厚板焊接殘余應(yīng)力的試驗(yàn)研究

黃 晶 劉宇光 張 濤 謝 凡

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢430074 2天津市濱海市政建設(shè)發(fā)展有限公司，天津300050

厚板焊接殘余應(yīng)力的試驗(yàn)研究

黃 晶1劉宇光2張 濤1謝 凡1

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢430074 2天津市濱海市政建設(shè)發(fā)展有限公司，天津300050

通過(guò)盲孔法，測(cè)定了不同焊接接頭、不同板厚、不同焊接工藝下厚板的焊接殘余應(yīng)力，在考慮了塑性影響的基礎(chǔ)上，得到了厚板焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。分析討論了焊接接頭、板厚、焊接工藝以及焊接坡口大小對(duì)焊接殘余應(yīng)力分布的影響及原因。結(jié)果表明，采用自由焊工藝，可以減小焊接殘余應(yīng)力。而調(diào)整焊接順序，則可以改變焊接殘余應(yīng)力的峰值位置。合理設(shè)計(jì)承載面的坡口大小，可以有效降低焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。關(guān)鍵詞：厚板；焊接工藝；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；殘余應(yīng)力；盲孔法

1 引言

為了確保焊接結(jié)構(gòu)的安全，掌握焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試方法，弄清焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，研究減小殘余應(yīng)力的方法具有十分重要的意義。目前，工程界和學(xué)術(shù)界已有很多專著和論文介紹了這方面的研究［1－3］。測(cè)定殘余應(yīng)力的方法大致可以分為兩類：機(jī)械法和物理法。機(jī)械法包括切槽應(yīng)力釋放法、套孔應(yīng)力釋放法、逐層應(yīng)力釋放法、盲孔應(yīng)力釋放法等，它們都是通過(guò)機(jī)械的方法將應(yīng)力釋放出來(lái)供測(cè)量。物理法包括超聲波測(cè)定方法、X射線測(cè)定法、電磁測(cè)定法、硬度法、開裂法、光測(cè)法、中子衍射法等。對(duì)測(cè)試方法如何評(píng)用，大致可按下列要求作為衡量：（1）對(duì)測(cè)試對(duì)象有無(wú)破壞；（2）是否便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和快速測(cè)試；（3）是測(cè)表面內(nèi)還是表面外的殘余應(yīng)力；（4）測(cè)試精度。

隨著近代工業(yè)的發(fā)展，大厚度鋼結(jié)構(gòu)在冶金、橋梁、船舶、壓力容器等行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。在船舶行業(yè)中，各種大型船舶的甲板鋼材均為厚板，大型軍艦的甲板厚度一般在50 mm以上。人們對(duì)薄板中焊接殘余應(yīng)力的研究較多，但對(duì)大厚度結(jié)構(gòu)中不同焊接接頭的殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及影響因素的研究并不多。由于厚度越大，鋼板在焊接時(shí)受到的約束就越多，故大厚度鋼板中的焊接殘余應(yīng)力通常很大。大厚度結(jié)構(gòu)承受的載荷較大，焊接質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響較大，所以焊接殘余應(yīng)力研究對(duì)提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕意義重大。本文利用盲孔法，對(duì)板厚為40 mm、50 mm、60 mm、80 mm和100 mm的鋼板不同的焊接接頭形式的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)量，并分析了影響焊接殘余應(yīng)力分布的因素。

2 試驗(yàn)原理

盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力是一種半無(wú)損的測(cè)量方法，它是通過(guò)在試件表面鉆一定深度的孔，測(cè)定鉆孔后的釋放應(yīng)力來(lái)計(jì)算鉆孔前的殘余應(yīng)力。設(shè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

測(cè)點(diǎn)鉆孔前和鉆孔后的應(yīng)力關(guān)系可用下式表示。

式中，σ1和σ2表示鉆孔前測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力；σr和σt表示鉆孔后測(cè)點(diǎn)的釋放的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力；a為鉆孔直徑；r為應(yīng)變片至測(cè)點(diǎn)中心的距離。由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并考慮應(yīng)變片的長(zhǎng)度后，可得

式中，r1、r2為應(yīng)變片前后兩端到測(cè)點(diǎn)中心的距離；a為鉆孔直徑。

可簡(jiǎn)化為：

數(shù)據(jù)處理時(shí)，A、B值可以計(jì)算，也可以標(biāo)定。

若用三向應(yīng)變花，夾角分別為0°，45°，90°，則可求解得

通常，將主應(yīng)力換成垂直于焊縫方向的應(yīng)力（橫向應(yīng)力，用σy表示）和平行于焊縫方向的應(yīng)力（縱向應(yīng)力，用σx表示）來(lái)進(jìn)行研究，當(dāng)應(yīng)變片0°方向與焊縫垂直時(shí)，換算關(guān)系式為：

