麻相湑，麻永林，邢淑清，陳重毅，陸恒昌，賀鴻臻

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010)

手工電弧焊和氬弧焊焊接時(shí)，局部高溫加熱造成焊接溫度場(chǎng)分布不均勻，在工件的內(nèi)部產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力和變形，焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和失穩(wěn)破壞的原因。有資料表明，拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低疲勞強(qiáng)度和腐蝕應(yīng)力。壓縮的殘余應(yīng)力減小構(gòu)件的穩(wěn)定性[1]。此外，焊接殘余應(yīng)力變形使結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度難以滿足技術(shù)要求，直接影響結(jié)構(gòu)制造的質(zhì)量和性能[2]。本研究通過(guò)試驗(yàn)方法，分別測(cè)量手工電弧焊和氬弧焊焊接SS400薄板時(shí)的殘余應(yīng)力，對(duì)比分析二者在橫向和縱向殘余應(yīng)力的分布大小及研究變形規(guī)律，為工程實(shí)踐提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于控制和調(diào)整焊接的變形。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材選用某公司利用控軋控冷技術(shù)生產(chǎn)的SS400熱軋鋼板，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用SS400熱軋鋼板化學(xué)成分 %

試驗(yàn)?zāi)覆慕鹣嗾掌鐖D1所示，可見(jiàn)母材組織主要由珠光體和鐵素體雙相組成，其中鐵素體87.5%，珠光體12.5%，晶粒大小約為6 μm。手工電弧焊選用的焊條牌號(hào)為J422，化學(xué)成分見(jiàn)表2。氬弧焊選用焊條J422去掉藥皮，用砂紙打磨光滑的焊芯作為填充焊絲。

圖1 SS400鋼組織光學(xué)顯微照片

表2 J422（E4303）焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.2 焊接工藝

采用手工電弧焊和氬弧焊對(duì)SS400平板進(jìn)行對(duì)接焊。單塊鋼板尺寸300 mm×195 mm×4 mm，坡口為I形。采用與母材性能匹配的焊條和焊絲。手工電弧焊機(jī)型號(hào)為KEMPPI（MLS3500），焊接參數(shù)見(jiàn)表3；氬弧焊機(jī)型號(hào)為OTC(AVP－300 P10317)，焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 手工電弧焊的焊接工藝參數(shù)

表4 氬弧焊的焊接工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法及設(shè)備

盲孔法是一種成熟且精確度高的測(cè)試應(yīng)力的方法，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用在工程領(lǐng)域，用于測(cè)量各種焊接結(jié)構(gòu)，為焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是破壞性小，測(cè)量的數(shù)據(jù)精度和靈敏度高。因此本試驗(yàn)采用盲孔法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力。試驗(yàn)采用鄭州機(jī)械研究所生產(chǎn)的YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x（TJ120－1.5－φ1.5），試驗(yàn)設(shè)備如圖 2所示。

圖2 YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x

1.4 試驗(yàn)方案

測(cè)量手工電弧焊和氬弧焊對(duì)接殘余應(yīng)力的分布曲線，測(cè)量路徑如圖3所示。在垂直于焊縫中心的位置粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片之間距離為15 mm，記為路徑一（見(jiàn)圖3（a））；在平行于焊縫方向，距離焊縫9.4 mm位置處粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片之間的距離為17.2 mm，記為路徑二（見(jiàn)圖3（b））。應(yīng)變片之間的距離按照設(shè)備技術(shù)要求選擇，按照?qǐng)D3示意鉆孔測(cè)量。處理路徑一數(shù)據(jù)時(shí)，在焊縫左邊板寬記為負(fù)值，右邊記為正值；路徑二處理時(shí)，從下往上沿寬度方向依次記為0~300 mm。

圖3 測(cè)量路徑示意圖

2 試驗(yàn)原理

在應(yīng)力場(chǎng)中鉆小孔，應(yīng)力的平衡被破壞，鉆孔引起應(yīng)力的釋放，通過(guò)粘貼的應(yīng)變片連接到測(cè)量?jī)x上，測(cè)量出釋放的應(yīng)變。

盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的原理是采用特制的箔式應(yīng)變花粘貼在被測(cè)工件的表面，應(yīng)變花和參考軸方向如圖4所示，在應(yīng)變花的中心鉆一個(gè)小孔。通?？讖綖?.5~3.0 mm，孔深為1.5~3 mm，本試驗(yàn)孔徑為1.5 mm，孔深為2.0 mm。通過(guò)公式可以算出孔深范圍內(nèi)平均殘余應(yīng)力大小和方向。

