交變載荷下厚板對接焊殘余應力的松弛行為

李陵，羅白璐，鄭紹文

1 海軍裝備部，北京 100841

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

焊接工藝具有高效、可靠、低成本三大特點，作為一種有效的連接手段，其在制造加工業中的應用越來越廣泛。但焊接過程是一個局部不均勻加熱的過程，加熱范圍小，溫度梯度大，加熱過程使得結構產生復雜的熱應力與變形，冷卻后會形成殘余應力和變形。研究認為，殘余應力的存在在很大程度上影響著結構的疲勞壽命以及承載能力［1］。特別是在結構投入使用的過程中，當遭遇到交替變換的波浪等外加載荷時，焊接結構內部的應力狀態會由于自身初始的殘余應力與這種交替載荷的反向組合作用而發生重新分布，即殘余應力松弛。這些改變可能會導致結構出現不可預知的破壞和斷裂。為了確保結構安全可靠，準確掌握交變循環載荷下結構殘余應力的實時變化規律顯得十分必要。目前，在該領域已有一些研究對殘余應力的松弛演變過程進行了報道，并取得了一定的預期成果。

對于交變載荷作用下焊接結構力學行為的規律性演變過程，國內外學者曾做過相應的研究。例如：Yuan等［2］用固有應變法分析了焊接接頭的殘余應力松弛問題；也有研究者利用試驗方法，就等幅拉伸循環載荷下簡單焊接結構的殘余應力松弛行為進行研究，借助數據歸納的手段，對結構內部的應力進行實時監測，最終提出了殘余應力松弛量的計算公式［3-5］；Dattoma等［6］針對等幅拉伸循環載荷下殘余應力的松弛問題，利用數值仿真手段進行了模擬。由于存在初始殘余應力，即使施加恒定的應力幅值，在試件截面上所施加的應力也是不均勻分布的［7］。

已有的研究對象多局限于厚度較小的焊接試件，對于大厚度的焊接試件少有問津。眾所周知，隨著焊接構件厚度的不同，焊接殘余應力的大小以及分布特征均發生著根本性的轉變。例如，對于厚度較大的試件，其應力不再是雙軸的，而應力的分布狀態也不再滿足普遍適用于小厚度焊接試件的平面應力模型［8-9］。由此類推，在交變載荷作用下，二者在殘余應力的松弛行為上也會存在顯著差異。因此，在對厚板焊接試件的強度以及使用性能進行合理化評估時，必須有適用于厚板焊接試件的殘余應力松弛演變模型。鑒于上述原因，本文擬針對厚板焊接試件在交變載荷作用下的應力松弛行為進行量化分析，同時，基于實驗數據，提出適用于厚板焊接試件的殘余應力松弛演變模型。通過該模型，將可預測各循環階段下殘余應力的松弛量，為工程結構的安全應用起到一定的指導作用。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

用于進行試驗以及研究焊接殘余應力松弛行為的材料為A105閥門用鋼，它具有良好的機械性能和焊接性能，其材料化學成分見表1，物理力學性能見表2。

表1 A105鋼化學成分Tab.1 The chemical components of A105 steel

表2 A105鋼力學性能Tab.2 The mechanical property of A105 steel

1.2 試件的制備

試件采用窄間隙帶襯底U形坡口，平板對接焊接，平板兩端用上、下夾持板固定。焊接坡口形狀見圖1（單位：mm），焊道順序見圖2。

試件焊接時先使用手工電弧焊打底，焊道2層，然后采用埋弧自動焊，直流反接進行多道焊接，焊道3～43層，其焊接參數見表3。

圖1 坡口形狀Fig.1 Shape of the groove

圖2 焊道順序Fig.2 The order of weld bead

制備試件的厚度為100 mm，結構示意圖如圖3所示。

2 交變載荷試驗

試驗設備為一臺100 t的液壓MTS疲勞試驗機。試驗中，施加軸向壓縮的周期性循環疲勞載荷，并保持應力峰值不變。取循環油壓上限為Smax=85 t，循環油壓下限為Smin=5 t。為防止在試件內產生熱量，同時考慮到松弛速率的影響，試驗中，疲勞應力的循環頻率取1 Hz，試件的疲勞循環次數在5000～100000范圍內。

