高強(qiáng)鋼20MnTiB焊接接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律研究

李興霞，崔國明，翟德梅，吳金杰

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002）

0 前言

目前中國的工程機(jī)械市場占世界市場份額的75%左右，但是絕大部分企業(yè)所用的高強(qiáng)鋼均依賴進(jìn)口，大大增加了生產(chǎn)成本。對于工程機(jī)械構(gòu)件，大多希望采用高強(qiáng)鋼來降低材料消耗，但對于高強(qiáng)鋼的焊接性能研究比較少，尤其是工程機(jī)械用900MPa鋼級高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律的研究更少。

由于焊接加熱過程的不均勻性引起的焊縫及其附近區(qū)域塑性變形的影響，在焊件內(nèi)部會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和其所受載荷引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，這不但會降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且這種殘余應(yīng)力在溫度和介質(zhì)的共同作用下還會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和接頭的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力等[1]。焊件在服役的過程中，由于殘余應(yīng)力的存在和作用，可能會造成某種事故，例如精度下降或局部破壞等。隨著所用鋼材強(qiáng)度級別越來越高，其焊接接頭部位殘余應(yīng)力的不利作用也越來越大。因此，研究這類鋼的焊接接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律，采取各種技術(shù)措施改善高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力分布特性，對于提高焊接結(jié)構(gòu)和接頭的承載能力、延長使用壽命、預(yù)防失效事故，具有實(shí)際意義[2-4]。因此本研究以國產(chǎn)900 MPa鋼級高強(qiáng)鋼20MnTiB為例，研究其焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律。

1 盲孔法測定原理

在應(yīng)力場內(nèi)任意處鉆一個一定直徑和深度的盲孔后，該處的金屬連同其中的殘余應(yīng)力即被釋放，原有殘余應(yīng)力也失去平衡。這時盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，其大小與被釋的應(yīng)力是相應(yīng)的。測出這種釋放應(yīng)變，利用相應(yīng)的計算公式，確定測點(diǎn)處的初始?xì)堄鄳?yīng)力。

2 殘余應(yīng)力測試過程

（1）測試前的表面處理。

表面處理是在預(yù)定進(jìn)行殘余應(yīng)力測量的位置上，刨平焊縫測量處，焊縫外其他測量區(qū)域用電砂輪打磨平整至可以順利地粘貼應(yīng)變花。

（2）粘貼應(yīng)變片連接應(yīng)變儀。

在預(yù)定的測量位置分別用502膠水粘貼應(yīng)變花。粘貼方向應(yīng)保證應(yīng)變花中的相互垂直的應(yīng)變片與焊縫方向一致，且各個測量位置的粘貼方向應(yīng)該保持一致。待應(yīng)變片粘貼牢靠后，將應(yīng)變片上的電阻絲用電烙鐵與應(yīng)變儀相連，在應(yīng)變儀上確認(rèn)無短路錯誤后，開始進(jìn)行下一步工作。

（3）打小孔并記錄有效數(shù)據(jù)。

采用手持電鉆鉆孔。所用鉆頭直徑2mm，與應(yīng)變花預(yù)置的打孔半徑一致。打孔孔深以目測為準(zhǔn)，大約為孔半徑的1.5～2倍。同時在打孔過程中盡可能保持鉆頭的鉆速一致。鉆孔完畢后，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（一般為20 min），通過應(yīng)變儀讀取數(shù)據(jù)。

3 測試方案

（1）試板規(guī)格。

選取規(guī)格480mm×400mm×12mm，480mm×400mm×6 mm的20MnTiB焊接試板進(jìn)行殘余應(yīng)力測量。

（2）殘余應(yīng)力測量布點(diǎn)方案。

對每塊試板正反面各取16個點(diǎn)進(jìn)行測量，在五條平行線上進(jìn)行布點(diǎn)，每條線間間距20 mm，正面分別測量距離焊縫中心距離為-60 mm，-40 mm，-32 mm，-24 mm，-16 mm，-8 mm，0 mm，4 mm，8 mm，12 mm，16 mm，20 mm，24 mm，32 mm，40 mm，60 mm的點(diǎn)，反面（焊縫較窄的一面）分別測量距離焊縫中心距離為-60mm，-40mm，-24mm，-16mm，-8mm，0mm，4 mm，8 mm，12 mm，16 mm，20 mm，24 mm，40 mm，60 mm的點(diǎn)。兩種壁厚的試板均按照如圖1所示的位置進(jìn)行測試布點(diǎn)，主要是為了獲得焊縫消氫處理后焊接接頭殘余應(yīng)力分布曲線。

圖1 試樣正面、反面布點(diǎn)位置示意Fig.1 Layout of testing point for the front and back of specimens

（3）數(shù)據(jù)處理方法。

對通過應(yīng)變儀所測得的數(shù)據(jù)，利用殘余應(yīng)力計算公式計算出相應(yīng)測試點(diǎn)的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力，把應(yīng)力數(shù)據(jù)填表后，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制成應(yīng)力分布曲線。根據(jù)通孔的Kirsch理論解導(dǎo)出計算公式，計算時的釋放應(yīng)變僅考慮應(yīng)變計中心一點(diǎn)處的應(yīng)變，具體推導(dǎo)過程在此不作介紹[5]。

