隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對高強度低合金結(jié)構(gòu)需求量越來越大。本文采用盲孔法對Q390鋼焊接接頭進行殘余應力測量，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用具有一定的研究價值。

焊接工藝

采用焊條電弧焊和埋弧焊對Q390鋼進行平板對接焊接，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行焊接。

應變片的粘貼

薄板平面對接焊的研究成果證明殘余應力關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力的對稱，所以，為了全面了解Q390鋼厚板焊接表面殘余應力分布，在試板中心位置垂直于焊縫中心粘貼一排應變片，記為路徑1：為了補充路徑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誤差，在路徑1以下50mm處粘貼另一排應變片，記為路徑2。根據(jù)JH-30殘余應力檢測儀使用方法，相鄰2個應變片之間的距離應至少大于孔徑的5-8倍，在研究焊接工藝參數(shù)對焊接殘余應力的影響時相鄰2個應變片之間的距離僅為5mm也能保證數(shù)據(jù)的準確性，因此，本試驗過程中應變片之間的距離選定為7倍的孔徑，約為（10±2）mm，符合技術要求，能保證測量數(shù)據(jù)的準確性。試驗中應變片采用三向應變片，夾角分別為0°，90°，225°，靈敏系數(shù)為2.07±1%。

試驗結(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行預彎，角變形為-5°（角變形凸為負值，凹為正值）。焊條電弧焊時不加約束，采用埋弧焊接時在試板4個角上用螺栓施加垂直于試板向下的約束。在焊接過程中當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，試板可沿板寬方向向外移動。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)用角磨機輕輕打平之后再進行殘余應力測量，整理資料并繪制應力-位置分布圖。

從埋弧焊路徑1、2殘余應力分布可看出，路徑1、2的縱向應力為壓應力，σ_x在焊縫中心達最大值，平均值為160MPa，隨著距焊縫距離的增加，應力值逐漸減小并趨穩(wěn)定，母材應力值為40MPa。路徑1、2的橫向應力為壓應力，σ_y也為壓應力，但幅值較高，在焊縫及熱影響區(qū)達最大值，約為590MPa，遠離焊縫處應力逐漸減小，母材區(qū)橫向應力約為150MPa。

從焊條電弧焊路徑1、2的殘余應力分布可看出，σ_x和σ_y出現(xiàn)中間大兩端小的典型自由對接焊接接頭殘余應力分布規(guī)律，路徑1、2縱向應力分布，σ_x在焊縫區(qū)為拉應力并出現(xiàn)最大值，為400MPa。隨著距焊縫中心距離的增加應力變小，在熔合區(qū)附近變?yōu)閴簯Σ⑦_到最大值，之后趨于穩(wěn)定。母材區(qū)應力為壓應力，為50MPa，這與采用埋弧焊焊接的母材應力幅值水平相當。在路徑1、2橫向壓力中，σ_y在焊縫區(qū)拉應力，約為200MPa，比縱向應力小約200MPa，這符合殘余應力的規(guī)律。熔合區(qū)出現(xiàn)壓應力，在母材區(qū)趨于穩(wěn)定為200MPa，這與埋弧焊橫向應力幅值一致。

通過對這兩種不同焊接工藝下殘余應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，焊接接頭殘余應力分布并不一致，采用埋弧焊焊接的試板焊縫區(qū)為壓應力，而采用焊條電弧焊焊接的試板焊縫區(qū)為拉應力，這是因為在有外約束焊接時，焊縫金屬相變體積膨脹受到周圍金屬材料的限制產(chǎn)生相變應力，相變應力會降低焊接熱應力場引起的殘余拉伸應力，在一定相變溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)殘余壓縮應力。在焊縫金屬從高溫到室溫的冷卻過程中，會發(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)，當殘余拉伸應力達到材料的屈服極限時產(chǎn)生的彈性應變?yōu)?.1%-0.3%，考慮到相變過程中的不完全轉(zhuǎn)變，其數(shù)值也遠大于熱應力引起的應變，剩余的膨脹應變引起焊縫殘余壓縮應力，所以，相變膨脹應變產(chǎn)生的相變應力完全可抵消焊接殘余拉伸應力，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力的作用，有迫使金屬沿焊縫方向流動的趨勢，同時該約束產(chǎn)生的壓應力抵消了由于熔敷金屬冷卻產(chǎn)生的拉應力，最終在焊縫上形成了壓應力。

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)生壓應力，熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應力。冷卻過程中，熱影響區(qū)冷卻速度快，很快進入彈性狀態(tài)，焊縫處溫度高，處于塑性狀態(tài)，這時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，當焊縫的冷卻速度高于熱影響區(qū)時，焊縫收縮較快，焊縫的收縮受到熱影響區(qū)阻礙，應力方向轉(zhuǎn)變；焊縫受拉應力，熱影響區(qū)受壓應力。當焊縫和熱影響區(qū)都進入彈性狀態(tài)時，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，拉應力也越拉越大，直至室溫，應力可能達到母材的屈服極限。

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力起主要作用，先焊部分先冷卻并恢復彈性，會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)為拉應力，焊縫中間為壓應力；在自由約束下進行焊接的試板，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)生橫向拉應力，而焊縫兩端產(chǎn)生橫向壓應力。另外，在厚板焊接過程中，彎曲效應的迭加使先焊焊道承受拉應力，后焊焊道承受壓應力，角收縮受到兩端的約束，表現(xiàn)為橫向壓縮應力，由于這2個因素產(chǎn)生的應力迭加，使焊縫中心橫向應力達到應力最大值。

結(jié)論

1.埋弧焊焊接試板在焊縫處為壓應力，橫向應力幅值較大，最大值為590MPa，縱向應力幅值較小，約為160MPa；而經(jīng)焊條電弧焊焊接的試板在焊縫處為拉應力，縱向應力幅值較大，最大值為400MPa，橫向應力幅值較低，最大值為200MPa。

2.在試板中間位置，相同區(qū)域的殘余應力分布基本一致，并沒有因為位置不同而出現(xiàn)較大波動。

3.在本試驗條件下，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力，在條件允許的情況，優(yōu)先選擇埋弧焊焊接工藝。