交变载荷下厚板对接焊残余应力的松弛行为

李陵，罗白璐，郑绍文

1 海军装备部，北京 100841

2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引 言

焊接工艺具有高效、可靠、低成本三大特点，作为一种有效的连接手段，其在制造加工业中的应用越来越广泛。但焊接过程是一个局部不均匀加热的过程，加热范围小，温度梯度大，加热过程使得结构产生复杂的热应力与变形，冷却后会形成残余应力和变形。研究认为，残余应力的存在在很大程度上影响着结构的疲劳寿命以及承载能力［1］。特别是在结构投入使用的过程中，当遭遇到交替变换的波浪等外加载荷时，焊接结构内部的应力状态会由于自身初始的残余应力与这种交替载荷的反向组合作用而发生重新分布，即残余应力松弛。这些改变可能会导致结构出现不可预知的破坏和断裂。为了确保结构安全可靠，准确掌握交变循环载荷下结构残余应力的实时变化规律显得十分必要。目前，在该领域已有一些研究对残余应力的松弛演变过程进行了报道，并取得了一定的预期成果。

对于交变载荷作用下焊接结构力学行为的规律性演变过程，国内外学者曾做过相应的研究。例如：Yuan等［2］用固有应变法分析了焊接接头的残余应力松弛问题；也有研究者利用试验方法，就等幅拉伸循环载荷下简单焊接结构的残余应力松弛行为进行研究，借助数据归纳的手段，对结构内部的应力进行实时监测，最终提出了残余应力松弛量的计算公式［3-5］；Dattoma等［6］针对等幅拉伸循环载荷下残余应力的松弛问题，利用数值仿真手段进行了模拟。由于存在初始残余应力，即使施加恒定的应力幅值，在试件截面上所施加的应力也是不均匀分布的［7］。

已有的研究对象多局限于厚度较小的焊接试件，对于大厚度的焊接试件少有问津。众所周知，随着焊接构件厚度的不同，焊接残余应力的大小以及分布特征均发生着根本性的转变。例如，对于厚度较大的试件，其应力不再是双轴的，而应力的分布状态也不再满足普遍适用于小厚度焊接试件的平面应力模型［8-9］。由此类推，在交变载荷作用下，二者在残余应力的松弛行为上也会存在显著差异。因此，在对厚板焊接试件的强度以及使用性能进行合理化评估时，必须有适用于厚板焊接试件的残余应力松弛演变模型。鉴于上述原因，本文拟针对厚板焊接试件在交变载荷作用下的应力松弛行为进行量化分析，同时，基于实验数据，提出适用于厚板焊接试件的残余应力松弛演变模型。通过该模型，将可预测各循环阶段下残余应力的松弛量，为工程结构的安全应用起到一定的指导作用。

1 试验方法

1.1 试验材料

用于进行试验以及研究焊接残余应力松弛行为的材料为A105阀门用钢，它具有良好的机械性能和焊接性能，其材料化学成分见表1，物理力学性能见表2。

表1 A105钢化学成分Tab.1 The chemical components of A105 steel

表2 A105钢力学性能Tab.2 The mechanical property of A105 steel

1.2 试件的制备

试件采用窄间隙带衬底U形坡口，平板对接焊接，平板两端用上、下夹持板固定。焊接坡口形状见图1（单位：mm），焊道顺序见图2。

试件焊接时先使用手工电弧焊打底，焊道2层，然后采用埋弧自动焊，直流反接进行多道焊接，焊道3～43层，其焊接参数见表3。

图1 坡口形状Fig.1 Shape of the groove

图2 焊道顺序Fig.2 The order of weld bead

制备试件的厚度为100 mm，结构示意图如图3所示。

2 交变载荷试验

试验设备为一台100 t的液压MTS疲劳试验机。试验中，施加轴向压缩的周期性循环疲劳载荷，并保持应力峰值不变。取循环油压上限为Smax=85 t，循环油压下限为Smin=5 t。为防止在试件内产生热量，同时考虑到松弛速率的影响，试验中，疲劳应力的循环频率取1 Hz，试件的疲劳循环次数在5000～100000范围内。