圖4 盲孔法用三軸電阻應(yīng)變片

式中： ε1,ε2,ε3—應(yīng)變花 3個(gè)單元釋放的應(yīng)變,με；

σ1，σ2—?dú)堄鄳?yīng)力最大、最小主應(yīng)力，MPa；

θ—σ1與ε1方向的夾角，順時(shí)針取向，如

果 ε3≥ε1，取值為 θ； ε3＜ε1，取值為 θ+90°；

E，A，B—材料的彈性模量和釋放系數(shù)。

A，B釋放系數(shù)與孔徑、孔深、應(yīng)變花幾何尺寸及材料泊松比μ有關(guān)，需通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定。本試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量普通鋼： A=－0.072 55，B=－0.151 4。

由于主應(yīng)力的方向并非總是與焊縫方向一致，如圖3所示，根據(jù)公式（3）將主應(yīng)力換算成平行焊接方向的縱向殘余應(yīng)力σx和垂直于焊接方向的橫向殘余應(yīng)力σy[3]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

手工電弧焊和氬弧焊屬于熔化焊中常用的兩種焊接方法，二者均采用電弧加熱，將工件局部加熱到融化狀態(tài)形成熔池，填充焊接金屬，端部在電弧的加熱作用下不斷被融化，形成熔滴過(guò)渡到熔池，隨著電弧的移動(dòng)，熔池金屬的逐步冷卻結(jié)晶，形成焊縫。由于不均勻的溫度場(chǎng)所造成的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，局部發(fā)生塑性變形，溫度恢復(fù)原始的均勻狀態(tài)后，就會(huì)產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，即殘余應(yīng)力。焊接時(shí)，二者均產(chǎn)生焊接變形。手工電弧焊的熱流密度小，熱輸入大。氬弧焊的焊接熱流密度大，焊接熱輸入集中。本研究通過(guò)控制焊接熱輸入，采用相同的電流參數(shù)，試驗(yàn)選用4 mm薄板，厚度方向上的殘余應(yīng)力很小，可忽略，簡(jiǎn)化為二維進(jìn)行分析[4]。用盲孔法測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)并繪制應(yīng)力—位置分布圖，對(duì)比分析二者的變形。

手工電弧焊路徑一殘余應(yīng)力的分布曲線如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，在焊縫區(qū)域，沿x方向產(chǎn)生最大的拉應(yīng)力為387 MPa,接近于母材的屈服強(qiáng)度。沿y方向產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為247 MPa。兩側(cè)的應(yīng)力急劇減小，在寬度為6~8 mm時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力；寬度為12 mm時(shí)，壓應(yīng)力達(dá)到最大值，在x方向?yàn)?74 MPa，在y方向?yàn)?34 MPa；隨著寬度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，最終在焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在兩側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力。

圖5 手工電弧焊應(yīng)力分布曲線（路徑一）

由路徑二得到的橫向應(yīng)力分布曲線如圖6所示，橫向應(yīng)力沿焊接方向分布，x方向在中心位置處的應(yīng)力幅值產(chǎn)生拉應(yīng)力，為221 MPa。在板寬179 mm處，出現(xiàn)一個(gè)波谷，為180 MPa；在寬度209 mm處，為235 MPa，拉應(yīng)力最大。兩側(cè)應(yīng)力幅值開(kāi)始減小，沿板寬方向?qū)ΨQ分布。在寬度64 mm和280 mm處，開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，在板寬方向?qū)ΨQ分布，兩側(cè)對(duì)稱分布的壓應(yīng)力靠近板邊緣逐漸增加，在板邊緣處應(yīng)力為0。y方向上應(yīng)力跟x方向上應(yīng)力分布曲線相似，曲線左邊值略小于右邊，右邊拉應(yīng)力區(qū)在板寬209 mm處出現(xiàn)波峰，為200 MPa。在板寬47 mm和280 mm處，由拉應(yīng)力開(kāi)始逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力。越靠近板的邊緣，壓應(yīng)力值越大，在板邊緣端面上的應(yīng)力值為0。焊縫橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生的直接原因是冷卻時(shí)橫向的收縮，間接原因是焊縫的縱向收縮[4]。本次試驗(yàn)板邊緣無(wú)拘束平板對(duì)接，焊件從焊縫中心線對(duì)稱分布，兩塊板連接后，產(chǎn)生了相對(duì)的彎曲。因此，在焊縫的兩端部分將產(chǎn)生壓應(yīng)力，中心部分產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖6 手工電弧焊應(yīng)力分布曲線（路徑二）

氬弧焊路徑一的殘余應(yīng)力分布如圖7所示，在焊縫區(qū)x方向產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，為328 MPa，比手工電弧焊減小59 MPa。在焊縫兩側(cè)寬度為4 mm處，拉應(yīng)力開(kāi)始變?yōu)閴簯?yīng)力。在焊縫兩側(cè)7 mm處，壓應(yīng)力值最大，為143 MPa，兩側(cè)的壓應(yīng)力逐漸減小。在焊縫中心處y方向最大應(yīng)力值為149 MPa，焊縫的兩側(cè)壓應(yīng)力出現(xiàn)一個(gè)小的波谷，整體上隨著焊縫兩側(cè)寬度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小。