3 試驗(yàn)方案

3.1 試件和焊接工藝

試驗(yàn)中，所有的試件均由500 mm×300 mm× H的鋼板焊接而成，H表示板厚，包括40 mm、50 mm、60 mm、80 mm、100 mm 5種。對(duì)每種板厚，均包括對(duì)接焊、角焊、T型焊3種焊接接頭形式。試件材料為Q370qd，焊接材料為H08Mn2E（φ5.0）＋SJ101q采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，電流220～240A，電壓24～26V，焊速240～260 mm／min，對(duì)焊材進(jìn)行烘干處理，焊前使用火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度130°～140°，焊后進(jìn)行保溫處理，層間溫度140°～150°，背面用碳弧氣刨清根。焊接時(shí)，坡口形式采用雙面開坡口的不對(duì)稱X形坡口。試驗(yàn)設(shè)備采用HK－21B型鉆孔裝置、DH－3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀和BE120－2CA－K應(yīng)變花。

3.2 應(yīng)變花貼片方案

從對(duì)薄板的現(xiàn)有研究成果可知，對(duì)于平板對(duì)接焊，殘余應(yīng)力在橫向基本上是關(guān)于焊縫中心線對(duì)稱分布的［4］。在垂直于焊縫方向上，考慮到焊縫附近的殘余應(yīng)力的梯度變化較大，焊縫附近布片應(yīng)較密。同時(shí)，殘余應(yīng)力值在焊縫中心線附近值都較大，故縱向沿焊縫布片。綜合以上原因，從減小工作量出發(fā)，在焊縫一側(cè)貼片，同時(shí)只在板寬中心線一側(cè)貼片。而對(duì)角焊與T型焊，由于焊縫中心不易布片，只在垂直于焊縫方向布片，同時(shí)遵循離焊縫近處布片密集的原則。圖2給出了各種焊接接頭的布片示意圖。

圖2中所有應(yīng)變片均采用三向應(yīng)變花，夾角分別為0°，45°，90°。其中0°應(yīng)變片與焊縫中心線垂直，90°應(yīng)變片為沿焊縫中心線。

圖3為應(yīng)變片按圖2布片方案將應(yīng)變花粘貼好，24 h后采用盲孔法測(cè)試應(yīng)力，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備對(duì)試件進(jìn)行鉆孔。

圖2 貼片方案示意圖

圖3 準(zhǔn)備鉆孔

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

按照用盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力的步驟進(jìn)行試驗(yàn)，將測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果除去附加應(yīng)變后按照式（4）和式（5）轉(zhuǎn)換為所需的應(yīng)力結(jié)果。附加應(yīng)變的研究在文獻(xiàn)［5］中已有敘述，本次試驗(yàn)是對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)定得到的。式（4）中的A、B值（A、B稱為應(yīng)變釋放系數(shù)）也是由試驗(yàn)標(biāo)定得到。由于鋼板較厚，測(cè)得的殘余應(yīng)力值較大，所以需要考慮孔邊塑性的影響。對(duì)孔邊塑性的考慮，文獻(xiàn)［6］～［9］分別從不同方面進(jìn)行了分析和修正。本文按照文獻(xiàn)［9］的方法，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了塑性修正，使盲孔法測(cè)量高殘余應(yīng)力的誤差大大減小。同時(shí)為了減小鉆孔時(shí)由于切削作用而產(chǎn)生的誤差，在鉆孔時(shí)采用了逐步擴(kuò)孔的方法，可使試驗(yàn)誤差由傳統(tǒng)法的19.4%降到4.41%，大大提高了測(cè)試精度。另外，盲孔法只能測(cè)量試件表面的殘余應(yīng)力。對(duì)于薄板，可認(rèn)為殘余應(yīng)力沿厚度線性分布，但對(duì)于厚板，殘余應(yīng)力沿試件厚度的分布并不均勻。文獻(xiàn)［10］給出了厚板中殘余應(yīng)力沿厚度的分布規(guī)律，并提出了擬合公式。因此，試件表面的殘余應(yīng)力分布情況可以大致反映整個(gè)焊接接頭的殘余應(yīng)力分布情況。

下面將就影響殘余應(yīng)力分布的因素進(jìn)行討論。以下各圖中，橫坐標(biāo)h表示測(cè)點(diǎn)離焊縫中心線的距離，正負(fù)是為了區(qū)分左側(cè)和右側(cè)。

