手工电弧焊和氩弧焊对SS400薄板焊接残余应力对比分析

麻相湑，麻永林，邢淑清，陈重毅，陆恒昌，贺鸿臻

(内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头014010)

手工电弧焊和氩弧焊焊接时，局部高温加热造成焊接温度场分布不均匀，在工件的内部产生了焊接残余应力和变形，焊接残余应力是导致脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的原因。有资料表明，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀应力。压缩的残余应力减小构件的稳定性[1]。此外，焊接残余应力变形使结构的形状和尺寸精度难以满足技术要求，直接影响结构制造的质量和性能[2]。本研究通过试验方法，分别测量手工电弧焊和氩弧焊焊接SS400薄板时的残余应力，对比分析二者在横向和纵向残余应力的分布大小及研究变形规律，为工程实践提供试验数据，用于控制和调整焊接的变形。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用母材选用某公司利用控轧控冷技术生产的SS400热轧钢板，化学成分见表1。

表1 试验用SS400热轧钢板化学成分 %

试验母材金相照片如图1所示，可见母材组织主要由珠光体和铁素体双相组成，其中铁素体87.5%，珠光体12.5%，晶粒大小约为6 μm。手工电弧焊选用的焊条牌号为J422，化学成分见表2。氩弧焊选用焊条J422去掉药皮，用砂纸打磨光滑的焊芯作为填充焊丝。

图1 SS400钢组织光学显微照片

表2 J422（E4303）焊条的化学成分及力学性能

1.2 焊接工艺

采用手工电弧焊和氩弧焊对SS400平板进行对接焊。单块钢板尺寸300 mm×195 mm×4 mm，坡口为I形。采用与母材性能匹配的焊条和焊丝。手工电弧焊机型号为KEMPPI（MLS3500），焊接参数见表3；氩弧焊机型号为OTC(AVP－300 P10317)，焊接参数见表4。

表3 手工电弧焊的焊接工艺参数

表4 氩弧焊的焊接工艺参数

1.3 试验方法及设备

盲孔法是一种成熟且精确度高的测试应力的方法，目前已经普遍应用在工程领域，用于测量各种焊接结构，为焊接结构的设计提供可靠的试验数据。其优点是破坏性小，测量的数据精度和灵敏度高。因此本试验采用盲孔法测量焊接残余应力。试验采用郑州机械研究所生产的YC-Ⅲ型应力测量仪（TJ120－1.5－φ1.5），试验设备如图 2所示。

图2 YC-Ⅲ型应力测量仪

1.4 试验方案

测量手工电弧焊和氩弧焊对接残余应力的分布曲线，测量路径如图3所示。在垂直于焊缝中心的位置粘贴应变片，应变片之间距离为15 mm，记为路径一（见图3（a））；在平行于焊缝方向，距离焊缝9.4 mm位置处粘贴应变片，应变片之间的距离为17.2 mm，记为路径二（见图3（b））。应变片之间的距离按照设备技术要求选择，按照图3示意钻孔测量。处理路径一数据时，在焊缝左边板宽记为负值，右边记为正值；路径二处理时，从下往上沿宽度方向依次记为0~300 mm。

图3 测量路径示意图

2 试验原理

在应力场中钻小孔，应力的平衡被破坏，钻孔引起应力的释放，通过粘贴的应变片连接到测量仪上，测量出释放的应变。

盲孔法测量残余应力的原理是采用特制的箔式应变花粘贴在被测工件的表面，应变花和参考轴方向如图4所示，在应变花的中心钻一个小孔。通常孔径为1.5~3.0 mm，孔深为1.5~3 mm，本试验孔径为1.5 mm，孔深为2.0 mm。通过公式可以算出孔深范围内平均残余应力大小和方向。

