焊接工藝對(duì)不銹鋼角焊縫連接試件力學(xué)性能影響研究

李志林，楊 璐，崔 瑤，尹 飛，梁耀華

(1.北京工業(yè)大學(xué)，城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京100124；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧，大連 116024)

與傳統(tǒng)的建筑材料如混凝土及鋼材相比，不銹鋼材料具有超強(qiáng)的耐腐蝕性、優(yōu)良的力學(xué)性能以及突出的高、低溫性能等，是一種理想的綠色建筑材料[1-3]。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼力學(xué)性能研究的不斷深入，越來(lái)越多的建筑表現(xiàn)形式呈現(xiàn)在大眾視野中[4-6]。

焊接是常用的鋼結(jié)構(gòu)連接形式，根據(jù)焊接工藝不同，焊接可分為電弧焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊及等離子焊等，不同的焊接工藝對(duì)焊縫的力學(xué)性能有較大的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)較早地針對(duì)普通鋼材角焊縫連接的力學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)及深入的研究[7-11]。

由于具有明顯的應(yīng)力-應(yīng)變非線性特征，不銹鋼與普通鋼在材料的力學(xué)性能上存在著明顯的差異[12-13]。對(duì)于不銹鋼焊縫連接承載力的研究，國(guó)內(nèi)外也尚處于起步階段。金曉蘭等[14]對(duì)國(guó)產(chǎn)奧氏體型不銹鋼角焊縫試件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，指出在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的焊接工藝確定角焊縫強(qiáng)度值，同時(shí)建議不考慮正面角焊縫強(qiáng)度提高的影響。筆者研究團(tuán)隊(duì)[15-19]對(duì)雙相型S22053及奧氏體型S30408不銹鋼正面及側(cè)面角焊縫進(jìn)行了試驗(yàn)研究及有限元分析，角焊縫試件采用手工電弧焊焊接而成，結(jié)果顯示采用中國(guó)《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 410:2015)[20]規(guī)定計(jì)算公式計(jì)算所得角焊縫承載力設(shè)計(jì)值偏于保守。Lee等[21]對(duì)采用氬弧焊焊接工藝制成的不銹鋼角焊縫連接件進(jìn)行了試驗(yàn)，重點(diǎn)考察角焊縫的破壞模式，同時(shí)對(duì)美國(guó)規(guī)范SEI/ASCE 8-02[22]焊縫計(jì)算公式提出了修正意見(jiàn)。Fortan 等[23]通過(guò)考慮各項(xiàng)參數(shù)較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了不銹鋼角焊縫的極限強(qiáng)度，并針對(duì)歐洲規(guī)范EN 1993-1-4[24]提出了合理的修改意見(jiàn)。

為探究不同焊接工藝對(duì)不銹鋼角焊縫力學(xué)性能的影響，加工并試驗(yàn)了12個(gè)奧氏體型S30408不銹鋼材角焊縫連接件以及12個(gè)雙相型S22053不銹鋼材角焊縫連接件，焊接工藝分別為手工電弧焊(SMAW)以及氬弧焊(TIG)，焊縫的類型為工程實(shí)際中常見(jiàn)的正面角焊縫及側(cè)面角焊縫。通過(guò)單調(diào)拉伸試驗(yàn)，獲取不銹鋼角焊縫的力學(xué)性能，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)方法的完善以及工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

手工電弧焊及氬弧焊是目前工程實(shí)際中較常用的焊接方式，手工電弧焊的原理為通過(guò)產(chǎn)生高溫電弧將板件及焊條融化，焊條表面的藥皮保護(hù)焊縫金屬避免有害氣體進(jìn)入，而氬弧焊與手工電弧焊原理類似，只是在焊接時(shí)采用惰性氣體氬氣來(lái)阻隔有害氣體。在實(shí)際應(yīng)用中，手工電弧焊常用來(lái)焊接較大較厚板件，而氬弧焊則常用來(lái)焊接較薄及對(duì)外觀有較高要求的結(jié)構(gòu)。

