Q390钢焊接接头残余应力测量分析试验

随着我国经济的快速发展，对高强度低合金结构需求量越来越大。本文采用盲孔法对Q390钢焊接接头进行残余应力测量，深入了解该钢的焊接性能，对其在压力容器等方面的高效应用具有一定的研究价值。

焊接工艺

采用焊条电弧焊和埋弧焊对Q390钢进行平板对接焊接，单块试板尺寸为500mm*150mm*40mm，开深U形坡口，装配间隙2mm，坡口底端采用焊条电弧焊打底焊5mm，道间冷却温度130℃，采用与母材性能匹配的焊条与焊丝进行焊接。

应变片的粘贴

薄板平面对接焊的研究成果证明残余应力关于焊缝中心具有对称性，但是对于厚板焊缝，由于焊道的不对称性，很难保证焊接残余应力的对称，所以，为了全面了解Q390钢厚板焊接表面残余应力分布，在试板中心位置垂直于焊缝中心粘贴一排应变片，记为路径1：为了补充路径1两孔之间由于孔间距过大而漏测数据造成测量区域不全和防止操作过程带来的试验误差，在路径1以下50mm处粘贴另一排应变片，记为路径2。根据JH-30残余应力检测仪使用方法，相邻2个应变片之间的距离应至少大于孔径的5-8倍，在研究焊接工艺参数对焊接残余应力的影响时相邻2个应变片之间的距离仅为5mm也能保证数据的准确性，因此，本试验过程中应变片之间的距离选定为7倍的孔径，约为（10±2）mm，符合技术要求，能保证测量数据的准确性。试验中应变片采用三向应变片，夹角分别为0°，90°，225°，灵敏系数为2.07±1%。

试验结果与分析

为防止焊接过程中产生较大变形，2块试板经焊条电弧打底焊接一道之后进行预弯，角变形为-5°（角变形凸为负值，凹为正值）。焊条电弧焊时不加约束，采用埋弧焊接时在试板4个角上用螺栓施加垂直于试板向下的约束。在焊接过程中当重力和拘束外力在板宽方向的分量大于试板与衬板之间的摩擦力时，试板可沿板宽方向向外移动。采用埋弧焊施加约束焊接后角变形为-2°，角变形量为3°，采用焊条电弧焊不加约束焊接后角变形为5°，角变形量为10°。在本试验条件下，埋弧焊的角变形量小于焊条电弧焊。将测量区用角磨机轻轻打平之后再进行残余应力测量，整理资料并绘制应力-位置分布图。

从埋弧焊路径1、2残余应力分布可看出，路径1、2的纵向应力为压应力，σ_x在焊缝中心达最大值，平均值为160MPa，随着距焊缝距离的增加，应力值逐渐减小并趋稳定，母材应力值为40MPa。路径1、2的横向应力为压应力，σ_y也为压应力，但幅值较高，在焊缝及热影响区达最大值，约为590MPa，远离焊缝处应力逐渐减小，母材区横向应力约为150MPa。

从焊条电弧焊路径1、2的残余应力分布可看出，σ_x和σ_y出现中间大两端小的典型自由对接焊接接头残余应力分布规律，路径1、2纵向应力分布，σ_x在焊缝区为拉应力并出现最大值，为400MPa。随着距焊缝中心距离的增加应力变小，在熔合区附近变为压应力并达到最大值，之后趋于稳定。母材区应力为压应力，为50MPa，这与采用埋弧焊焊接的母材应力幅值水平相当。在路径1、2横向压力中，σ_y在焊缝区拉应力，约为200MPa，比纵向应力小约200MPa，这符合残余应力的规律。熔合区出现压应力，在母材区趋于稳定为200MPa，这与埋弧焊横向应力幅值一致。