交變載荷循環下，在厚板焊接結構上，加載指定循環次數的周期性載荷，然后通過布置在試驗試件表面的光纖光柵傳感器測定試件表面各測點的殘余應力，最后得到整個焊縫區域附近的殘余應力分布狀態。在本研究的試驗中，施加的三角波形循環載荷的循環次數為5000，10000，30000和50000。對試件施加規定次數的循環載荷后，將試件取出，用X射線衍射法對試件表面焊接殘余應力的分布進行測定。由于焊縫兩側結構完全對稱，所以可以認為，在垂直于焊縫方向上，兩側相對應的位置有著相同的殘余應力分布狀態，因此，試驗時測點均分布在焊縫的一側，如圖4所示。

表3 焊接參數Tab.3 Weld parameters

圖3 厚板橫向對接焊接接頭試件Fig.3 Thick plate specimen with transversal butt joints

3 試驗結果與分析

圖4 測點的布置Fig.4 Arrangement of the test points

應力松弛的過程可以認為就是應力在逐步釋放。焊接結構在經過局部過熱、焊后急速冷卻而產生焊接殘余應力的基礎上，再遭受外載荷作用時，很可能會使結構內部的應力水平大于材料的屈服極限。此時，由于殘余應力所引起的部分彈性應變轉化為了塑性應變，殘余應力也就相應出現了釋放現象，主要表現為殘余應力水平在交變載荷作用下一步步降低。取理想彈塑性材料為研究對象。其應力—應變曲線如圖5（a）所示；試件的殘余應力如圖5（b）所示［10］；外加載荷的形式如圖5（c）所示；當試件整體還處于彈性范圍時，殘余應力與外載荷應力疊加后的總應力如圖5（d）中的曲線2所示，而疊加后的曲線2與原殘余應力分布曲線1之間的范圍則代表了外載荷應力的大小。但注意到，此時AC處已超過了屈服應力，多余的應力載荷將被釋放，被釋放的應力等同于給構件施加了一個假想的彎矩，該彎矩最終轉化為殘余應力場的變化，而生成如曲線3所示的應力分布圖。當外載荷消失時，試件所有區域將產生彈性卸載，但由于AC處已產生了塑性變形，不能全部復原，因此，最終的殘余應力穩定后的分布如曲線4所示。當外載荷持續作用在結構上時，最終的殘余應力穩定后的分布會介于曲線4與曲線3之間。

圖5 交變載荷下殘余應力的松弛Fig.5 Relaxation of residual stress under alternating loads

當周期性的交變載荷作用在試件上時，可發現橫向焊接殘余應力出現明顯的松弛現象。對于縱向焊接殘余應力，卻并未觀察到出現明顯的變化，如圖6和表4所示。試件經施加交變載荷后的橫向焊接殘余應力數據見表5，其分布特征分別見圖7和圖8。

圖6 交變載荷后試件表面焊接殘余應力松弛演變Fig.6 Variation of surface residual stress under alternating loads

表4 垂直于焊縫的測點的縱向焊接殘余應力Tab.4 Longitudinal residual stress of the test points，vertical to the welding line

表5 垂直焊縫的測點的橫向焊接殘余應力Tab.5 Transversal residual stress of the test points，vertical to the welding line

圖7 施加交變載荷后試件橫向焊接殘余應力橫向分布特征（測點垂直于焊縫）Fig.7 Distribution diagram of transversal residual stress（test points vertical to the welding line）

圖8 施加交變載荷后試件橫向焊接殘余應力橫向分布特征（測點平行于焊縫）Fig.8 Distribution diagram of transversal residual stress（test points parallel to the welding line）

研究表明，在施加交變載荷后，橫向焊接殘余應力的松弛量較大，而縱向焊接殘余應力則未見明顯的松弛行為發生，這主要與交變載荷的作用方向有關。在本試驗中，交變載荷的施加方向與橫向焊接殘余應力方向一致，因而試件表面焊接殘余應力場的松弛以橫向為主。經施加循環交變載荷后，試件表面殘余應力的分布特征不發生變化，焊縫區的金屬填充部位是焊接殘余應力最大值所在位置，而位于近焊縫區的兩側區域，應力狀態主要表現為壓縮焊接殘余應力，其應力水平較焊縫區明顯降低，這主要是由于在循環壓縮載荷的作用下，處于焊縫金屬區的拉伸殘余應力與外加交變應力相疊加，致使該處的拉伸殘余應力相應下降。由于焊接殘余應力屬于結構內力，在焊件的任一截面上自相平衡，因而兩側區域的壓縮殘余應力也會下降，即整個殘余應力場表現出松弛行為。在交變載荷作用的初期（N=5000次循環），焊縫金屬區域的拉伸殘余應力峰值降至初始值的50%。當繼續加載時，焊縫金屬區域的殘余應力峰值會進一步降低，但焊接殘余應力的降低速率會隨著循環次數的增加而下降。在垂直于焊縫方向上，試件表面橫向焊接殘余應力的松弛速率見圖9，測點的初始殘余應力見表6。