图4 盲孔法用三轴电阻应变片

式中： ε1,ε2,ε3—应变花 3个单元释放的应变,με；

σ1，σ2—残余应力最大、最小主应力，MPa；

θ—σ1与ε1方向的夹角，顺时针取向，如

果 ε3≥ε1，取值为 θ； ε3＜ε1，取值为 θ+90°；

E，A，B—材料的弹性模量和释放系数。

A，B释放系数与孔径、孔深、应变花几何尺寸及材料泊松比μ有关，需通过试验标定。本试验设备测量普通钢： A=－0.072 55，B=－0.151 4。

由于主应力的方向并非总是与焊缝方向一致，如图3所示，根据公式（3）将主应力换算成平行焊接方向的纵向残余应力σx和垂直于焊接方向的横向残余应力σy[3]。

3 试验结果分析

手工电弧焊和氩弧焊属于熔化焊中常用的两种焊接方法，二者均采用电弧加热，将工件局部加热到融化状态形成熔池，填充焊接金属，端部在电弧的加热作用下不断被融化，形成熔滴过渡到熔池，随着电弧的移动，熔池金属的逐步冷却结晶，形成焊缝。由于不均匀的温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，局部发生塑性变形，温度恢复原始的均匀状态后，就会产生新的内应力，即残余应力。焊接时，二者均产生焊接变形。手工电弧焊的热流密度小，热输入大。氩弧焊的焊接热流密度大，焊接热输入集中。本研究通过控制焊接热输入，采用相同的电流参数，试验选用4 mm薄板，厚度方向上的残余应力很小，可忽略，简化为二维进行分析[4]。用盲孔法测量试验数据，整理数据并绘制应力—位置分布图，对比分析二者的变形。

手工电弧焊路径一残余应力的分布曲线如图5所示。由图5可见，在焊缝区域，沿x方向产生最大的拉应力为387 MPa,接近于母材的屈服强度。沿y方向产生的最大拉应力为247 MPa。两侧的应力急剧减小，在宽度为6~8 mm时，开始转变为压应力；宽度为12 mm时，压应力达到最大值，在x方向为174 MPa，在y方向为234 MPa；随着宽度的增加，压应力逐渐减小，最终在焊缝区产生拉应力，在两侧产生压应力。

图5 手工电弧焊应力分布曲线（路径一）

由路径二得到的横向应力分布曲线如图6所示，横向应力沿焊接方向分布，x方向在中心位置处的应力幅值产生拉应力，为221 MPa。在板宽179 mm处，出现一个波谷，为180 MPa；在宽度209 mm处，为235 MPa，拉应力最大。两侧应力幅值开始减小，沿板宽方向对称分布。在宽度64 mm和280 mm处，开始转变为压应力，在板宽方向对称分布，两侧对称分布的压应力靠近板边缘逐渐增加，在板边缘处应力为0。y方向上应力跟x方向上应力分布曲线相似，曲线左边值略小于右边，右边拉应力区在板宽209 mm处出现波峰，为200 MPa。在板宽47 mm和280 mm处，由拉应力开始逐渐变为压应力。越靠近板的边缘，压应力值越大，在板边缘端面上的应力值为0。焊缝横向残余应力产生的直接原因是冷却时横向的收缩，间接原因是焊缝的纵向收缩[4]。本次试验板边缘无拘束平板对接，焊件从焊缝中心线对称分布，两块板连接后，产生了相对的弯曲。因此，在焊缝的两端部分将产生压应力，中心部分产生拉应力。

图6 手工电弧焊应力分布曲线（路径二）

氩弧焊路径一的残余应力分布如图7所示，在焊缝区x方向产生的拉应力最大，为328 MPa，比手工电弧焊减小59 MPa。在焊缝两侧宽度为4 mm处，拉应力开始变为压应力。在焊缝两侧7 mm处，压应力值最大，为143 MPa，两侧的压应力逐渐减小。在焊缝中心处y方向最大应力值为149 MPa，焊缝的两侧压应力出现一个小的波谷，整体上随着焊缝两侧宽度的增加，压应力逐渐减小。

图7 氩弧焊应力分布曲线（路径一）

由路径二得到的横向残余应力分布如图8所示，横向应力平行于焊接方向，在焊缝中间位置x方向最大拉应力为174 MPa，比手工电弧焊减小47 MPa。在两侧的应力逐渐变小，对称分布，平行于焊缝方向上宽度为280 mm时，由拉应力转变成压应力。在中间位置y方向最大拉应力为162 MPa，在焊缝y方向宽度55 mm和278 mm处由拉应力变为压应力。越靠近板边缘压应力越大，横向板边缘端面位置处的应力为0。

