高強鋼20MnTiB焊接接頭殘余應力分布規律研究

李興霞，崔國明，翟德梅，吳金杰

（河南機電高等專科學校，河南 新鄉 453002）

0 前言

目前中國的工程機械市場占世界市場份額的75%左右，但是絕大部分企業所用的高強鋼均依賴進口，大大增加了生產成本。對于工程機械構件，大多希望采用高強鋼來降低材料消耗，但對于高強鋼的焊接性能研究比較少，尤其是工程機械用900MPa鋼級高強鋼焊接殘余應力的分布規律的研究更少。

由于焊接加熱過程的不均勻性引起的焊縫及其附近區域塑性變形的影響，在焊件內部會產生殘余應力。焊接結構的殘余應力和其所受載荷引起的工作應力相互疊加，使其產生二次變形和殘余應力的重新分布，這不但會降低焊接結構的剛性和尺寸穩定性，而且這種殘余應力在溫度和介質的共同作用下還會嚴重影響結構和接頭的疲勞強度、抗脆斷能力等[1]。焊件在服役的過程中，由于殘余應力的存在和作用，可能會造成某種事故，例如精度下降或局部破壞等。隨著所用鋼材強度級別越來越高，其焊接接頭部位殘余應力的不利作用也越來越大。因此，研究這類鋼的焊接接頭殘余應力分布規律，采取各種技術措施改善高強鋼焊接殘余應力分布特性，對于提高焊接結構和接頭的承載能力、延長使用壽命、預防失效事故，具有實際意義[2-4]。因此本研究以國產900 MPa鋼級高強鋼20MnTiB為例，研究其焊接接頭的焊接殘余應力分布規律。

1 盲孔法測定原理

在應力場內任意處鉆一個一定直徑和深度的盲孔后，該處的金屬連同其中的殘余應力即被釋放，原有殘余應力也失去平衡。這時盲孔周圍將產生一定量的釋放應變，其大小與被釋的應力是相應的。測出這種釋放應變，利用相應的計算公式，確定測點處的初始殘余應力。

2 殘余應力測試過程

（1）測試前的表面處理。

表面處理是在預定進行殘余應力測量的位置上，刨平焊縫測量處，焊縫外其他測量區域用電砂輪打磨平整至可以順利地粘貼應變花。

（2）粘貼應變片連接應變儀。

在預定的測量位置分別用502膠水粘貼應變花。粘貼方向應保證應變花中的相互垂直的應變片與焊縫方向一致，且各個測量位置的粘貼方向應該保持一致。待應變片粘貼牢靠后，將應變片上的電阻絲用電烙鐵與應變儀相連，在應變儀上確認無短路錯誤后，開始進行下一步工作。

（3）打小孔并記錄有效數據。

采用手持電鉆鉆孔。所用鉆頭直徑2mm，與應變花預置的打孔半徑一致。打孔孔深以目測為準，大約為孔半徑的1.5～2倍。同時在打孔過程中盡可能保持鉆頭的鉆速一致。鉆孔完畢后，等待數據穩定后（一般為20 min），通過應變儀讀取數據。

3 測試方案

（1）試板規格。

選取規格480mm×400mm×12mm，480mm×400mm×6 mm的20MnTiB焊接試板進行殘余應力測量。

（2）殘余應力測量布點方案。

對每塊試板正反面各取16個點進行測量，在五條平行線上進行布點，每條線間間距20 mm，正面分別測量距離焊縫中心距離為-60 mm，-40 mm，-32 mm，-24 mm，-16 mm，-8 mm，0 mm，4 mm，8 mm，12 mm，16 mm，20 mm，24 mm，32 mm，40 mm，60 mm的點，反面（焊縫較窄的一面）分別測量距離焊縫中心距離為-60mm，-40mm，-24mm，-16mm，-8mm，0mm，4 mm，8 mm，12 mm，16 mm，20 mm，24 mm，40 mm，60 mm的點。兩種壁厚的試板均按照如圖1所示的位置進行測試布點，主要是為了獲得焊縫消氫處理后焊接接頭殘余應力分布曲線。

圖1 試樣正面、反面布點位置示意Fig.1 Layout of testing point for the front and back of specimens