4.1 不同焊接接頭中殘余應(yīng)力的分布

不同的焊接接頭，由于受到自身的約束不同，殘余應(yīng)力的分布會(huì)有所不同。圖4給出了40 mm板厚對(duì)接焊、角焊、T型焊3種焊接形式沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布。測(cè)點(diǎn)全部布在開了坡口的板上，并布在大坡口一側(cè)。由圖中可以看出，縱向應(yīng)力基本上都是拉應(yīng)力，在焊縫中心線附近有最大值，然后隨離焊縫中心線的距離的增加而衰減至零附近；橫向應(yīng)力既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力，在焊縫中心附近取得最大值，然后隨離焊縫中心線的距離的增加而衰減，并逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力。從應(yīng)力水平上看，縱向應(yīng)力要大于橫向應(yīng)力。同時(shí)，也可發(fā)現(xiàn)，對(duì)接焊的殘余應(yīng)力最小，角焊其次，T型焊最大。這可以從焊接時(shí)受到的自身約束來(lái)解釋。對(duì)接焊時(shí)，由于焊接的兩塊鋼板相同，因此，一塊板對(duì)另一塊板的約束幾乎可以不考慮。對(duì)于角焊，由于兩塊板垂直，因此，會(huì)有一塊板產(chǎn)生彎曲變形，相當(dāng)于加大了對(duì)另一塊板的約束。T型焊與角焊類似，但由于底板在立板的兩側(cè)而不是一側(cè)都要產(chǎn)生彎曲變形，故其自身的約束更大。在焊縫區(qū)，殘余應(yīng)力值較高。這是由于焊材的強(qiáng)度要高于母材，且采用的是多層多道焊，使此區(qū)域的材料不斷地加熱、冷卻，產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致材料強(qiáng)化。對(duì)接焊在焊縫區(qū)殘余應(yīng)力值變化相對(duì)緩慢，而角焊與T型焊在此區(qū)域變化很大。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力的最大值并不正好在焊縫中心線上。這一方面與試驗(yàn)中不能準(zhǔn)確確定焊縫中心線有關(guān)，另一方面，在熔合線處，兩側(cè)材料的強(qiáng)度不匹配，使殘余應(yīng)力值變大。由圖4中角焊的殘余應(yīng)力的分布還可以發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力的最大值在熔合線處。由于焊縫區(qū)較小，布片不太方便，且受材料的強(qiáng)度匹配和塑性強(qiáng)化的影響，殘余應(yīng)力的分布非常復(fù)雜，殘余應(yīng)力值也較大。要完全弄清此區(qū)域的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，需要做更深入的研究。

4.2 大坡口面與小坡口面殘余應(yīng)力的對(duì)比

對(duì)于厚板焊接，由于要達(dá)到焊透的要求，必須要開雙面坡口。對(duì)于X型坡口，通常選用不對(duì)稱坡口，即一面為大坡口，一面為小坡口。焊接時(shí)，一般先焊大坡口，再焊小坡口。圖5給出的是80 mm自由對(duì)接焊的大坡口面和小坡口面沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布。可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，不論是縱向應(yīng)力還是橫向應(yīng)力，相對(duì)于小坡口面而言，大坡口面的應(yīng)力值總是要高，且殘余應(yīng)力影響范圍要大。大坡口的縱向殘余應(yīng)力峰值超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，而小坡口的縱向殘余應(yīng)力峰值在0.8σs左右。殘余應(yīng)力的影響范圍顯然與坡口大小密切相關(guān)。文獻(xiàn)［11］曾論述，在對(duì)稱坡口的情況下，先焊面的殘余應(yīng)力峰值要小于后焊面的殘余應(yīng)力峰值。但對(duì)于非對(duì)稱坡口，圖5表明，坡口的大小對(duì)殘余應(yīng)力有很大的影響。由于大坡口面填料多，輸入的熱量大，受影響的范圍也大，冷卻時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更大的收縮，因此導(dǎo)致大坡口面的殘余應(yīng)力要大于小坡口面。