图8 氩弧焊应力分布曲线（路径二）

氩弧焊的应力分布曲线与手工电弧焊相似。氩弧焊的热流密度大，热输入集中，焊接通入氩气作为保护气体，氩气带走一部分热量。在同样焊接参数下，氩弧焊的焊接热输入小于手工电弧焊[5]。焊接后氩弧焊的热应力小于手工电弧焊，使工件的变形小于手工电弧焊。比较两种焊接方法的纵向和横向残余应力，从应力分布曲线上也可以看出，氩弧焊的应力曲线变化幅度小于手工电弧焊。

本次试验采用不同的焊接方法，均无外约束。在电弧加热过程中，垂直焊接方向的截面上，靠近焊缝的金属温度高，离焊缝远的金属的温度较低，金属受热膨胀伸长，在不同温度下金属在变形过程中相互制约。电弧加热时，弧柱区的温度在1 900℃以上，高温下金属的性能发生了变化，低碳钢在0~500℃的范围内σs变化很小，在500~600℃范围内，σs迅速下降，超过600℃，σs接近于0[2]。焊缝区的温度高，伸长量较大，产生拉应力。焊缝两侧热影响区温度低，金属伸长量小，制约高温区金属的伸长，产生压应力。焊接局部加热的温度梯度很大，焊缝附近的压应力通常达到了略低于金属的屈服强度。冷却过程中，金属收缩，热影响区的冷却速度快，进入弹性状态。焊缝区在高温下，呈塑性状态。焊缝区金属收缩的速度慢，抑制热影响区的收缩，呈压应力状态，热影响区拉伸。随着热影响区温度的降低，冷速变慢，焊缝区的冷速大于热影响区，焊缝的收缩量增大，热影响区阻碍焊缝区的收缩，焊缝区变为拉应力，热影响区变为压应力[7-10]。在热影响区和焊缝的温度低于500℃时，处于弹性状态。焊缝区的温度高，冷速快，收缩量大。热影响区的温度低于焊缝区，冷速慢，收缩量小，焊缝区受到热影响区的阻碍。随着温度的降低，焊缝区的拉应力逐渐增大，在室温时，接近母材的屈服强度。热影响区的压应力随着拉应力的增大也增加[7]。最终均匀地收缩到某一位置，在母材中造成残余应力。这是形成焊接变形的主要原因，变形程度取决于焊接加热和冷却的温度梯度，试验均在空冷条件下进行。

4 结 论

（1）手工电弧焊在焊接区垂直焊接方向的残余应力最大值为387 MPa，在焊缝两侧为压应力，距离焊缝两侧12 mm处，压应力最大。平行焊接方向上的残余应力在中间位置为拉应力，在工件两边为压应力，靠近边缘压应力增大。

（2）氩弧焊垂直于焊接方向上的最大拉应力为328 MPa，在焊缝两侧的距离7 mm处，压应力最大。

（3）氩弧焊的焊接变形小于手工电弧焊。

[1]宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京:中国石化出版社，2010.

[2]方洪渊.焊接结构学[M].北京:机械工业出版社，2008.

[3]陈重毅，麻永林，邢淑清.焊接热输入对厚板20MnNiMo焊接残余应力的影响[J].材料热处理学报，2013,34(01):76-80.

[4]张彦华.焊接力学与结构完整性原理[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007.

[5]刘斌.金属焊接技术基础 [M].北京:国防工业出版社，2012.

[6]张建勋.现代焊接制造与管理 [M].北京:机械工业出版社，2013.

[7]方立新，邢淑清，麻永林，等.Q390钢多层多道焊接接头残余应力试验分析[J].焊接技术,2012,41(09):10-13.

[8]黄晶，刘宇光，张涛，等．厚板焊接残余应力的试验研究[J]．中国舰船研究，2009，4(05)： 33-37，44．

[9]贺启良，马东溟．焊接工艺参数对焊接残余应力的影响[J]．材料研究与应用，2010，20(01)： 75-77．

[10]王文先，霍立兴，张玉凤，等．相变温度对焊接残余应力的影响规律及机理分析[J]．中国机械工程,2003,14(03)： 246-249．