鋼板對接焊工藝中橫向焊與豎直焊的焊接殘余應力對比＊

平克楠

鋼板對接焊工藝中橫向焊與豎直焊的焊接殘余應力對比＊

平克楠

（太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

鋼板對接焊是工程中常見的鋼結構件連接方式，在焊縫及其附近區域存在的焊接殘余應力與鋼板材料、厚度、焊接工藝等因素有關。當鋼板材料、厚度、焊接工藝相同，而焊接方向不同，特別是橫向焊接與豎直焊接兩種方式引起的焊接殘余應力是否有明顯差異是研究的關注點。主要研究思路是對鋼板對接焊工藝中橫向焊與豎直焊的焊接殘余應力分析，在相同材料、尺寸、工藝下，對橫向焊接試驗件、豎直焊接試驗件進行殘余應力測試。

殘余應力；對接焊縫；小孔釋放法；焊接試驗

1 概述

鋼板對接焊是工程中常見的鋼結構件連接方式，在焊縫及其附近區域存在的焊接殘余應力與鋼板材料、厚度、焊接工藝等因素有關。在結構件承受外載荷作用的工程場合，焊接殘余應力對焊接結構的靜載強度、疲勞強度會產生顯著影響，因此，測定并了解焊接殘余應力在焊接結構中的數值范圍十分必要。

2 殘余應力測試技術

殘余應力的測量技術始于20世紀30年代，測量方法可分為機械釋放測量法和非破壞無損傷測量法兩種。本試驗選用屬于機械釋放測量法的小孔釋放法測量焊接殘余應力，是由德國學者MATHAR J于1934年提出，現已得到廣泛應用，具有操作簡單、測量方便等特點。

在焊縫中心及熱影響區選擇測試點，布置三方向應變計，用鉆孔裝置在測點鉆孔，該測點的殘余應力以應變釋放的方式被應變計感應到并通過應變測試系統記錄下來。小孔釋放法根據鉆孔是否鉆通，又可分為通孔法和盲孔法。本次試驗選用通孔法，應變釋放系數可由Kirsch理論解直接計算出。殘余應力的主應力和方向計算公式為：

應變釋放系數為：

式（1）（2）中：0、45、90分別為測試點三個方向的應變數據；、分別為被測材料的彈性模量和泊松比；、1、2分別為鉆孔孔徑和孔中心到應變片近孔端、遠孔端距離。

3 鋼板對接焊縫試驗件

3.1 焊縫試驗件及殘余應力測試部位

設計參數：鋼板材料P265GH，鋼板厚6 mm。試驗件尺寸見圖1。

技術要求：開坡口對接焊，焊接裝配間隙小于3mm，焊縫寬度10 mm。

圖1 對接焊縫試驗件及測試點部位示意圖

如圖1所示，在焊縫中心線上，對稱選取2個測試點，編號為測試點1、測試點2。在距離焊縫中心10 mm的熱影響區的對應位置，布置2個測試點，編號為測試點R1、測試點R2。討論焊接件殘余應力，有兩類主要部位，一類是焊縫的殘余應力，因此在焊縫中心選取了測試點1、測試點2；另一類是熱影響區的殘余應力，其中焊縫邊緣的殘余應力較為顯著，因此在距離焊縫中心10 mm處選取了測試點R1、測試點R2，此處距離焊縫邊緣5 mm。

3.2 焊接工藝

焊接方法：SMAW。

焊接材料：CHE58-1HR，φ3.2。

三層焊接：打底焊、填充焊、蓋面焊。

試驗件分為鋼板對接橫向焊試驗件1、鋼板對接豎直焊試驗件2共兩件。

3.3 殘余應力測試數據解釋

殘余應力測試數據可以表示為每個部位的主應力1和2。在一些需要采用第四強度理論校核強度安全的場合，除了討論最大主應力外，還要考慮重要部位的組合應力。因此測試數據將給出各測試部位的殘余應力主應力值和殘余應力的組合應力值。

4 殘余應力測試步驟

5 殘余應力測試數據

5.1 鋼板對接橫向焊殘余應力測試數據

試驗件1的焊縫殘余應力測試點1、測試點2和熱影響區殘余應力測試點R1、測試點R2的殘余應力測試數據見 表1。

表1 鋼板對接橫向焊殘余應力測試數據表

試驗件及測試部位特征殘余應力主應力值/MPa殘余應力組合應力值/MPa 試驗件1測點1焊縫中心鋼板對接橫向焊σ1=201.97，σ2=22.57191.68 試驗件1測點2焊縫中心鋼板對接橫向焊σ1=160.25，σ2=﹣41.65184.63 試驗件1測點R1距焊縫中心10 mm鋼板對接橫向焊σ1=150.73，σ2=115.01136.42 試驗件1測點R2距焊縫中心10 mm鋼板對接橫向焊σ1=235.75，σ2=41.17218.10

