多次返修焊對S355J2W+N鋼焊接接頭中值疲勞壽命的影響[J].機車車輛工藝，2014（03）：32-33+45.