焊接工藝對“T”形接頭構件焊接應力分布的影響

邱小琴 劉進

摘 要：焊接是一個復雜的工藝過程，對工程質量優劣及結構安全具有直接的影響。在2個焊件之間，端面構成的直角或者是接近直角接頭成為T形接頭。在實際上，對接接頭的焊縫通常略高于母材板面，在焊縫與母材的過渡處會存在應力集中的現象。由于現階段控制和消除殘余應力能力還不夠成熟，焊接殘余應力會直接影響到鋼結構的強度和承載能力。因此，在具體實踐中，需要加強對T形接頭焊接應力分布的影響研究，以確保焊接結構安全可靠。

關鍵詞：焊接工藝;T形接頭;焊接應力;應力分布

中圖分類號：TG404? ? ? 文獻標志碼：A

1 焊接應力的機理和產生原因

焊接應力是在焊接結構過程中產生的內應力，按照實際的時間進行劃分，可分為2種——焊接瞬時應力和焊接殘余應力。在焊接中，構件的焊接應力有著復雜性，并且不同構件存在的焊接應力也有明顯差別。在不同的溫度場下，構件自身的力學、物理等性能也存在較大的差異，同時，不均勻溫度場會多個因素變化，如焊接工藝等。在相同溫度條件下和不同的固定狀態下，可能產生的變形情況有3種，分別是自由變形和不完全自由變形以及無任何變形，這是由于不同的固定狀態，造成構件被熱長度影響，生成的壓應力不同，利用公式ΔLT/L0=a（T1-T0）、Er=ΔLT/L0=a（T1-T0）可計算出變形率，然后確定構件的焊接應力，并有針對性地采取消除措施。

導致焊接應力的原因有很多，概括起來主要有如下幾種：一是焊縫尺寸與接頭形式設計缺乏合理性。構件間的搭接方式主要有坡口形式、接頭間隙、焊縫余高等，如果焊縫尺寸過大，就會導致受熱面積過大，使焊接完成后殘余應力增加;二是焊縫數量及其分布不夠科學。焊縫疏密度不均、相互交叉、封閉性焊縫較多等，都會導致構件撓度變形及殘余應力出現;三是焊接方式及其工藝參數選擇不合理，沒有根據構件自身材質、薄厚、形狀、結構等進行選擇;四是構件焊接順序及設計不科學，不同的焊接順序會導致焊接拘束度變化，進而影響焊接應力分布。

2 焊接工藝對T形接頭構件焊接應力分布的影響及消除對策

2.1 T形接頭焊接應力測試

Q235B鋼板的塑性和韌性都很好，并且他們有很好的強度和冷彎性能，并且有著很好的焊接性，所以被普遍應用在建筑和路橋的制造中。選用E4303焊條來焊接Q235B鋼，焊接時不需預熱、控制道間溫度和后熱，焊接后的接頭塑性和沖擊韌性良好，也不需要進行熱處理來改善組織。使用HK-21三維應力分布磁測儀來測試焊接應力。在T形接頭中，主要利用600 mm×100 mm×4 mm與100 mm×50 mm×3 mm的Q235B鋼板進行裝配，如圖1所示。

T形接頭應力測量起始點距離板端50 mm，覆蓋整個鋼板上的3條焊道，所測的焊接應力值為構件中心處的表面焊接應力值，如圖2所示。

測試結果顯示，焊接Q235B鋼板T形接頭時，如果按照從中心出發，往一端焊，再由中心，往另一端焊，產生的應力在分布上十分不均勻，并且有著很大的變化幅度，可到30 MPa。如果在焊接中，采取的是由一端一側，往另一端焊，然后由一端另一側焊，往另一端焊，這樣產生的應力比較均勻，并且其變化幅值只有7.5 MPa。在焊接中，如果是由中心向兩端焊，那么接頭焊接應力就達到了最大的值，并且波動范圍大約在45 MPa～60 MPa，最小值是壓應力。在較小的焊接熱輸入392 J/ mm的情況下，針對Q235B鋼板T形接頭，容易產生焊接分布的不均勻問題，這時候變化幅值能夠到69.9 MPa，其壓應力變化更是處在30 MPa～99.9 MPa;當焊接熱輸入較大時，其焊接應用有著均勻的分布，并且變化僅為20.1 MPa，應力變化較小，沒有出現應力峰值。

2.2 T形接頭焊接應力消除對策

2.2.1 T形接頭焊接應力的危害

第一，腐蝕危害。在焊接完T形接頭之后，因為產生的拉應力，就會使其一旦遇到腐蝕性強的介質，就可能會在腐蝕作用下發生構件開裂的問題，從而影響整體的穩定性，影響到其質量。第二，對構件尺寸和加工精度的影響。在T形接頭構件中，常常因為本身的應力產生穩定的效果，但是在加工中，構件的某一部分要被去掉或切割，構件的尺寸、形狀等就會發生改變，這就會打破其原有的平衡性和穩定性，進而影響T形接頭構件的精度。第三，影響構件的剛度。在完成焊接T形接頭之后，應疊加焊接殘余應力和構件內應力，如果達到T形接頭自身所帶屈服點，就會直接導致其發生變形，降低其剛度。第四，危害構件的自身疲勞強度。T形接頭中存在焊接殘余應力，構件荷載試驗證明這些殘余應力會使T形接頭極易達到疲勞強度的極限，進而導致構件質量等受到危害。第五，危害構件靜載水平。在低溫條件下，T形接頭如果處于干脆性狀態，那么其焊接殘余應力和外在作用力就會疊加。

2.2.2 消除焊接殘余應力的途徑

第一，錘擊法。金屬自身具有延展性，焊接后，可使用圓頭小錘錘擊焊縫，用這種延展性來抵消一部分殘余應力。

第二，熱處理法。焊接過程中，如果存在影響到焊接位置，那么就要利用熱處理，這樣才能實現內部晶體構造的改變，并消除晶體缺陷，有效地減小金屬強度，提高其韌性，從而有效地消除焊接應力。

第三，爆炸法。完成焊接后，在焊縫周圍等區域設置炸藥帶，利用爆炸沖擊力使構件發生一定的塑性變形，來抵消焊接殘余應力。爆炸法還能減少壓應力，大幅度地提升構件抗拉力水平。

第四，振動法。利用振動來對焊接構件施加壓力，可以疊加附加力和殘余應力，并且能夠到達構件自身屈服性的臨界值，這樣使其出現微觀塑性變形，以達到減少應力的目的。

第五，拋丸處理法。這種方式是利用離心力，把磨料射向焊件表面，通過打擊和磨削作用來消除焊接構件焊接殘余應力，提升其表層的壓應力水平和自身的疲勞強度。

3 結語

綜上所述，在該文中，使用HZ-21三維應力分布磁測儀，探測了T形接頭的殘余應力，并且實現了對焊接工藝的研究，探討了其對T形接頭焊接應力分布的影響，并探討了消除焊接應力的方法，以期能為T形結構焊接順序和焊接熱輸入選擇以及提升構建整體強度和使用年限提供一定的參考。

參考文獻

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