由此可知，橫向方向焊接時，焊縫殘余應力最大主應力平均值約181 MPa，殘余應力的組合應力平均值約188 MPa。

距焊縫中心10 mm的熱影響區殘余應力最大主應力平均值約193 MPa，距焊縫中心10 mm的熱影響區殘余應力的組合應力平均值約177 MPa。

5.2 鋼板對接豎直焊殘余應力測試數據

試驗件2的焊縫殘余應力測試點1、測試點2和熱影響區殘余應力測試點R1、測試點R2的殘余應力測試數據見 表2。由此可知，豎直方向焊接時，焊縫殘余應力最大主應力平均值約為127 MPa，殘余應力的組合應力平均值約為118 MPa。距焊縫中心10 mm的熱影響區殘余應力最大主應力平均值約89 MPa，距焊縫中心10 mm的熱影響區殘余應力的組合應力平均值約85 MPa。

6 鋼板對接橫向焊與豎直焊殘余應力比較

6.1 橫向焊與豎直焊的焊縫中心殘余應力比較

橫向焊與豎直焊的焊縫中心殘余應力測試結果的比較見表3。

6.2 橫向焊與豎直焊熱影響區殘余應力比較

橫向焊與豎直焊熱影響區殘余應力測試結果的比較見表4。

表2 鋼板對接豎直焊殘余應力測試數據表

試驗件及測試部位特征殘余應力主應力值/MPa殘余應力組合應力值/MPa 試驗件2測點1焊縫中心鋼板對接豎直焊σ1=111.14，σ2=7.76107.47 試驗件2測點2焊縫中心鋼板對接豎直焊σ1=142.70，σ2=105.68128.26 試驗件2測點R1距焊縫中心10 mm鋼板對接豎直焊σ1=83.19，σ2=-2.8584.65 試驗件2測點R2距焊縫中心10 mm鋼板對接豎直焊σ1=94.90，σ2=68.7284.89

表3 橫向焊與豎直焊焊縫中心殘余應力比較表

焊縫中心殘余應力橫向焊豎直焊豎直焊相對橫向焊殘余應力降幅 殘余應力最大主應力201.97 MPa142.70 MPa29.3% 殘余應力最大主應力平均值181 MPa127 MPa29.8% 殘余應力的組合應力最大值191.68 MPa128.26 MPa33.1% 殘余應力的組合應力平均值188 MPa118 MPa37.2%

表4 橫向焊與豎直焊熱影響區殘余應力比較表

熱影響區殘余應力橫向焊豎直焊豎直焊相對橫向焊殘余應力降幅 殘余應力最大主應力235.75 MPa94.90 MPa59.7% 殘余應力最大主應力平均值193 MPa89 MPa53.9% 殘余應力的組合應力最大值218.10 MPa84.89 MPa61.1% 殘余應力的組合應力平均值177 MPa85 MPa52.0%

7 綜合結論

當鋼板材料、尺寸、焊接工藝相同時，橫向焊接與豎直焊接兩種方式引起的焊接殘余應力存在明顯差異。橫向焊接時的焊接殘余應力高于豎直焊接時的焊接殘余應力。因此，焊接方向對殘余應力的影響問題應在工程實踐中更加重視。

比較焊縫中心殘余應力最大主應力值或比較焊縫中心殘余應力的最大組合應力值，豎直焊接相對橫向焊接時，殘余應力降幅約為30%。

比較熱影響區殘余應力最大主應力值或比較熱影響區殘余應力的最大組合應力值，豎直焊接相對橫向焊接時，殘余應力降幅約為60%。

橫向焊接殘余應力明顯高于豎直焊接殘余應力的試驗結果，提示了橫向焊縫的疲勞強度低于豎直焊接焊縫的疲勞強度，在焊接結構疲勞壽命分析時應當注意到這種差異。

［1］平克楠.圓弧焊接角焊縫殘余應力自然時效敲擊處理熱處理的效果分析［J］.科技與創新，2018（3）：81-83.

［2］付榮柏.起重機鋼結構焊接制造技術［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］李亞江，王娟.焊接缺陷分析與對策［M］.北京：化學工業出版社，2017.

平克楠（1962—），男，山西太原人，高級工程師，研究方向為機械強度與疲勞。

山西省高端重型裝備智能制造重點科技創新平臺（編號：201605D151001）

2095－6835（2020）24－0032－02

TG457.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.010

〔編輯：張思楠〕