焊接工藝對不銹鋼角焊縫連接試件力學性能影響研究

李志林，楊 璐，崔 瑤，尹 飛，梁耀華

(1.北京工業大學，城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京100124；2.北京工業大學，北京市高層和大跨度預應力鋼結構工程技術研究中心，北京100124；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧，大連 116024)

與傳統的建筑材料如混凝土及鋼材相比，不銹鋼材料具有超強的耐腐蝕性、優良的力學性能以及突出的高、低溫性能等，是一種理想的綠色建筑材料[1-3]。近年來隨著國內外學者對不銹鋼力學性能研究的不斷深入，越來越多的建筑表現形式呈現在大眾視野中[4-6]。

焊接是常用的鋼結構連接形式，根據焊接工藝不同，焊接可分為電弧焊、氣體保護焊、電渣焊及等離子焊等，不同的焊接工藝對焊縫的力學性能有較大的影響。國內外學者已經較早地針對普通鋼材角焊縫連接的力學性能進行了較為系統及深入的研究[7-11]。

由于具有明顯的應力-應變非線性特征，不銹鋼與普通鋼在材料的力學性能上存在著明顯的差異[12-13]。對于不銹鋼焊縫連接承載力的研究，國內外也尚處于起步階段。金曉蘭等[14]對國產奧氏體型不銹鋼角焊縫試件的力學性能進行了研究，指出在進行設計時，應根據不同的焊接工藝確定角焊縫強度值，同時建議不考慮正面角焊縫強度提高的影響。筆者研究團隊[15-19]對雙相型S22053及奧氏體型S30408不銹鋼正面及側面角焊縫進行了試驗研究及有限元分析，角焊縫試件采用手工電弧焊焊接而成，結果顯示采用中國《不銹鋼結構技術規程》(CECS 410:2015)[20]規定計算公式計算所得角焊縫承載力設計值偏于保守。Lee等[21]對采用氬弧焊焊接工藝制成的不銹鋼角焊縫連接件進行了試驗，重點考察角焊縫的破壞模式，同時對美國規范SEI/ASCE 8-02[22]焊縫計算公式提出了修正意見。Fortan 等[23]通過考慮各項參數較為準確地預測了不銹鋼角焊縫的極限強度，并針對歐洲規范EN 1993-1-4[24]提出了合理的修改意見。

為探究不同焊接工藝對不銹鋼角焊縫力學性能的影響，加工并試驗了12個奧氏體型S30408不銹鋼材角焊縫連接件以及12個雙相型S22053不銹鋼材角焊縫連接件，焊接工藝分別為手工電弧焊(SMAW)以及氬弧焊(TIG)，焊縫的類型為工程實際中常見的正面角焊縫及側面角焊縫。通過單調拉伸試驗，獲取不銹鋼角焊縫的力學性能，以期為相關設計方法的完善以及工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

手工電弧焊及氬弧焊是目前工程實際中較常用的焊接方式，手工電弧焊的原理為通過產生高溫電弧將板件及焊條融化，焊條表面的藥皮保護焊縫金屬避免有害氣體進入，而氬弧焊與手工電弧焊原理類似，只是在焊接時采用惰性氣體氬氣來阻隔有害氣體。在實際應用中，手工電弧焊常用來焊接較大較厚板件，而氬弧焊則常用來焊接較薄及對外觀有較高要求的結構。

本試驗共設計24個不銹鋼角焊縫連接件，包含2種不銹鋼材料(奧氏體型及雙相型)、2種焊接工藝(手工電弧焊及氬弧焊)以及2 種角焊縫類型(正面角焊縫及側面角焊縫)。試件命名規則以AST-1及DTL-1為例，首字母A 代表母材為奧氏體型不銹鋼材料(D代表雙相型不銹鋼材料)；第二個字母S代表手工電弧焊(T 代表氬弧焊)；末字母T 代表正面角焊縫(L 代表側面角焊縫)；末尾數字代表該試件在本組試驗中的編號，每組試驗共包括3個試件。

試件中不銹鋼母材板厚均為14 mm，手工電弧焊焊條分別采用E308型焊條(奧氏體型不銹鋼母材)及E2209型焊條(雙相型不銹鋼母材)，焊條直徑均為2.5 mm。氬弧焊焊絲分別采用ER308型焊絲(奧氏體型不銹鋼母材)及ER2209型焊絲(雙相型不銹鋼母材)，焊絲直徑均為1.6 mm。在試件設計時采用一端加強的方法來達到試驗過程中控制焊縫破壞位置的目的，在進行試件焊接前，將焊接處的油污、水分等雜質徹底清除干凈，為了防止不銹鋼焊條受潮影響焊接質量，提前將焊條在300℃環境下烘烤1 h。焊接完成后切除起落弧處焊縫，避免焊縫起落弧的影響。試件設計如圖1所示。