交变载荷循环下，在厚板焊接结构上，加载指定循环次数的周期性载荷，然后通过布置在试验试件表面的光纤光栅传感器测定试件表面各测点的残余应力，最后得到整个焊缝区域附近的残余应力分布状态。在本研究的试验中，施加的三角波形循环载荷的循环次数为5000，10000，30000和50000。对试件施加规定次数的循环载荷后，将试件取出，用X射线衍射法对试件表面焊接残余应力的分布进行测定。由于焊缝两侧结构完全对称，所以可以认为，在垂直于焊缝方向上，两侧相对应的位置有着相同的残余应力分布状态，因此，试验时测点均分布在焊缝的一侧，如图4所示。

表3 焊接参数Tab.3 Weld parameters

图3 厚板横向对接焊接接头试件Fig.3 Thick plate specimen with transversal butt joints

3 试验结果与分析

图4 测点的布置Fig.4 Arrangement of the test points

应力松弛的过程可以认为就是应力在逐步释放。焊接结构在经过局部过热、焊后急速冷却而产生焊接残余应力的基础上，再遭受外载荷作用时，很可能会使结构内部的应力水平大于材料的屈服极限。此时，由于残余应力所引起的部分弹性应变转化为了塑性应变，残余应力也就相应出现了释放现象，主要表现为残余应力水平在交变载荷作用下一步步降低。取理想弹塑性材料为研究对象。其应力—应变曲线如图5（a）所示；试件的残余应力如图5（b）所示［10］；外加载荷的形式如图5（c）所示；当试件整体还处于弹性范围时，残余应力与外载荷应力叠加后的总应力如图5（d）中的曲线2所示，而叠加后的曲线2与原残余应力分布曲线1之间的范围则代表了外载荷应力的大小。但注意到，此时AC处已超过了屈服应力，多余的应力载荷将被释放，被释放的应力等同于给构件施加了一个假想的弯矩，该弯矩最终转化为残余应力场的变化，而生成如曲线3所示的应力分布图。当外载荷消失时，试件所有区域将产生弹性卸载，但由于AC处已产生了塑性变形，不能全部复原，因此，最终的残余应力稳定后的分布如曲线4所示。当外载荷持续作用在结构上时，最终的残余应力稳定后的分布会介于曲线4与曲线3之间。

图5 交变载荷下残余应力的松弛Fig.5 Relaxation of residual stress under alternating loads

当周期性的交变载荷作用在试件上时，可发现横向焊接残余应力出现明显的松弛现象。对于纵向焊接残余应力，却并未观察到出现明显的变化，如图6和表4所示。试件经施加交变载荷后的横向焊接残余应力数据见表5，其分布特征分别见图7和图8。

图6 交变载荷后试件表面焊接残余应力松弛演变Fig.6 Variation of surface residual stress under alternating loads

表4 垂直于焊缝的测点的纵向焊接残余应力Tab.4 Longitudinal residual stress of the test points，vertical to the welding line

表5 垂直焊缝的测点的横向焊接残余应力Tab.5 Transversal residual stress of the test points，vertical to the welding line

图7 施加交变载荷后试件横向焊接残余应力横向分布特征（测点垂直于焊缝）Fig.7 Distribution diagram of transversal residual stress（test points vertical to the welding line）

图8 施加交变载荷后试件横向焊接残余应力横向分布特征（测点平行于焊缝）Fig.8 Distribution diagram of transversal residual stress（test points parallel to the welding line）

研究表明，在施加交变载荷后，横向焊接残余应力的松弛量较大，而纵向焊接残余应力则未见明显的松弛行为发生，这主要与交变载荷的作用方向有关。在本试验中，交变载荷的施加方向与横向焊接残余应力方向一致，因而试件表面焊接残余应力场的松弛以横向为主。经施加循环交变载荷后，试件表面残余应力的分布特征不发生变化，焊缝区的金属填充部位是焊接残余应力最大值所在位置，而位于近焊缝区的两侧区域，应力状态主要表现为压缩焊接残余应力，其应力水平较焊缝区明显降低，这主要是由于在循环压缩载荷的作用下，处于焊缝金属区的拉伸残余应力与外加交变应力相叠加，致使该处的拉伸残余应力相应下降。由于焊接残余应力属于结构内力，在焊件的任一截面上自相平衡，因而两侧区域的压缩残余应力也会下降，即整个残余应力场表现出松弛行为。在交变载荷作用的初期（N=5000次循环），焊缝金属区域的拉伸残余应力峰值降至初始值的50%。当继续加载时，焊缝金属区域的残余应力峰值会进一步降低，但焊接残余应力的降低速率会随着循环次数的增加而下降。在垂直于焊缝方向上，试件表面横向焊接残余应力的松弛速率见图9，测点的初始残余应力见表6。

