焊接電流對(duì)Q235鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

邰 馳 高志剛 陸建國(guó) 許明明

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院太倉(cāng)分院）(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院）

焊接電流對(duì)Q235鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

邰 馳*高志剛 陸建國(guó) 許明明

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院太倉(cāng)分院）(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院）

對(duì)12 mm厚Q235試板進(jìn)行手工電弧焊試驗(yàn)研究。采用3種不同焊接電流參數(shù)對(duì)3組試板進(jìn)行焊接，以研究不同焊接電流下焊接接頭所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。3組試板均采用雙面焊。分別對(duì)正面填充焊和蓋面層焊采用155 A、165 A、175 A三種焊接電流。焊完后采用殘余應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)焊接接頭進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，Q235鋼在175 A電流下焊接接頭殘余應(yīng)力比165 A電流下大，155 A電流下最小。隨著焊接電流的增大，焊接殘余應(yīng)力升高。

焊接電流 Q235鋼 焊接接頭 殘余應(yīng)力 手工電弧焊

0 引言

Q235鋼在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，大量應(yīng)用于建筑及工程結(jié)構(gòu)，用于制作鋼筋，或用于建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器、船舶等。焊接殘余應(yīng)力往往會(huì)使焊接產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至?xí)驘o(wú)法補(bǔ)救而不得不報(bào)廢。殘余應(yīng)力較大的部位往往會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕或疲勞裂紋。因此，有必要仔細(xì)研究Q235鋼焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)及相關(guān)調(diào)控措施。不同的焊接工藝參數(shù)對(duì)Q235鋼焊接接頭殘余應(yīng)力有不同的影響，在手工電弧焊中焊接電流大小尤其關(guān)鍵。因此，本文用不同大小的焊接電流作為差異參數(shù)，來(lái)研究手工電弧焊中焊接電流對(duì)Q235鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。

1 焊接試驗(yàn)

1.1 Q235鋼基本性能介紹

Q235鋼是普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q代表屈服極限，235代表屈服值為235 MPa左右。Q235鋼隨著厚度增大其屈服值會(huì)減小。Q235鋼分為Q235A、Q235B、Q235C、Q235D四個(gè)質(zhì)量級(jí)別。級(jí)別A、B、C、D不同是指其所做沖擊的溫度不同。其中，Q235A級(jí)為不做沖擊；Q235B級(jí)為做20℃常溫沖擊；Q235C級(jí)為做0℃沖擊；Q235D級(jí)為做-20℃沖擊。在不同的溫度下做沖擊韌性試驗(yàn)，沖擊功的數(shù)值也有所不同。A、B、C、D級(jí)別的鋼其元素含量有所不同，硫含量依次遞減；A和B級(jí)的磷含量相同，C級(jí)的磷含量次之，D級(jí)的磷含量最少。

Q235鋼含碳量低，錳、硅含量也少，所以通常情況下不會(huì)因焊接而產(chǎn)生嚴(yán)重的硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊后接頭的塑性和沖擊韌性良好，焊接時(shí)一般不需預(yù)熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不需熱處理改善組織，整個(gè)焊接過(guò)程不必采取特殊的工藝措施即可獲得質(zhì)量良好的焊接接頭，故Q235鋼具有優(yōu)良的焊接性能[1]。

1.2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理

殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒(méi)有外部因素作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。凡是沒(méi)有外部作用，物體內(nèi)部保持自相平衡的應(yīng)力，稱為物體的固有應(yīng)力，或稱為初應(yīng)力，亦稱為內(nèi)應(yīng)力[2]。焊接殘余應(yīng)力是指在焊接過(guò)程中被焊工件因?yàn)殡娀岬募訜岵痪鶆蚨a(chǎn)生的，并且當(dāng)工件冷卻后仍未消除的應(yīng)力。當(dāng)焊縫金屬處于液態(tài)時(shí)，焊縫和相鄰區(qū)域的金屬溫度是相當(dāng)高的，爾后就很快地冷卻下來(lái)。由于在焊接過(guò)程中焊件各部分受熱不同，所以會(huì)導(dǎo)致焊件各部分溫度也不相同，隨后的冷卻速度也不相同。焊件各部分在塑性變形、熱脹冷縮和其他各種因素的共同作用下，必然會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力，亦即焊接殘余應(yīng)力[3]。