通过对这两种不同焊接工艺下残余应力测量值的比较可看出，采用不同的焊接工艺和有无约束情况下，焊接接头残余应力分布并不一致，采用埋弧焊焊接的试板焊缝区为压应力，而采用焊条电弧焊焊接的试板焊缝区为拉应力，这是因为在有外约束焊接时，焊缝金属相变体积膨胀受到周围金属材料的限制产生相变应力，相变应力会降低焊接热应力场引起的残余拉伸应力，在一定相变温度范围内出现残余压缩应力。在焊缝金属从高温到室温的冷却过程中，会发生一系列的组织转变，其比体积将发生突变，在室温时单一组织的珠光体、贝氏体和马氏体比奥氏体体积膨胀4.62%-4.8%，线膨胀1.54%-1.6%，在焊缝区，当残余拉伸应力达到材料的屈服极限时产生的弹性应变为0.1%-0.3%，考虑到相变过程中的不完全转变，其数值也远大于热应力引起的应变，剩余的膨胀应变引起焊缝残余压缩应力，所以，相变膨胀应变产生的相变应力完全可抵消焊接残余拉伸应力，而在埋弧焊焊接过程中，试板还受到了自身重力和拘束外力的双重作用，坡口处金属受到垂直于坡口面向里压应力的作用，有迫使金属沿焊缝方向流动的趋势，同时该约束产生的压应力抵消了由于熔敷金属冷却产生的拉应力，最终在焊缝上形成了压应力。

在自由状态下采用焊条电弧焊焊接的试板，因无约束，在相变结束后的热收缩是引起纵向拉应力的主要原因。焊接过程中，焊缝处温度迅速升高，体积膨胀，热影响区温度低阻碍焊缝膨胀，结果焊缝处产生压应力，热影响区产生拉应力。冷却过程中，热影响区冷却速度快，很快进入弹性状态，焊缝处温度高，处于塑性状态，这时焊缝收缩较热影响区收缩慢，焊缝阻碍热影响区收缩，焊缝仍受压，热影响区受拉。热影响区温度不断降低，冷却速度也逐渐变慢，当焊缝的冷却速度高于热影响区时，焊缝收缩较快，焊缝的收缩受到热影响区阻碍，应力方向转变；焊缝受拉应力，热影响区受压应力。当焊缝和热影响区都进入弹性状态时，因焊缝温度高，冷却速度快，收缩量大，热影响区温度低，冷却速度慢，收缩量小，焊缝收缩受到热影响区阻碍，结果焊缝受拉，热影响区受压，随着温度的降低，焊缝收缩受到的阻碍越来越大，拉应力也越拉越大，直至室温，应力可能达到母材的屈服极限。

此外，对边缘受约束试板，焊缝及其周围受约束的横向收缩对横向应力起主要作用，先焊部分先冷却并恢复弹性，会对后焊部分的横向收缩产生阻碍作用。对于直通焊缝，焊缝尾部最后冷却，其横向收缩受到已经冷却的先焊部分的制约表现为拉应力，焊缝中间为压应力；在自由约束下进行焊接的试板，在冷却过程中，焊缝金属纵向收缩，使焊缝两侧金属趋于形成反方向的弯曲变形，但实际上2块钢板已经连在一起，不能分开，于是2块钢板的焊缝中间将产生横向拉应力，而焊缝两端产生横向压应力。另外，在厚板焊接过程中，弯曲效应的迭加使先焊焊道承受拉应力，后焊焊道承受压应力，角收缩受到两端的约束，表现为横向压缩应力，由于这2个因素产生的应力迭加，使焊缝中心横向应力达到应力最大值。

结论

1.埋弧焊焊接试板在焊缝处为压应力，横向应力幅值较大，最大值为590MPa，纵向应力幅值较小，约为160MPa；而经焊条电弧焊焊接的试板在焊缝处为拉应力，纵向应力幅值较大，最大值为400MPa，横向应力幅值较低，最大值为200MPa。

2.在试板中间位置，相同区域的残余应力分布基本一致，并没有因为位置不同而出现较大波动。

3.在本试验条件下，埋弧焊焊接试板的变形小于焊条电弧焊接的，且在接头处全部为压应力，在条件允许的情况，优先选择埋弧焊焊接工艺。