焊接工藝對(duì)“T”形接頭構(gòu)件焊接應(yīng)力分布的影響

邱小琴 劉進(jìn)

摘 要：焊接是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，對(duì)工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣及結(jié)構(gòu)安全具有直接的影響。在2個(gè)焊件之間，端面構(gòu)成的直角或者是接近直角接頭成為T形接頭。在實(shí)際上，對(duì)接接頭的焊縫通常略高于母材板面，在焊縫與母材的過(guò)渡處會(huì)存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。由于現(xiàn)階段控制和消除殘余應(yīng)力能力還不夠成熟，焊接殘余應(yīng)力會(huì)直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力。因此，在具體實(shí)踐中，需要加強(qiáng)對(duì)T形接頭焊接應(yīng)力分布的影響研究，以確保焊接結(jié)構(gòu)安全可靠。

關(guān)鍵詞：焊接工藝;T形接頭;焊接應(yīng)力;應(yīng)力分布

中圖分類號(hào)：TG404? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 焊接應(yīng)力的機(jī)理和產(chǎn)生原因

焊接應(yīng)力是在焊接結(jié)構(gòu)過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，按照實(shí)際的時(shí)間進(jìn)行劃分，可分為2種——焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。在焊接中，構(gòu)件的焊接應(yīng)力有著復(fù)雜性，并且不同構(gòu)件存在的焊接應(yīng)力也有明顯差別。在不同的溫度場(chǎng)下，構(gòu)件自身的力學(xué)、物理等性能也存在較大的差異，同時(shí)，不均勻溫度場(chǎng)會(huì)多個(gè)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(tài)下，可能產(chǎn)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(wú)任何變形，這是由于不同的固定狀態(tài)，造成構(gòu)件被熱長(zhǎng)度影響，生成的壓應(yīng)力不同，利用公式ΔLT/L0=a（T1-T0）、Er=ΔLT/L0=a（T1-T0）可計(jì)算出變形率，然后確定構(gòu)件的焊接應(yīng)力，并有針對(duì)性地采取消除措施。

導(dǎo)致焊接應(yīng)力的原因有很多，概括起來(lái)主要有如下幾種：一是焊縫尺寸與接頭形式設(shè)計(jì)缺乏合理性。構(gòu)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(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致受熱面積過(guò)大，使焊接完成后殘余應(yīng)力增加;二是焊縫數(shù)量及其分布不夠科學(xué)。焊縫疏密度不均、相互交叉、封閉性焊縫較多等，都會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件撓度變形及殘余應(yīng)力出現(xiàn);三是焊接方式及其工藝參數(shù)選擇不合理，沒有根據(jù)構(gòu)件自身材質(zhì)、薄厚、形狀、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行選擇;四是構(gòu)件焊接順序及設(shè)計(jì)不科學(xué)，不同的焊接順序會(huì)導(dǎo)致焊接拘束度變化，進(jìn)而影響焊接應(yīng)力分布。

2 焊接工藝對(duì)T形接頭構(gòu)件焊接應(yīng)力分布的影響及消除對(duì)策

2.1 T形接頭焊接應(yīng)力測(cè)試

Q235B鋼板的塑性和韌性都很好，并且他們有很好的強(qiáng)度和冷彎性能，并且有著很好的焊接性，所以被普遍應(yīng)用在建筑和路橋的制造中。選用E4303焊條來(lái)焊接Q235B鋼，焊接時(shí)不需預(yù)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(jìn)行熱處理來(lái)改善組織。使用HK-21三維應(yīng)力分布磁測(cè)儀來(lái)測(cè)試焊接應(yīng)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(jìn)行裝配，如圖1所示。

T形接頭應(yīng)力測(cè)量起始點(diǎn)距離板端50 mm，覆蓋整個(gè)鋼板上的3條焊道，所測(cè)的焊接應(yīng)力值為構(gòu)件中心處的表面焊接應(yīng)力值，如圖2所示。