1.3 試驗(yàn)材料及設(shè)備

手工電弧焊是最基本的焊接方法，由于其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便靈活等特性，因此應(yīng)用較為廣泛。不論從經(jīng)濟(jì)上還是操作上，手工電弧焊都是本次試驗(yàn)研究最佳的焊接方法[4]。為了能夠進(jìn)行焊接對(duì)比，本次試驗(yàn)采用3組Q235B試板，并分別采用3種不同大小的電流參數(shù)進(jìn)行焊接。試板的厚度為12 mm，長(zhǎng)寬分別為200 mm、150 mm。焊材、焊機(jī)和其他試驗(yàn)設(shè)備有：J422焊條，VRTP-400 (S-2）型直流電源焊機(jī)，鄭州機(jī)械研究所生產(chǎn)的ZDL-Ⅱ型鉆孔儀和TJ120-1.5-?1.5型應(yīng)變花，秦皇島信恒電子科技有限公司生產(chǎn)的CML-1H-16型應(yīng)變/應(yīng)力采集儀。

1.4 焊接工藝參數(shù)的確定

在該試驗(yàn)中，選用?3.2 mm和?4.0 mm的焊條。焊接層數(shù)為五層，正面四層，反面一層 （打磨后）。試板一、試板二、試板三的焊接工藝參數(shù)分別如表1、表2、表3所示。確定了焊接工藝參數(shù)，并且關(guān)注到焊接的注意點(diǎn)后，開始施焊并記錄數(shù)據(jù)。試板一的正反面焊接接頭外觀形貌分別如圖1、圖2所示。試板二、試板三的正反面焊外觀形貌圖略。

表1 試板一的焊接參數(shù)

表2 試板二的焊接參數(shù)

表3 試板三的焊接參數(shù)

圖1 試板一正面焊

3組試板焊完冷卻后，先觀察檢驗(yàn)其外觀形貌，如圖3所示。

圖2 試板一反面焊

圖3 焊接完成的3組試板

2 焊接殘余應(yīng)力測(cè)量

2.1 確定焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法

焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法有機(jī)械釋放測(cè)量法、X射線衍射法、超聲波法、磁性法、裂紋柔度法以及共振頻率法等。機(jī)械釋放測(cè)量法的基本原理是使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力從構(gòu)件中分離或者切割出來(lái)，通過(guò)測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變的變化求出殘余應(yīng)力的大小。這種方法有不足之處，它會(huì)給構(gòu)件造成一定的損傷和破壞。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、理論完善、技術(shù)成熟，因此目前應(yīng)用廣泛。該方法主要包括盲孔法、鉆孔法、環(huán)芯法、分割切條法等，其中淺盲孔法的破壞性最小。本次試驗(yàn)采取盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力。

2.2 盲孔法測(cè)試原理

鉆孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理[5-7]是：采用一種非常特殊的箔式應(yīng)變花貼片粘貼在需要檢測(cè)的工件表面上，然后在應(yīng)變花的中心處鉆出一個(gè)孔徑約為2 mm、孔深約為2 mm的小孔。鉆孔后鉆孔部位就會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力釋放，而箔式應(yīng)變花可以感應(yīng)出應(yīng)變變化，這種應(yīng)變叫做釋放應(yīng)變。應(yīng)變花貼片編號(hào)次序與參考坐標(biāo)軸如圖4所示。

圖4 應(yīng)變花貼片粘貼位置

應(yīng)力測(cè)量?jī)x測(cè)讀出應(yīng)變變化后，即可根據(jù)計(jì)算公式得到孔深范圍內(nèi)的平均主應(yīng)力 （σ1、σ2）和主應(yīng)力方向角 （θ）。

由主應(yīng)力可求得X、Y方向應(yīng)力:

式中 ε1、ε2、 ε3——應(yīng)變花中各應(yīng)變片感受到的釋放應(yīng)變， 單位符號(hào)為 με（με為微應(yīng)變的單位符號(hào)）；