（3）數據處理方法。

對通過應變儀所測得的數據，利用殘余應力計算公式計算出相應測試點的縱向應力和橫向應力，把應力數據填表后，根據數據繪制成應力分布曲線。根據通孔的Kirsch理論解導出計算公式，計算時的釋放應變僅考慮應變計中心一點處的應變，具體推導過程在此不作介紹[5]。

4 測試結果及數據處理

4.1 12 mm板厚殘余應力測試結果和分析

4.1.1 焊接方法及工藝參數

采用 MAG 焊，保護氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。試板焊接工藝參數如表1所示。

表1 12 mm板厚試板焊接工藝參數Tab.1 Welding diameters of the specimens with thickness of 12 mm

4.1.2 測試結果分析

12 mm板厚試板正面殘余應力分布如圖2所示。由圖2可知，縱向殘余應力以焊縫中心基本對稱分布，但是對稱性不是很好，基本呈雙峰形貌，焊縫處殘余應力值較熔合線位置處殘余應力值小，但較其他位置處殘余應力值大，縱向殘余應力在熔合線處出現了最大峰值（約為500 MPa）；隨著距離焊縫中心距離的增大，應力值趨近于0。

圖2 12 mm板厚試板正面殘余應力分布曲線Fig.2 Distribution curve of the residual stress for the front of specimens with thickness of 12 mm

12 mm板厚試板反面殘余應力分布曲線如圖3所示，可以看出殘余應力分布規律與正面基本相同，但在熔合線處出現的最大值高達570 MPa；橫向殘余應力維持在較小的水平，其最大值約為195 MPa。12 mm板厚試板正反面的殘余應力曲線分布特征比較相似，這與試板進行雙面焊接有一定的關系。

4.2 6 mm板厚殘余應力測試結果和分析

4.2.1 焊接工藝參數

6 mm板厚試板焊接工藝參數如表2所示。

4.2.2 測試結果分析

表2 6 mm板厚試板焊接工藝參數Tab.2 Welding diameters of the specimens with thickness of 6 mm

6 mm板厚試板正面殘余應力分布曲線如圖4所示。由圖4可知，整體上看，垂直于焊縫方向縱向殘余應力有比較大的變化，而橫向殘余應力變化幅度較小；縱向殘余應力以焊縫為中心基本對稱分布，焊縫處殘余應力值較熔合線位置處殘余應力值小；縱向殘余應力分布呈現出雙峰形貌，且在熔合線處出現了最大峰值（約為506 MPa）；橫向殘余應力維持在較低的水平，最大值不超過155MPa。

6 mm板厚試板反面殘余應力分布曲線如圖5所示。由圖5可知，反面殘余應力的測試結果與正面有一定的相似性。縱向殘余應力分布也呈現出雙峰形貌，且在熔合線處出現了最大峰值（約為660 MPa）。

6 mm板厚試板的正反面殘余應力測試結果表明，正反面的殘余應力分布趨勢相似；縱向殘余應力均為雙峰分布，只是二者的峰值有一些差異而已；橫向殘余應力均維持在較低的水平。

5 結論

采用盲孔法測試高強鋼在不同厚度、相同厚度試板正反面的殘余應力分布情況，獲得了大量精確數據，對數據處理后得出了高強鋼20MnTiB焊接接頭殘余應力的分布規律如下：

圖4 6mm板厚試板正面殘余應力分布曲線Fig.4 Distribution curve of the residual stress for the front of specimens with thickness of 6mm

（1）縱向殘余應力以焊縫中心基本對稱，呈雙峰分布。縱向殘余應力有比較大的變化，在熔合線處出現了峰值，高達660 MPa；焊縫處殘余應力值較熔合線處小，但比其他位置處大。橫向殘余應力變化幅度較小，且維持在較小的水平，其最大值不超過195 MPa。

（2）焊縫正反面的殘余應力分布規律相似，只是反面峰值稍高于正面。

（3）不同板厚的殘余應力分布規律相似，薄板比厚板峰值大一些。

這一研究結果對于采取各種技術措施改善分布特性，從而提高焊接結構和接頭的承載能力，延長使用壽命，預防失效事故，具有重要意義。另外對于應用國產高強鋼板代替進口具有參考價值。

圖5 6mm板厚試板反面殘余應力分布曲線Fig.5 Distribution curve of the residual stress for the back of specimens with thickness of 6mm

[1]鄧德安，清島祥一.焊接順序對厚板焊接殘余應力分布的影響[J].焊接學報，2011，32(12)：55-58.

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