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)24個(gè)不銹鋼角焊縫連接件，包含2種不銹鋼材料(奧氏體型及雙相型)、2種焊接工藝(手工電弧焊及氬弧焊)以及2 種角焊縫類型(正面角焊縫及側(cè)面角焊縫)。試件命名規(guī)則以AST-1及DTL-1為例，首字母A 代表母材為奧氏體型不銹鋼材料(D代表雙相型不銹鋼材料)；第二個(gè)字母S代表手工電弧焊(T 代表氬弧焊)；末字母T 代表正面角焊縫(L 代表側(cè)面角焊縫)；末尾數(shù)字代表該試件在本組試驗(yàn)中的編號(hào)，每組試驗(yàn)共包括3個(gè)試件。

試件中不銹鋼母材板厚均為14 mm，手工電弧焊焊條分別采用E308型焊條(奧氏體型不銹鋼母材)及E2209型焊條(雙相型不銹鋼母材)，焊條直徑均為2.5 mm。氬弧焊焊絲分別采用ER308型焊絲(奧氏體型不銹鋼母材)及ER2209型焊絲(雙相型不銹鋼母材)，焊絲直徑均為1.6 mm。在試件設(shè)計(jì)時(shí)采用一端加強(qiáng)的方法來(lái)達(dá)到試驗(yàn)過(guò)程中控制焊縫破壞位置的目的，在進(jìn)行試件焊接前，將焊接處的油污、水分等雜質(zhì)徹底清除干凈，為了防止不銹鋼焊條受潮影響焊接質(zhì)量，提前將焊條在300℃環(huán)境下烘烤1 h。焊接完成后切除起落弧處焊縫，避免焊縫起落弧的影響。試件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 角焊縫連接件示意圖/mm Fig.1 Dimensions of fillet weld connection

試件加工完成后記錄各條焊縫的相關(guān)參數(shù)，包括：角焊縫長(zhǎng)度lw以及焊腳尺寸hf，在測(cè)量焊腳尺寸時(shí)，分別測(cè)量焊縫兩端及中間位置，三組數(shù)據(jù)取平均值，具體測(cè)量值見(jiàn)表1。

1.2 加載儀器及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用100 t 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，并通過(guò)DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集試驗(yàn)過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)，加載裝置示意圖如圖2所示。通過(guò)布置導(dǎo)桿式位移計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)焊縫的變形情況，導(dǎo)桿式位移計(jì)的初始標(biāo)距為120 mm，同時(shí)為了減小由于母材受力過(guò)大而影響角焊縫的受力，通過(guò)布置應(yīng)變片來(lái)監(jiān)測(cè)板件自身的變形情況，夾持端應(yīng)變片對(duì)稱布置以避免可能的荷載偏心帶來(lái)的影響，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

1.3 加載方案

本試驗(yàn)為單調(diào)拉伸試驗(yàn)，采用位移控制加載，加載速率為0.1 mm/min。為了避免試驗(yàn)前期儀器夾頭與試件之間的滑動(dòng)以及檢查試驗(yàn)儀器是否正常工作，正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載，荷載加載到10 kN 后卸載，再重新加載直至試件破壞。

表1 試件實(shí)測(cè)尺寸Table 1 Measurements of specimens

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Test setup

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

試件加載前期荷載-位移曲線上升緩慢，近似呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)試件到達(dá)極限荷載后，承載力迅速下降，試件隨即被拉斷，并伴隨巨大響聲。所有試件的破壞均為焊縫處拉斷，試件典型破壞面如圖4所示。整體而言，電弧焊試件的破壞面較均勻且光滑，而氬弧焊試件的破壞面則呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件參數(shù)

試件的破壞均為焊縫處破壞，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量焊縫斷裂面的實(shí)際寬度he，測(cè)量時(shí)分別測(cè)量焊縫中間及兩端三處位置的寬度，取三組數(shù)據(jù)平均值。相關(guān)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 試件數(shù)據(jù)分析