圖1 角焊縫連接件示意圖/mm Fig.1 Dimensions of fillet weld connection

試件加工完成后記錄各條焊縫的相關參數，包括：角焊縫長度lw以及焊腳尺寸hf，在測量焊腳尺寸時，分別測量焊縫兩端及中間位置，三組數據取平均值，具體測量值見表1。

1.2 加載儀器及測點布置

試驗采用100 t 萬能試驗機進行加載，并通過DHDAS動態信號采集分析系統采集試驗過程中各項數據，加載裝置示意圖如圖2所示。通過布置導桿式位移計來監測焊縫的變形情況，導桿式位移計的初始標距為120 mm，同時為了減小由于母材受力過大而影響角焊縫的受力，通過布置應變片來監測板件自身的變形情況，夾持端應變片對稱布置以避免可能的荷載偏心帶來的影響，測點布置如圖3所示。

1.3 加載方案

本試驗為單調拉伸試驗，采用位移控制加載，加載速率為0.1 mm/min。為了避免試驗前期儀器夾頭與試件之間的滑動以及檢查試驗儀器是否正常工作，正式加載前先進行預加載，荷載加載到10 kN 后卸載，再重新加載直至試件破壞。

表1 試件實測尺寸Table 1 Measurements of specimens

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗現象及破壞模式

試件加載前期荷載-位移曲線上升緩慢，近似呈線性增長，當試件到達極限荷載后，承載力迅速下降，試件隨即被拉斷，并伴隨巨大響聲。所有試件的破壞均為焊縫處拉斷，試件典型破壞面如圖4所示。整體而言，電弧焊試件的破壞面較均勻且光滑，而氬弧焊試件的破壞面則呈現出不規則形狀。

3 試驗結果分析

3.1 試件參數

試件的破壞均為焊縫處破壞，試驗結束后，測量焊縫斷裂面的實際寬度he，測量時分別測量焊縫中間及兩端三處位置的寬度，取三組數據平均值。相關測量結果見表1。

3.2 試件數據分析

3.2.1焊縫真實斷裂角度

試驗結束后，拍攝焊縫斷裂面側視圖，通過電腦軟件Viso量測得到焊縫的真實斷裂角度 θ如圖5所示，試驗結果見表2。由試驗數據可知，兩種不銹鋼材料的真實斷裂角度基本相似，對于電弧焊試件，兩種不銹鋼材料側面角焊縫的平均真實斷裂角度為45.4°，正面角焊縫的平均真實斷裂角度為32.8°；而對于氬弧焊試件，兩種不銹鋼材料側面角焊縫的平均真實斷裂角度為45.4°，正面角焊縫的平均真實斷裂角度為32.6°。試驗結果與相關規范中認為的角焊縫斷裂角度為45°略有不同，分析原因為在焊縫受力過程中，側面角焊縫受純剪應力作用，斷裂角度理應為45°左右，而正面角焊縫則同時受到拉應力與剪應力的共同作用，所以真實斷裂角度與45°有所偏差。

3.2.2奧氏體型不銹鋼角焊縫試件承載性能分析

通過采集系統所得試驗數據，繪制試件的荷載-位移曲線如圖6所示，其中荷載為儀器自身所輸出荷載值，位移為導桿式位移計的量測值。由試驗曲線可以看出，受焊接自身因素的影響，各個試件曲線之間會產生一定的差異，但各組曲線的發展趨勢類似。

試件的極限強度τu及相對變形量 δ分別采用式(1)及式(2)[25]來計算。

式中：Ae為焊縫真實斷裂面面積，Ae=nlwhe；Pu為對應試件荷載-位移曲線中的最大荷載； δu為試件的極限位移；120為位移計的初始標距。

圖3 試件測點布置圖Fig.3 Location of measuring points

圖4 試件破壞面示意圖Fig.4 Failure surface of specimens

奧氏體型不銹鋼角焊縫連接試件的相關試驗結果如表3所示。其中，對于奧氏體型不銹鋼角焊縫連接試件，采用氬弧焊焊接工藝制成的試件極限強度與采用電弧焊焊接工藝制成的試件極限強度之比分別為1.03(正面角焊縫試件)與1.13(側面角焊縫試件)，相對變形量之比則分別為1.46與1.11。

試驗結果表明，采用氬弧焊焊接工藝的試件表現出了相對更好的力學性能。同時，對于電弧焊焊接試件，正面角焊縫的極限強度與側面角焊縫的極限強度之比為1.79，氬弧焊焊接試件為1.62。

圖5 角焊縫真實斷裂角度Fig.5 Real fracture angle of fillet weld

表2 角焊縫真實斷裂角度Table 2 Real fracture angle of fillet weld

圖6 奧氏體型不銹鋼試件荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of austenitic stainless steel specimens