圖4 3種焊接形式沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布

圖5 大坡口面與小坡口面沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布

4.3 自由焊與約束焊殘余應(yīng)力的對(duì)比

焊接時(shí)，為了保證兩塊鋼板的相對(duì)位置不變，通常在焊前用馬板將兩塊鋼板固定，然后再對(duì)鋼板進(jìn)行焊接。若采用多道多層焊，則一般在焊完第一層后，兩塊鋼板在焊接處已相連，相對(duì)位置已經(jīng)固定。在接下來(lái)進(jìn)行焊接時(shí)，有兩種工藝措施：一是拿掉馬板，再焊接，即無(wú)約束焊或自由焊；二是保留馬板，繼續(xù)焊，即約束焊。一般來(lái)說(shuō)，由于約束焊增加了焊接過(guò)程中的約束，雖然使焊接變形有所減小，但會(huì)增加焊接殘余應(yīng)力。圖6給出了80 mm板自由焊與約束焊沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布。從應(yīng)力水平上看，圖6能較好地說(shuō)明約束焊殘余應(yīng)力大于自由焊殘余應(yīng)力。在焊縫區(qū)，自由焊的殘余應(yīng)力衰減很快，進(jìn)入熱影響區(qū)后縱向殘余應(yīng)力低于150 MPa（約為0.4σs），而約束焊的殘余應(yīng)力在整個(gè)焊縫區(qū)都維持在較高的水平，接近材料的屈服強(qiáng)度，進(jìn)入熱影響區(qū)后才開始衰減。同時(shí)，無(wú)論哪種焊接措施，殘余應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在焊縫熔合線處。圖6（a）中峰值所在處一個(gè)在焊縫左側(cè)，一個(gè)在焊縫右側(cè)，說(shuō)明焊接殘余應(yīng)力并不是沿焊縫中心線完全對(duì)稱，會(huì)受到多層多道焊時(shí)焊接順序的影響。由于先焊的一道焊會(huì)對(duì)后焊時(shí)產(chǎn)生約束，即后焊時(shí)的約束較大。因此，可以估計(jì)，焊接殘余應(yīng)力的峰值將會(huì)出現(xiàn)在后焊的焊縫熔合線處。

圖6 自由焊與約束焊沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布

4.4 板厚對(duì)殘余應(yīng)力的影響

通常來(lái)說(shuō)，焊接鋼板越厚，焊接時(shí)受到的自身約束越多，焊接后的殘余應(yīng)力值就越大。但近來(lái)已有一些研究表明，焊接殘余應(yīng)力并不是完全隨板厚的增加而增加。文獻(xiàn)［11］作者認(rèn)為，這是由于厚板采取了預(yù)熱措施。事實(shí)上，現(xiàn)在對(duì)厚板進(jìn)行焊接時(shí)，一般都會(huì)采取預(yù)熱措施來(lái)減小焊接殘余應(yīng)力。圖7給出的是平板對(duì)接自由焊不同板厚沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布。7塊板均采用了相同的工藝措施。整體上看，在板厚為40 mm～60 mm時(shí)，殘余應(yīng)力有隨板厚的增加而增加的趨勢(shì)，但80 mm、100 mm板反而較其他板殘余應(yīng)力小。從圖7中各個(gè)板厚的殘余應(yīng)力的峰值來(lái)看，焊縫附近的殘余應(yīng)力基本上都接近或超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。并且，厚板中殘余應(yīng)力在厚度上的分布并不均勻。所以，如何有效地減小厚板中的焊接殘余應(yīng)力，值得做進(jìn)一步的研究。

圖7 不同板厚對(duì)接焊沿垂直于焊縫的殘余應(yīng)力分布

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)厚板焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試，討論了影響焊接殘余應(yīng)力的幾個(gè)因素，可以得到以下結(jié)論：

1）大坡口面的焊接殘余應(yīng)力要大于小坡口面的焊接殘余應(yīng)力。因此，對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)工程可以考慮將承受載荷較大的一面設(shè)計(jì)成小坡口；

2）約束焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力要大于自由焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。除非對(duì)焊接變形有很高的要求，否則，建議焊接時(shí)采用自由焊。

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Experimental Study on Welding Residual Stress of Thick Plate

Huang Jing1Liu Yu－guang2Zhang Tao1Xie Fan1
1 School of Naval Architecture&Ocean Engineering，Huazhong University of Science&Technology，Wuhan 430074，China 2 Binhai Municipal Construction&Development Co.，Ltd.，Tianjing 300050，China

With blind－h(huán)ole drilling method，the welding residual stress of thick plate was measured under different welded joint types，plate thickness，and welding processes.Considering the plasticity effect，the distribution of welding residual stress in thick plate was obtained.Then，the effects of joint types，plate thickness，welding process，and groove dimensions on the welding stress distributions were discussed.The results show that：unconstrained structure can reduce the residual stress，and welding sequences adjustment can change the position of residual stress peak values，and proper groove dimensions can effectively reduce the effects of welding residual stress on the structure strength.

thick plate；welding process；structure strength；residual stress；blind－h(huán)ole method

U671.83；TG404

A

1673－3185（2009）05－33－05

2009-05-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10702022）

黃 晶（1986-），男，碩士研究生。研究方向：水下工程。E-mail：huangjing0405@126.com

張 濤（1976-），男，副教授。研究方向：水下工程。E-mail：zhangt7666@hust.edu.cn