圖7 氬弧焊應(yīng)力分布曲線（路徑一）

由路徑二得到的橫向殘余應(yīng)力分布如圖8所示，橫向應(yīng)力平行于焊接方向，在焊縫中間位置x方向最大拉應(yīng)力為174 MPa，比手工電弧焊減小47 MPa。在兩側(cè)的應(yīng)力逐漸變小，對(duì)稱分布，平行于焊縫方向上寬度為280 mm時(shí)，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力。在中間位置y方向最大拉應(yīng)力為162 MPa，在焊縫y方向?qū)挾?5 mm和278 mm處由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。越靠近板邊緣壓應(yīng)力越大，橫向板邊緣端面位置處的應(yīng)力為0。

圖8 氬弧焊應(yīng)力分布曲線（路徑二）

氬弧焊的應(yīng)力分布曲線與手工電弧焊相似。氬弧焊的熱流密度大，熱輸入集中，焊接通入氬氣作為保護(hù)氣體，氬氣帶走一部分熱量。在同樣焊接參數(shù)下，氬弧焊的焊接熱輸入小于手工電弧焊[5]。焊接后氬弧焊的熱應(yīng)力小于手工電弧焊，使工件的變形小于手工電弧焊。比較兩種焊接方法的縱向和橫向殘余應(yīng)力，從應(yīng)力分布曲線上也可以看出，氬弧焊的應(yīng)力曲線變化幅度小于手工電弧焊。

本次試驗(yàn)采用不同的焊接方法，均無(wú)外約束。在電弧加熱過(guò)程中，垂直焊接方向的截面上，靠近焊縫的金屬溫度高，離焊縫遠(yuǎn)的金屬的溫度較低，金屬受熱膨脹伸長(zhǎng)，在不同溫度下金屬在變形過(guò)程中相互制約。電弧加熱時(shí)，弧柱區(qū)的溫度在1 900℃以上，高溫下金屬的性能發(fā)生了變化，低碳鋼在0~500℃的范圍內(nèi)σs變化很小，在500~600℃范圍內(nèi)，σs迅速下降，超過(guò)600℃，σs接近于0[2]。焊縫區(qū)的溫度高，伸長(zhǎng)量較大，產(chǎn)生拉應(yīng)力。焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)溫度低，金屬伸長(zhǎng)量小，制約高溫區(qū)金屬的伸長(zhǎng)，產(chǎn)生壓應(yīng)力。焊接局部加熱的溫度梯度很大，焊縫附近的壓應(yīng)力通常達(dá)到了略低于金屬的屈服強(qiáng)度。冷卻過(guò)程中，金屬收縮，熱影響區(qū)的冷卻速度快，進(jìn)入彈性狀態(tài)。焊縫區(qū)在高溫下，呈塑性狀態(tài)。焊縫區(qū)金屬收縮的速度慢，抑制熱影響區(qū)的收縮，呈壓應(yīng)力狀態(tài)，熱影響區(qū)拉伸。隨著熱影響區(qū)溫度的降低，冷速變慢，焊縫區(qū)的冷速大于熱影響區(qū)，焊縫的收縮量增大，熱影響區(qū)阻礙焊縫區(qū)的收縮，焊縫區(qū)變?yōu)槔瓚?yīng)力，熱影響區(qū)變?yōu)閴簯?yīng)力[7-10]。在熱影響區(qū)和焊縫的溫度低于500℃時(shí)，處于彈性狀態(tài)。焊縫區(qū)的溫度高，冷速快，收縮量大。熱影響區(qū)的溫度低于焊縫區(qū)，冷速慢，收縮量小，焊縫區(qū)受到熱影響區(qū)的阻礙。隨著溫度的降低，焊縫區(qū)的拉應(yīng)力逐漸增大，在室溫時(shí)，接近母材的屈服強(qiáng)度。熱影響區(qū)的壓應(yīng)力隨著拉應(yīng)力的增大也增加[7]。最終均勻地收縮到某一位置，在母材中造成殘余應(yīng)力。這是形成焊接變形的主要原因，變形程度取決于焊接加熱和冷卻的溫度梯度，試驗(yàn)均在空冷條件下進(jìn)行。

4 結(jié) 論

（1）手工電弧焊在焊接區(qū)垂直焊接方向的殘余應(yīng)力最大值為387 MPa，在焊縫兩側(cè)為壓應(yīng)力，距離焊縫兩側(cè)12 mm處，壓應(yīng)力最大。平行焊接方向上的殘余應(yīng)力在中間位置為拉應(yīng)力，在工件兩邊為壓應(yīng)力，靠近邊緣壓應(yīng)力增大。

（2）氬弧焊垂直于焊接方向上的最大拉應(yīng)力為328 MPa，在焊縫兩側(cè)的距離7 mm處，壓應(yīng)力最大。

（3）氬弧焊的焊接變形小于手工電弧焊。

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