A、B——釋放系數(shù)，與孔徑、孔深、應(yīng)變花幾何尺寸及被測(cè)材料的彈性模量E、泊松比μ有關(guān)，需事先標(biāo)定給出。

本試驗(yàn)采用的TJ120-1.5-?1.5型應(yīng)變花，在Q235鋼上鉆?1.5 mm孔的釋放系數(shù)A、B為：

2.3 盲孔法測(cè)試操作步驟

2.3.1 工件表面制備

粘貼應(yīng)變花的表面須用特制的砂輪打磨機(jī)打磨除銹、除氧化皮，使Ra值保持在3.2～6.4之間，打磨的面積不小于應(yīng)變花面積的4倍。粘接鉆具固定腿處表面可粗糙一點(diǎn)，以增加摩擦力。用丙酮擦拭粘貼表面油污。為了除凈表面殘留的鐵屑、粉末等，建議用棉花球或紗布多次擦洗，直至棉花球或紗布上無(wú)污點(diǎn)為止。

2.3.2 應(yīng)變花的粘貼

（1）應(yīng)變花粘貼前應(yīng)對(duì)其作外觀檢查，保持外觀平整。

（2）粘貼前，用蘸有丙酮的棉花球或紗布擦拭需要粘貼的工作表面，保證表面整潔，切勿用手去觸碰需粘貼應(yīng)變花的工作表面。

（3）滴一滴優(yōu)質(zhì)固化特性的502膠水在需粘貼應(yīng)變花的工作表面，以第一個(gè)應(yīng)變花為基準(zhǔn)，依次將應(yīng)變花粘貼在工作表面，然后在上面放置一小塊塑料薄膜，用大拇指用力按壓2 min左右。

（4）固化時(shí)間一般為5～6 h。

2.3.3 焊接導(dǎo)線

（1）將應(yīng)變花的6根引線輕輕拉起，在接近應(yīng)變花基底的部位粘上絕緣層。

（2）在絲柵部位覆蓋一小塊絕緣膠帶，并將引出線蓋住一部分，這樣一方面鉆孔時(shí)可防止鐵屑損壞絲柵或引起短路，另一方面也可加固引出線不致被拉斷。

（3）將應(yīng)變花導(dǎo)線連接到相應(yīng)的應(yīng)力測(cè)量?jī)x接線柱A、B上，補(bǔ)償片導(dǎo)線接到接線柱B、C上。

（4）應(yīng)力測(cè)量?jī)x調(diào)零后，檢查應(yīng)變花是否穩(wěn)定，有無(wú)不斷變化的特征。如果不穩(wěn)定，就要重新檢查應(yīng)變花的焊接點(diǎn)是否焊好，是否達(dá)到規(guī)定的要求，或者還需要排除其它的一些故障。如果有嚴(yán)重漂移問(wèn)題，應(yīng)重新貼片，重新測(cè)量。

2.3.4 鉆具安裝

（1）將鉆具 （帶上放大鏡）放在工件表面，通過(guò)放大鏡觀察，使鉆具初步對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變花中心位置。

注意：事先將鉆具的高度和水平調(diào)好。盡可能調(diào)節(jié)三支腿成一致，以保證鉆桿垂直于工件表面。鉆具的高度應(yīng)盡可能低，使鉆具穩(wěn)定性好。

（2）在鉆具固定塊與工件接觸面縫隙處涂少許502膠水，擰緊支腿上的鎖緊帽將鉆具固定于工件表面。

（3）松開鎖緊壓蓋，對(duì)X、Y方向的4個(gè)調(diào)節(jié)螺絲進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)放大鏡，使放大鏡的十字中心線與應(yīng)變花的中心標(biāo)記盡量重合，然后鎖緊壓蓋。

（4）應(yīng)力測(cè)量?jī)x重新調(diào)零。

2.3.5 鉆孔

（1）取出帶端銑刀的鉆桿擦干凈，在鉆桿身上滴潤(rùn)滑油，然后插入鉆具套筒里輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，劃去鉆孔部位的應(yīng)變花的基底 （比鉆孔的孔徑略大0.15～0.2 mm）。

（2）測(cè)讀應(yīng)力儀上每個(gè)應(yīng)變片的讀數(shù)，一般變化不大。應(yīng)力儀重新調(diào)零。

（3）取出帶?1 mm麻花鉆的鉆桿，擦干凈，滴上潤(rùn)滑油，然后插入鉆具套筒里。松開深度定位卡圈，塞入深度控制塊，之后固定卡圈 （距離圓孔臺(tái)約2 mm）。