3.2.1焊縫真實(shí)斷裂角度

試驗(yàn)結(jié)束后，拍攝焊縫斷裂面?zhèn)纫晥D，通過(guò)電腦軟件Viso量測(cè)得到焊縫的真實(shí)斷裂角度 θ如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩種不銹鋼材料的真實(shí)斷裂角度基本相似，對(duì)于電弧焊試件，兩種不銹鋼材料側(cè)面角焊縫的平均真實(shí)斷裂角度為45.4°，正面角焊縫的平均真實(shí)斷裂角度為32.8°；而對(duì)于氬弧焊試件，兩種不銹鋼材料側(cè)面角焊縫的平均真實(shí)斷裂角度為45.4°，正面角焊縫的平均真實(shí)斷裂角度為32.6°。試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)規(guī)范中認(rèn)為的角焊縫斷裂角度為45°略有不同，分析原因?yàn)樵诤缚p受力過(guò)程中，側(cè)面角焊縫受純剪應(yīng)力作用，斷裂角度理應(yīng)為45°左右，而正面角焊縫則同時(shí)受到拉應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用，所以真實(shí)斷裂角度與45°有所偏差。

3.2.2奧氏體型不銹鋼角焊縫試件承載性能分析

通過(guò)采集系統(tǒng)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制試件的荷載-位移曲線如圖6所示，其中荷載為儀器自身所輸出荷載值，位移為導(dǎo)桿式位移計(jì)的量測(cè)值。由試驗(yàn)曲線可以看出，受焊接自身因素的影響，各個(gè)試件曲線之間會(huì)產(chǎn)生一定的差異，但各組曲線的發(fā)展趨勢(shì)類似。

試件的極限強(qiáng)度τu及相對(duì)變形量 δ分別采用式(1)及式(2)[25]來(lái)計(jì)算。

式中：Ae為焊縫真實(shí)斷裂面面積，Ae=nlwhe；Pu為對(duì)應(yīng)試件荷載-位移曲線中的最大荷載； δu為試件的極限位移；120為位移計(jì)的初始標(biāo)距。

圖3 試件測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Location of measuring points

圖4 試件破壞面示意圖Fig.4 Failure surface of specimens

奧氏體型不銹鋼角焊縫連接試件的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中，對(duì)于奧氏體型不銹鋼角焊縫連接試件，采用氬弧焊焊接工藝制成的試件極限強(qiáng)度與采用電弧焊焊接工藝制成的試件極限強(qiáng)度之比分別為1.03(正面角焊縫試件)與1.13(側(cè)面角焊縫試件)，相對(duì)變形量之比則分別為1.46與1.11。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用氬弧焊焊接工藝的試件表現(xiàn)出了相對(duì)更好的力學(xué)性能。同時(shí)，對(duì)于電弧焊焊接試件，正面角焊縫的極限強(qiáng)度與側(cè)面角焊縫的極限強(qiáng)度之比為1.79，氬弧焊焊接試件為1.62。

圖5 角焊縫真實(shí)斷裂角度Fig.5 Real fracture angle of fillet weld

表2 角焊縫真實(shí)斷裂角度Table 2 Real fracture angle of fillet weld

圖6 奧氏體型不銹鋼試件荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of austenitic stainless steel specimens

表 3奧氏體型不銹鋼試件試驗(yàn)結(jié)果Table3 Test resultsof austenitic stainlesssteel specimens

3.2.3雙相型不銹鋼角焊縫試件承載性能分析

對(duì)于雙相型不銹鋼角焊縫試件，荷載-位移曲線如圖7 所示。相比于奧氏體型試件，雙相型試件的荷載-位移曲線離散性偏大，但發(fā)展趨勢(shì)與奧氏體型試件相似。

雙相型不銹鋼試件的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于雙相型不銹鋼焊縫連接試件，采用氬弧焊焊接工藝制成的試件極限強(qiáng)度與采用電弧焊焊接工藝制成的試件極限強(qiáng)度之比分別為1.12(正面角焊縫試件)與1.04(側(cè)面角焊縫試件)，而相對(duì)變形量之比則為1.66與1.45。

圖7 雙相型不銹鋼試件荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of duplex stainless steel specimens

同奧氏體型不銹鋼角焊縫試件所得試驗(yàn)結(jié)果一致，對(duì)于雙相型不銹鋼，采用氬弧焊焊接工藝制成的試件力學(xué)性能也相較于電弧焊焊接工藝更好。同時(shí)采用電弧焊焊接工藝與氬弧焊焊接工藝制成的試件正面角焊縫強(qiáng)度與側(cè)面角焊縫強(qiáng)度之比分別為1.61及1.73，正面角焊縫試件的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于側(cè)面角焊縫試件的強(qiáng)度。