圖9 縱向焊接殘余應力沿試件表面不同路徑的松弛速率Fig.9 Relaxation rate of longitudinal residual stress along the specimen surface

表6 垂直于焊縫的測點的初始殘余應力Tab.6 Initial residual stress along the vertical direction of the welding line

圖9中顯示了與焊縫正交的方向上（y=0）橫向焊接殘余應力的松弛分布。圖中曲線顯示，在循環周期為5000次時，（0，0）點的松弛速率明顯高于點（10，0），（30，0）及（70，0）；但點（30，0）與（70，0）的松弛速率始終保持一致，變化甚小。當到達循環的后期（N=30000次）時，各點的松弛速率趨于一致，接近于零。對比曲線下方各點的初始焊接殘余應力值可以看出，（0，0）點的初始殘余應力值最大，其次為（10，0）點，而點（30，0）與（70，0）的初始殘余應力值相近。研究認為，焊接殘余應力的松弛速率與各點的初始殘余應力值的大小緊密相關。當循環進入后期，一方面，由于各截面上的焊接殘余應力的分布已趨于均勻化，因而圖9中的松弛速率曲線匯交于一點；另一方面，由于此時殘余應力已不再發生松弛，因而松弛速率趨于零。考慮到殘余應力的峰值在交變載荷作用下的變化速率較為突出，因此，基于試驗結果，本文就厚板對接焊試件在循環交變載荷下的表面殘余應力的釋放行為進行了分析研究，提出了在循環交變載荷作用下，厚板對接焊試件表面殘余應力松弛的時變模型，如式（1）所示。

式中：ΔσR為殘余應力松弛量，MPa；σRZ為初始殘余應力，MPa；σR為最終殘余應力，MPa。

研究表明，在式（1）中，變量 ΔσR越大，最終的殘余應力σR將越小，同時，當σRZ增加時，結構的焊接殘余應力將更快地釋放［11］。

結合式（1），可得

式中：ΔσR(Ni)為循環次數為Ni時的殘余應力松弛量，MPa；σR0T(Ni-1)為循環次數為Ni-1時的殘余應力，MPa；σR(Ni)為循環次數為Ni時的殘余應力，MPa。

按照式（3）中各變量對焊接殘余應力釋放的不同影響，可以得到任一循環次數Ni時焊接試件表面的松弛量

和任一循環次數Ni時的殘余應力

式中，σa為外加交變載荷幅值，MPa。

在試驗中，對交變載荷下焊接殘余應力松弛模型的可靠性做了實測。在試件表面任取一點（10，70）進行交變載荷作用下焊接殘余應力的實時監測，實測值如圖10所示。

圖10 試件表面（10，70）點的松弛模型預測值與試驗測量值Fig.10 Comparison between predicted values of relaxation model and test values for the surface point（10，70）

分析表明，試件表面任意測點的實測數據與該點在松弛模型中所預測數值的分散性較小，吻合度好。

4 結 論

為了研究厚板在交變載荷作用下焊接殘余應力的松弛行為，對使用埋弧自動焊制備的對接厚板試件進行了交變載荷作用下焊接殘余應力的松弛試驗。主要結論如下：

1）焊接殘余應力在釋放的過程中只改變應力水平的大小，而殘余應力的分布特征不會發生改變。

2）焊接殘余應力松弛量的大小與試件表面各點的初始殘余應力有關。

3）在交變載荷作用的初期，殘余應力的釋放速率最大，繼續加載時，釋放速率保持不變。研究認為，殘余應力的釋放主要集中在交變載荷作用的初期，而交變載荷作用的后期對于殘余應力的釋放影響不大。

4）研究表明，焊接殘余應力場的松弛行為受外加交變載荷的作用方向的影響。在本試驗中，外加交變載荷的作用方向垂直于焊縫，試件表面橫向殘余應力松弛明顯，縱向殘余應力未出現明顯的應力松弛行為。

5）基于試驗研究，提出的焊接殘余應力的松弛演變曲線與試驗實測數據的分散性較小，測量值與擬合值的一致性相當好，對于工程實際應用具有指導作用。

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