4 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

4.1 12 mm板厚殘余應(yīng)力測試結(jié)果和分析

4.1.1 焊接方法及工藝參數(shù)

采用 MAG 焊，保護(hù)氣體為 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。試板焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 12 mm板厚試板焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding diameters of the specimens with thickness of 12 mm

4.1.2 測試結(jié)果分析

12 mm板厚試板正面殘余應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可知，縱向殘余應(yīng)力以焊縫中心基本對稱分布，但是對稱性不是很好，基本呈雙峰形貌，焊縫處殘余應(yīng)力值較熔合線位置處殘余應(yīng)力值小，但較其他位置處殘余應(yīng)力值大，縱向殘余應(yīng)力在熔合線處出現(xiàn)了最大峰值（約為500 MPa）；隨著距離焊縫中心距離的增大，應(yīng)力值趨近于0。

圖2 12 mm板厚試板正面殘余應(yīng)力分布曲線Fig.2 Distribution curve of the residual stress for the front of specimens with thickness of 12 mm

12 mm板厚試板反面殘余應(yīng)力分布曲線如圖3所示，可以看出殘余應(yīng)力分布規(guī)律與正面基本相同，但在熔合線處出現(xiàn)的最大值高達(dá)570 MPa；橫向殘余應(yīng)力維持在較小的水平，其最大值約為195 MPa。12 mm板厚試板正反面的殘余應(yīng)力曲線分布特征比較相似，這與試板進(jìn)行雙面焊接有一定的關(guān)系。

4.2 6 mm板厚殘余應(yīng)力測試結(jié)果和分析

4.2.1 焊接工藝參數(shù)

6 mm板厚試板焊接工藝參數(shù)如表2所示。

4.2.2 測試結(jié)果分析

表2 6 mm板厚試板焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding diameters of the specimens with thickness of 6 mm

6 mm板厚試板正面殘余應(yīng)力分布曲線如圖4所示。由圖4可知，整體上看，垂直于焊縫方向縱向殘余應(yīng)力有比較大的變化，而橫向殘余應(yīng)力變化幅度較??；縱向殘余應(yīng)力以焊縫為中心基本對稱分布，焊縫處殘余應(yīng)力值較熔合線位置處殘余應(yīng)力值小；縱向殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)出雙峰形貌，且在熔合線處出現(xiàn)了最大峰值（約為506 MPa）；橫向殘余應(yīng)力維持在較低的水平，最大值不超過155MPa。

6 mm板厚試板反面殘余應(yīng)力分布曲線如圖5所示。由圖5可知，反面殘余應(yīng)力的測試結(jié)果與正面有一定的相似性?？v向殘余應(yīng)力分布也呈現(xiàn)出雙峰形貌，且在熔合線處出現(xiàn)了最大峰值（約為660 MPa）。

6 mm板厚試板的正反面殘余應(yīng)力測試結(jié)果表明，正反面的殘余應(yīng)力分布趨勢相似；縱向殘余應(yīng)力均為雙峰分布，只是二者的峰值有一些差異而已；橫向殘余應(yīng)力均維持在較低的水平。

5 結(jié)論

采用盲孔法測試高強(qiáng)鋼在不同厚度、相同厚度試板正反面的殘余應(yīng)力分布情況，獲得了大量精確數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理后得出了高強(qiáng)鋼20MnTiB焊接接頭殘余應(yīng)力的分布規(guī)律如下：

圖4 6mm板厚試板正面殘余應(yīng)力分布曲線Fig.4 Distribution curve of the residual stress for the front of specimens with thickness of 6mm

（1）縱向殘余應(yīng)力以焊縫中心基本對稱，呈雙峰分布。縱向殘余應(yīng)力有比較大的變化，在熔合線處出現(xiàn)了峰值，高達(dá)660 MPa；焊縫處殘余應(yīng)力值較熔合線處小，但比其他位置處大。橫向殘余應(yīng)力變化幅度較小，且維持在較小的水平，其最大值不超過195 MPa。

（2）焊縫正反面的殘余應(yīng)力分布規(guī)律相似，只是反面峰值稍高于正面。

（3）不同板厚的殘余應(yīng)力分布規(guī)律相似，薄板比厚板峰值大一些。

這一研究結(jié)果對于采取各種技術(shù)措施改善分布特性，從而提高焊接結(jié)構(gòu)和接頭的承載能力，延長使用壽命，預(yù)防失效事故，具有重要意義。另外對于應(yīng)用國產(chǎn)高強(qiáng)鋼板代替進(jìn)口具有參考價值。

圖5 6mm板厚試板反面殘余應(yīng)力分布曲線Fig.5 Distribution curve of the residual stress for the back of specimens with thickness of 6mm

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