（4）由一人壓著鉆具，啟動(dòng)手電鉆開鉆。手持電鉆盡可能垂直于工件表面，壓力適中，直至鉆到預(yù)定孔深，然后撥出鉆桿。

（5）使用帶?1.5 mm麻花鉆的鉆桿，接著步驟同前述步驟 （3）。啟動(dòng)手電鉆擴(kuò)孔，調(diào)壓器調(diào)至100 V左右，進(jìn)刀量盡可能小，達(dá)到預(yù)定深度后撥出鉆桿。

（6）等待約2 min后測(cè)讀應(yīng)力儀讀數(shù)，并記錄數(shù)據(jù)。

圖5為殘余應(yīng)力小孔模擬圖，圖中數(shù)據(jù)的單位為mm。

圖5 殘余應(yīng)力小孔模擬圖

2.3.6 盲孔法測(cè)試結(jié)果與分析

相關(guān)的殘余應(yīng)力測(cè)試和按公式計(jì)算的數(shù)據(jù)如表4、表5、表6所示。

根據(jù)表4、表5、表6，作出圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，在焊縫中心處，試板三的縱向殘余應(yīng)力最高，試板一最低。而在遠(yuǎn)離焊縫處，三塊試樣的縱向殘余應(yīng)力大小基本相同。在距離焊縫中心20 mm處，縱向殘余應(yīng)力由正轉(zhuǎn)為負(fù)，也就是說(shuō)，在此處縱向殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。在遠(yuǎn)離焊縫中心處，不論是縱向殘余應(yīng)力，還是橫向殘余應(yīng)力，它們的變化趨勢(shì)是一致的。在焊趾處，試板三橫向殘余應(yīng)力最高。越遠(yuǎn)離焊縫中心，橫向和縱向殘余應(yīng)力越趨于穩(wěn)定。根據(jù)應(yīng)力分布圖可知，隨著焊接電流的增大，焊縫區(qū)的拉應(yīng)力增大。焊縫區(qū)拉應(yīng)力越大，焊縫質(zhì)量就越差[8]。

表4 試板一上的應(yīng)變、應(yīng)力值

表5 試板二上的應(yīng)變、應(yīng)力值

表6 試板三上的應(yīng)變、應(yīng)力值

圖6 縱向殘余應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

本文對(duì)12 mm厚Q235B試板采用手工電弧焊方法，分別用3種不同焊接電流參數(shù)對(duì)3組試板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究不同焊接電流對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力大小的影響。3組試板均采用雙面焊，分別在正面焊縫填充和蓋面層焊采用155 A、165 A、175 A三種大小不同的焊接電流，焊完后采用外觀檢驗(yàn)和殘余應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：

圖7 橫向殘余應(yīng)力分布圖

（1）從殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出，焊縫區(qū)的拉應(yīng)力是隨著焊接電流的增大而增大。拉應(yīng)力越大，焊接接頭的質(zhì)量就越差。

（2）從減小焊接殘余應(yīng)力方面來(lái)講，Q235B鋼的手工電弧焊以采用 155～165 A焊接電流比較合適。

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The Influence of Welding Current on the Residual Stress of Q235 Steel Welded Joint

Tai ChiGao Zhigang Lu Jianguo Xu Mingming

The 12 mm thick Q235 plates were tested by manual arc welding.In order to study the residual stress in welding joint under different welding currents,3 welding currents were used to weld the 3 sets of test plates,and the double-sided welding were adopted.Three kinds of currents,155 A,165 A,and 175 A,were used in the welding of the front filling layer and the capping layer.After welding,the residual stress test method was used to analyze the welding joints.The results showed that the residual stress in the welding joint of Q235 steel under the 175 A current was higher than that of 165 A,and the residual stress under 155 A current was the lowest.In other words,the welding residual stress increased with the increase of welding current.

Welding current;Q235 steel;Welding joint;Residual stress;Manual arc welding

TG 44

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.014

2016-08-17）

*邰馳，男，1990年生，助理工程師。太倉(cāng)市，215400。