3.2.4設(shè)計(jì)建議

我國(guó)現(xiàn)行《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS410:2015)[20]指出：不銹鋼角焊縫的焊接工藝宜優(yōu)先選用氬弧焊。通過(guò)對(duì)不同焊接工藝試件承載性能的研究，證實(shí)了氬弧焊試件的力學(xué)性能較好于電弧焊試件，然而對(duì)于不銹鋼角焊縫的強(qiáng)度，兩者差別并不是很大，同時(shí)綜合考慮焊接速率、復(fù)雜程度以及經(jīng)濟(jì)性等因素，建議后續(xù)在非重要節(jié)點(diǎn)的連接處，可以考慮采用電弧焊焊接工藝。

表4 雙相型不銹鋼試件試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test resultsof duplex stainlesssteel specimens

該規(guī)程同時(shí)指出：考慮到不銹鋼焊縫較小，受復(fù)雜應(yīng)力影響較大，不考慮利用正面角焊縫的強(qiáng)度提高。本文試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，對(duì)于奧氏體型不銹鋼，采用電弧焊工藝與氬弧焊工藝制成的試件，正面角焊縫試件與側(cè)面角焊縫試件的強(qiáng)度比值分別為1.79與1.62，而雙相型不銹鋼試件強(qiáng)度比分別為1.61與1.73，正面角焊縫的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于側(cè)面角焊縫，因此建議在后續(xù)規(guī)范的編制/修訂過(guò)程中，參考我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[26]，引入正面角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)βf，同時(shí)出于安全考慮建議 βf取值為1.22，以此來(lái)考慮正面角焊縫強(qiáng)度提高的影響。

4 結(jié)論

本文基于不銹鋼角焊縫連接試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)，重點(diǎn)考察了不同焊接工藝對(duì)不銹鋼角焊縫連接力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)所有試件均為角焊縫處破壞，電弧焊試件的焊縫破壞面較光滑，而氬弧焊試件的焊縫破壞面則呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀。

(2)對(duì)于電弧焊試件，兩種不銹鋼材料側(cè)面角焊縫的平均真實(shí)斷裂角度為45.4°，正面角焊縫為32.8°；而氬弧焊試件，兩種不銹鋼材料側(cè)面角焊縫的平均真實(shí)斷裂角度為45.4°，正面角焊縫32.6°，這與我國(guó)《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 410:2015)[20]中的規(guī)定有所不同。

(3)對(duì)于奧氏體型不銹鋼，氬弧焊試件與電弧焊試件的強(qiáng)度比分別為1.03(正面角焊縫試件)及1.13(側(cè)面角焊縫試件)，相對(duì)變形量之比為1.46及1.11；對(duì)于雙相型不銹鋼，強(qiáng)度比分別為1.12和1.04，相對(duì)變形量之比分別為1.66 及1.45，采用氬弧焊焊接工藝制成的角焊縫試件表現(xiàn)出了更好的力學(xué)性能。

(4)由于兩種焊接工藝對(duì)不銹鋼角焊縫強(qiáng)度的影響差別不是很大，綜合考慮焊接速率、復(fù)雜程度以及經(jīng)濟(jì)性等因素，建議后續(xù)在非重要節(jié)點(diǎn)的連接處，可以采用電弧焊焊接工藝。

(5)對(duì)于奧氏體型不銹鋼，采用電弧焊工藝及氬弧焊工藝制成的試件，正面角焊縫試件與側(cè)面角焊縫試件的強(qiáng)度比值分別為1.79及1.62，而雙相型不銹鋼的強(qiáng)度之比分別為1.61和1.73，正面角焊縫的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于側(cè)面角焊縫強(qiáng)度，因此建議在后續(xù)規(guī)范的編制/修訂中，參考我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[26]，引入正面角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù) βf=1.22，以此來(lái)考慮正面角焊縫強(qiáng)度提高的影響。