图9 纵向焊接残余应力沿试件表面不同路径的松弛速率Fig.9 Relaxation rate of longitudinal residual stress along the specimen surface

表6 垂直于焊缝的测点的初始残余应力Tab.6 Initial residual stress along the vertical direction of the welding line

图9中显示了与焊缝正交的方向上（y=0）横向焊接残余应力的松弛分布。图中曲线显示，在循环周期为5000次时，（0，0）点的松弛速率明显高于点（10，0），（30，0）及（70，0）；但点（30，0）与（70，0）的松弛速率始终保持一致，变化甚小。当到达循环的后期（N=30000次）时，各点的松弛速率趋于一致，接近于零。对比曲线下方各点的初始焊接残余应力值可以看出，（0，0）点的初始残余应力值最大，其次为（10，0）点，而点（30，0）与（70，0）的初始残余应力值相近。研究认为，焊接残余应力的松弛速率与各点的初始残余应力值的大小紧密相关。当循环进入后期，一方面，由于各截面上的焊接残余应力的分布已趋于均匀化，因而图9中的松弛速率曲线汇交于一点；另一方面，由于此时残余应力已不再发生松弛，因而松弛速率趋于零。考虑到残余应力的峰值在交变载荷作用下的变化速率较为突出，因此，基于试验结果，本文就厚板对接焊试件在循环交变载荷下的表面残余应力的释放行为进行了分析研究，提出了在循环交变载荷作用下，厚板对接焊试件表面残余应力松弛的时变模型，如式（1）所示。

式中：ΔσR为残余应力松弛量，MPa；σRZ为初始残余应力，MPa；σR为最终残余应力，MPa。

研究表明，在式（1）中，变量 ΔσR越大，最终的残余应力σR将越小，同时，当σRZ增加时，结构的焊接残余应力将更快地释放［11］。

结合式（1），可得

式中：ΔσR(Ni)为循环次数为Ni时的残余应力松弛量，MPa；σR0T(Ni-1)为循环次数为Ni-1时的残余应力，MPa；σR(Ni)为循环次数为Ni时的残余应力，MPa。

按照式（3）中各变量对焊接残余应力释放的不同影响，可以得到任一循环次数Ni时焊接试件表面的松弛量

和任一循环次数Ni时的残余应力

式中，σa为外加交变载荷幅值，MPa。

在试验中，对交变载荷下焊接残余应力松弛模型的可靠性做了实测。在试件表面任取一点（10，70）进行交变载荷作用下焊接残余应力的实时监测，实测值如图10所示。

图10 试件表面（10，70）点的松弛模型预测值与试验测量值Fig.10 Comparison between predicted values of relaxation model and test values for the surface point（10，70）

分析表明，试件表面任意测点的实测数据与该点在松弛模型中所预测数值的分散性较小，吻合度好。

4 结 论

为了研究厚板在交变载荷作用下焊接残余应力的松弛行为，对使用埋弧自动焊制备的对接厚板试件进行了交变载荷作用下焊接残余应力的松弛试验。主要结论如下：

1）焊接残余应力在释放的过程中只改变应力水平的大小，而残余应力的分布特征不会发生改变。

2）焊接残余应力松弛量的大小与试件表面各点的初始残余应力有关。

3）在交变载荷作用的初期，残余应力的释放速率最大，继续加载时，释放速率保持不变。研究认为，残余应力的释放主要集中在交变载荷作用的初期，而交变载荷作用的后期对于残余应力的释放影响不大。

4）研究表明，焊接残余应力场的松弛行为受外加交变载荷的作用方向的影响。在本试验中，外加交变载荷的作用方向垂直于焊缝，试件表面横向残余应力松弛明显，纵向残余应力未出现明显的应力松弛行为。

5）基于试验研究，提出的焊接残余应力的松弛演变曲线与试验实测数据的分散性较小，测量值与拟合值的一致性相当好，对于工程实际应用具有指导作用。

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