表 3奧氏體型不銹鋼試件試驗結果Table3 Test resultsof austenitic stainlesssteel specimens

3.2.3雙相型不銹鋼角焊縫試件承載性能分析

對于雙相型不銹鋼角焊縫試件，荷載-位移曲線如圖7 所示。相比于奧氏體型試件，雙相型試件的荷載-位移曲線離散性偏大，但發展趨勢與奧氏體型試件相似。

雙相型不銹鋼試件的相關試驗結果見表4。由試驗結果可以看出，對于雙相型不銹鋼焊縫連接試件，采用氬弧焊焊接工藝制成的試件極限強度與采用電弧焊焊接工藝制成的試件極限強度之比分別為1.12(正面角焊縫試件)與1.04(側面角焊縫試件)，而相對變形量之比則為1.66與1.45。

圖7 雙相型不銹鋼試件荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of duplex stainless steel specimens

同奧氏體型不銹鋼角焊縫試件所得試驗結果一致，對于雙相型不銹鋼，采用氬弧焊焊接工藝制成的試件力學性能也相較于電弧焊焊接工藝更好。同時采用電弧焊焊接工藝與氬弧焊焊接工藝制成的試件正面角焊縫強度與側面角焊縫強度之比分別為1.61及1.73，正面角焊縫試件的強度遠大于側面角焊縫試件的強度。

3.2.4設計建議

我國現行《不銹鋼結構技術規程》(CECS410:2015)[20]指出：不銹鋼角焊縫的焊接工藝宜優先選用氬弧焊。通過對不同焊接工藝試件承載性能的研究，證實了氬弧焊試件的力學性能較好于電弧焊試件，然而對于不銹鋼角焊縫的強度，兩者差別并不是很大，同時綜合考慮焊接速率、復雜程度以及經濟性等因素，建議后續在非重要節點的連接處，可以考慮采用電弧焊焊接工藝。

表4 雙相型不銹鋼試件試驗結果Table 4 Test resultsof duplex stainlesssteel specimens

該規程同時指出：考慮到不銹鋼焊縫較小，受復雜應力影響較大，不考慮利用正面角焊縫的強度提高。本文試驗研究結果顯示，對于奧氏體型不銹鋼，采用電弧焊工藝與氬弧焊工藝制成的試件，正面角焊縫試件與側面角焊縫試件的強度比值分別為1.79與1.62，而雙相型不銹鋼試件強度比分別為1.61與1.73，正面角焊縫的強度遠高于側面角焊縫，因此建議在后續規范的編制/修訂過程中，參考我國《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[26]，引入正面角焊縫強度設計值增大系數βf，同時出于安全考慮建議 βf取值為1.22，以此來考慮正面角焊縫強度提高的影響。

4 結論

本文基于不銹鋼角焊縫連接試件的單調拉伸試驗，重點考察了不同焊接工藝對不銹鋼角焊縫連接力學性能的影響，主要結論如下：

(1)所有試件均為角焊縫處破壞，電弧焊試件的焊縫破壞面較光滑，而氬弧焊試件的焊縫破壞面則呈現出不規則形狀。

(2)對于電弧焊試件，兩種不銹鋼材料側面角焊縫的平均真實斷裂角度為45.4°，正面角焊縫為32.8°；而氬弧焊試件，兩種不銹鋼材料側面角焊縫的平均真實斷裂角度為45.4°，正面角焊縫32.6°，這與我國《不銹鋼結構技術規程》(CECS 410:2015)[20]中的規定有所不同。

(3)對于奧氏體型不銹鋼，氬弧焊試件與電弧焊試件的強度比分別為1.03(正面角焊縫試件)及1.13(側面角焊縫試件)，相對變形量之比為1.46及1.11；對于雙相型不銹鋼，強度比分別為1.12和1.04，相對變形量之比分別為1.66 及1.45，采用氬弧焊焊接工藝制成的角焊縫試件表現出了更好的力學性能。

(4)由于兩種焊接工藝對不銹鋼角焊縫強度的影響差別不是很大，綜合考慮焊接速率、復雜程度以及經濟性等因素，建議后續在非重要節點的連接處，可以采用電弧焊焊接工藝。

(5)對于奧氏體型不銹鋼，采用電弧焊工藝及氬弧焊工藝制成的試件，正面角焊縫試件與側面角焊縫試件的強度比值分別為1.79及1.62，而雙相型不銹鋼的強度之比分別為1.61和1.73，正面角焊縫的強度遠高于側面角焊縫強度，因此建議在后續規范的編制/修訂中，參考我國《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[26]，引入正面角焊縫強度設計值增大系數 βf=1.22，以此來考慮正面角焊縫強度提高的影響。