隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)需求量越來越大。本文采用盲孔法對Q390鋼焊接接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，深入了解該鋼的焊接性能，對其在壓力容器等方面的高效應(yīng)用具有一定的研究價(jià)值。
焊接工藝
采用焊條電弧焊和埋弧焊對Q390鋼進(jìn)行平板對接焊接，單塊試板尺寸為500mm*150mm*40mm，開深U形坡口，裝配間隙2mm，坡口底端采用焊條電弧焊打底焊5mm，道間冷卻溫度130℃，采用與母材性能匹配的焊條與焊絲進(jìn)行焊接。
應(yīng)變片的粘貼
薄板平面對接焊的研究成果證明殘余應(yīng)力關(guān)于焊縫中心具有對稱性，但是對于厚板焊縫，由于焊道的不對稱性，很難保證焊接殘余應(yīng)力的對稱，所以，為了全面了解Q390鋼厚板焊接表面殘余應(yīng)力分布，在試板中心位置垂直于焊縫中心粘貼一排應(yīng)變片，記為路徑1：為了補(bǔ)充路徑1兩孔之間由于孔間距過大而漏測數(shù)據(jù)造成測量區(qū)域不全和防止操作過程帶來的試驗(yàn)誤差，在路徑1以下50mm處粘貼另一排應(yīng)變片，記為路徑2。根據(jù)JH-30殘余應(yīng)力檢測儀使用方法，相鄰2個(gè)應(yīng)變片之間的距離應(yīng)至少大于孔徑的5-8倍，在研究焊接工藝參數(shù)對焊接殘余應(yīng)力的影響時(shí)相鄰2個(gè)應(yīng)變片之間的距離僅為5mm也能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此，本試驗(yàn)過程中應(yīng)變片之間的距離選定為7倍的孔徑，約為（10±2）mm，符合技術(shù)要求，能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)中應(yīng)變片采用三向應(yīng)變片，夾角分別為0°，90°，225°，靈敏系數(shù)為2.07±1%。
試驗(yàn)結(jié)果與分析
為防止焊接過程中產(chǎn)生較大變形，2塊試板經(jīng)焊條電弧打底焊接一道之后進(jìn)行預(yù)彎，角變形為-5°（角變形凸為負(fù)值，凹為正值）。焊條電弧焊時(shí)不加約束，采用埋弧焊接時(shí)在試板4個(gè)角上用螺栓施加垂直于試板向下的約束。在焊接過程中當(dāng)重力和拘束外力在板寬方向的分量大于試板與襯板之間的摩擦力時(shí)，試板可沿板寬方向向外移動(dòng)。采用埋弧焊施加約束焊接后角變形為-2°，角變形量為3°，采用焊條電弧焊不加約束焊接后角變形為5°，角變形量為10°。在本試驗(yàn)條件下，埋弧焊的角變形量小于焊條電弧焊。將測量區(qū)用角磨機(jī)輕輕打平之后再進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，整理資料并繪制應(yīng)力-位置分布圖。
從埋弧焊路徑1、2殘余應(yīng)力分布可看出，路徑1、2的縱向應(yīng)力為壓應(yīng)力，σx在焊縫中心達(dá)最大值，平均值為160MPa，隨著距焊縫距離的增加，應(yīng)力值逐漸減小并趨穩(wěn)定，母材應(yīng)力值為40MPa。路徑1、2的橫向應(yīng)力為壓應(yīng)力，σy也為壓應(yīng)力，但幅值較高，在焊縫及熱影響區(qū)達(dá)最大值，約為590MPa，遠(yuǎn)離焊縫處應(yīng)力逐漸減小，母材區(qū)橫向應(yīng)力約為150MPa。
從焊條電弧焊路徑1、2的殘余應(yīng)力分布可看出，σx和σy出現(xiàn)中間大兩端小的典型自由對接焊接接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律，路徑1、2縱向應(yīng)力分布，σx在焊縫區(qū)為拉應(yīng)力并出現(xiàn)最大值，為400MPa。隨著距焊縫中心距離的增加應(yīng)力變小，在熔合區(qū)附近變?yōu)閴簯?yīng)力并達(dá)到最大值，之后趨于穩(wěn)定。母材區(qū)應(yīng)力為壓應(yīng)力，為50MPa，這與采用埋弧焊焊接的母材應(yīng)力幅值水平相當(dāng)。在路徑1、2橫向壓力中，σy在焊縫區(qū)拉應(yīng)力，約為200MPa，比縱向應(yīng)力小約200MPa，這符合殘余應(yīng)力的規(guī)律。熔合區(qū)出現(xiàn)壓應(yīng)力，在母材區(qū)趨于穩(wěn)定為200MPa，這與埋弧焊橫向應(yīng)力幅值一致。