測(cè)試結(jié)果顯示，焊接Q235B鋼板T形接頭時(shí)，如果按照從中心出發(fā)，往一端焊，再由中心，往另一端焊，產(chǎn)生的應(yīng)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(cè)，往另一端焊，然后由一端另一側(cè)焊，往另一端焊，這樣產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)力就達(dá)到了最大的值，并且波動(dòng)范圍大約在45 MPa～60 MPa，最小值是壓應(yīng)力。在較小的焊接熱輸入392 J/ mm的情況下，針對(duì)Q235B鋼板T形接頭，容易產(chǎn)生焊接分布的不均勻問題，這時(shí)候變化幅值能夠到69.9 MPa，其壓應(yīng)力變化更是處在30 MPa～99.9 MPa;當(dāng)焊接熱輸入較大時(shí)，其焊接應(yīng)用有著均勻的分布，并且變化僅為20.1 MPa，應(yīng)力變化較小，沒有出現(xiàn)應(yīng)力峰值。

2.2 T形接頭焊接應(yīng)力消除對(duì)策

2.2.1 T形接頭焊接應(yīng)力的危害

第一，腐蝕危害。在焊接完T形接頭之后，因?yàn)楫a(chǎn)生的拉應(yīng)力，就會(huì)使其一旦遇到腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)，就可能會(huì)在腐蝕作用下發(fā)生構(gòu)件開裂的問題，從而影響整體的穩(wěn)定性，影響到其質(zhì)量。第二，對(duì)構(gòu)件尺寸和加工精度的影響。在T形接頭構(gòu)件中，常常因?yàn)楸旧淼膽?yīng)力產(chǎn)生穩(wěn)定的效果，但是在加工中，構(gòu)件的某一部分要被去掉或切割，構(gòu)件的尺寸、形狀等就會(huì)發(fā)生改變，這就會(huì)打破其原有的平衡性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響T形接頭構(gòu)件的精度。第三，影響構(gòu)件的剛度。在完成焊接T形接頭之后，應(yīng)疊加焊接殘余應(yīng)力和構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力，如果達(dá)到T形接頭自身所帶屈服點(diǎn)，就會(huì)直接導(dǎo)致其發(fā)生變形，降低其剛度。第四，危害構(gòu)件的自身疲勞強(qiáng)度。T形接頭中存在焊接殘余應(yīng)力，構(gòu)件荷載試驗(yàn)證明這些殘余應(yīng)力會(huì)使T形接頭極易達(dá)到疲勞強(qiáng)度的極限，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件質(zhì)量等受到危害。第五，危害構(gòu)件靜載水平。在低溫條件下，T形接頭如果處于干脆性狀態(tài)，那么其焊接殘余應(yīng)力和外在作用力就會(huì)疊加。

2.2.2 消除焊接殘余應(yīng)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(lái)抵消一部分殘余應(yīng)力。

第二，熱處理法。焊接過(guò)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部晶體構(gòu)造的改變，并消除晶體缺陷，有效地減小金屬?gòu)?qiáng)度，提高其韌性，從而有效地消除焊接應(yīng)力。

第三，爆炸法。完成焊接后，在焊縫周圍等區(qū)域設(shè)置炸藥帶，利用爆炸沖擊力使構(gòu)件發(fā)生一定的塑性變形，來(lái)抵消焊接殘余應(yīng)力。爆炸法還能減少壓應(yīng)力，大幅度地提升構(gòu)件抗拉力水平。

第四，振動(dòng)法。利用振動(dòng)來(lái)對(duì)焊接構(gòu)件施加壓力，可以疊加附加力和殘余應(yīng)力，并且能夠到達(dá)構(gòu)件自身屈服性的臨界值，這樣使其出現(xiàn)微觀塑性變形，以達(dá)到減少應(yīng)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(guò)打擊和磨削作用來(lái)消除焊接構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力，提升其表層的壓應(yīng)力水平和自身的疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在該文中，使用HZ-21三維應(yīng)力分布磁測(cè)儀，探測(cè)了T形接頭的殘余應(yīng)力，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接工藝的研究，探討了其對(duì)T形接頭焊接應(yīng)力分布的影響，并探討了消除焊接應(yīng)力的方法，以期能為T形結(jié)構(gòu)焊接順序和焊接熱輸入選擇以及提升構(gòu)建整體強(qiáng)度和使用年限提供一定的參考。

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