通過對這兩種不同焊接工藝下殘余應(yīng)力測量值的比較可看出，采用不同的焊接工藝和有無約束情況下，焊接接頭殘余應(yīng)力分布并不一致，采用埋弧焊焊接的試板焊縫區(qū)為壓應(yīng)力，而采用焊條電弧焊焊接的試板焊縫區(qū)為拉應(yīng)力，這是因?yàn)樵谟型饧s束焊接時(shí)，焊縫金屬相變體積膨脹受到周圍金屬材料的限制產(chǎn)生相變應(yīng)力，相變應(yīng)力會(huì)降低焊接熱應(yīng)力場引起的殘余拉伸應(yīng)力，在一定相變溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力。在焊縫金屬從高溫到室溫的冷卻過程中，會(huì)發(fā)生一系列的組織轉(zhuǎn)變，其比體積將發(fā)生突變，在室溫時(shí)單一組織的珠光體、貝氏體和馬氏體比奧氏體體積膨脹4.62%-4.8%，線膨脹1.54%-1.6%，在焊縫區(qū)，當(dāng)殘余拉伸應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變?yōu)?.1%-0.3%，考慮到相變過程中的不完全轉(zhuǎn)變，其數(shù)值也遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力引起的應(yīng)變，剩余的膨脹應(yīng)變引起焊縫殘余壓縮應(yīng)力，所以，相變膨脹應(yīng)變產(chǎn)生的相變應(yīng)力完全可抵消焊接殘余拉伸應(yīng)力，而在埋弧焊焊接過程中，試板還受到了自身重力和拘束外力的雙重作用，坡口處金屬受到垂直于坡口面向里壓應(yīng)力的作用，有迫使金屬沿焊縫方向流動(dòng)的趨勢，同時(shí)該約束產(chǎn)生的壓應(yīng)力抵消了由于熔敷金屬冷卻產(chǎn)生的拉應(yīng)力，最終在焊縫上形成了壓應(yīng)力。
在自由狀態(tài)下采用焊條電弧焊焊接的試板，因無約束，在相變結(jié)束后的熱收縮是引起縱向拉應(yīng)力的主要原因。焊接過程中，焊縫處溫度迅速升高，體積膨脹，熱影響區(qū)溫度低阻礙焊縫膨脹，結(jié)果焊縫處產(chǎn)生壓應(yīng)力，熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。冷卻過程中，熱影響區(qū)冷卻速度快，很快進(jìn)入彈性狀態(tài)，焊縫處溫度高，處于塑性狀態(tài)，這時(shí)焊縫收縮較熱影響區(qū)收縮慢，焊縫阻礙熱影響區(qū)收縮，焊縫仍受壓，熱影響區(qū)受拉。熱影響區(qū)溫度不斷降低，冷卻速度也逐漸變慢，當(dāng)焊縫的冷卻速度高于熱影響區(qū)時(shí)，焊縫收縮較快，焊縫的收縮受到熱影響區(qū)阻礙，應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變；焊縫受拉應(yīng)力，熱影響區(qū)受壓應(yīng)力。當(dāng)焊縫和熱影響區(qū)都進(jìn)入彈性狀態(tài)時(shí)，因焊縫溫度高，冷卻速度快，收縮量大，熱影響區(qū)溫度低，冷卻速度慢，收縮量小，焊縫收縮受到熱影響區(qū)阻礙，結(jié)果焊縫受拉，熱影響區(qū)受壓，隨著溫度的降低，焊縫收縮受到的阻礙越來越大，拉應(yīng)力也越拉越大，直至室溫，應(yīng)力可能達(dá)到母材的屈服極限。
此外，對邊緣受約束試板，焊縫及其周圍受約束的橫向收縮對橫向應(yīng)力起主要作用，先焊部分先冷卻并恢復(fù)彈性，會(huì)對后焊部分的橫向收縮產(chǎn)生阻礙作用。對于直通焊縫，焊縫尾部最后冷卻，其橫向收縮受到已經(jīng)冷卻的先焊部分的制約表現(xiàn)為拉應(yīng)力，焊縫中間為壓應(yīng)力；在自由約束下進(jìn)行焊接的試板，在冷卻過程中，焊縫金屬縱向收縮，使焊縫兩側(cè)金屬趨于形成反方向的彎曲變形，但實(shí)際上2塊鋼板已經(jīng)連在一起，不能分開，于是2塊鋼板的焊縫中間將產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而焊縫兩端產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。另外，在厚板焊接過程中，彎曲效應(yīng)的迭加使先焊焊道承受拉應(yīng)力，后焊焊道承受壓應(yīng)力，角收縮受到兩端的約束，表現(xiàn)為橫向壓縮應(yīng)力，由于這2個(gè)因素產(chǎn)生的應(yīng)力迭加，使焊縫中心橫向應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力最大值。
結(jié)論
1.埋弧焊焊接試板在焊縫處為壓應(yīng)力，橫向應(yīng)力幅值較大，最大值為590MPa，縱向應(yīng)力幅值較小，約為160MPa；而經(jīng)焊條電弧焊焊接的試板在焊縫處為拉應(yīng)力，縱向應(yīng)力幅值較大，最大值為400MPa，橫向應(yīng)力幅值較低，最大值為200MPa。
2.在試板中間位置，相同區(qū)域的殘余應(yīng)力分布基本一致，并沒有因?yàn)槲恢貌煌霈F(xiàn)較大波動(dòng)。
3.在本試驗(yàn)條件下，埋弧焊焊接試板的變形小于焊條電弧焊接的，且在接頭處全部為壓應(yīng)力，在條件允許的情況，優(yōu)先選擇埋弧焊焊接工藝。
