不銹鋼激光焊接T型接頭殘余應力測試研究

金屬結構經(jīng)焊接方法加工后，由于構件冷卻不均勻，會在其內部產生焊接殘余應力，且殘余應力的峰值往往達到或超過材料本身的屈服極限。即使是能量集中、焊接速度很高的激光焊接也不例外。焊接構件在投入使用時，載荷引起的工作應力與其內部的殘余應力相疊加，會導致焊接構件產生二次變形和焊接殘余應力的重新分布，從而降低焊接構件的剛性和尺寸穩(wěn)定性；焊接構件在殘余應力、工作溫度和工作介質的共同作用下，還將嚴重影響焊接結構和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抗拉應力開裂以及高溫蠕變能力。因此，對強度和精度要求都很高的航空焊接結構來說，研究其焊接殘余應力的具體分布狀態(tài)顯得尤為重要。

本次研究采用盲孔法對SUS304不銹鋼激光焊拉型接頭進行殘余應力測試，探索其分布規(guī)律，旨在為T型接頭激光焊接結構的工程應用提供參考。

測試試件及測試儀器

研究采用的材料為SUS304不銹鋼。該合金具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能，沖壓彎曲等熱加工性好。T型接頭筋板尺寸為200mm*100mm*2mm，腹板尺寸為200mm*100mm*2mm。焊前筋板和腹板都要經(jīng)過機械打磨，以除去試板表面的油污和氧化皮。

儀器采用JHMK殘余應力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK鉆孔儀組合而成。應變花靈敏系數(shù)為2.07±1%。

殘余應力測試方法

試驗在常溫下進行，應變花用502膠水進行貼片，等應變片固化5-6h后進行打孔，鉆孔直徑為1.5mm。在T型接頭的背面測量出距焊縫中心為3、6、10、15、20、25、30、35mm處的殘余應力。鉆孔停鉆后，每隔10min記錄一次數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，取幾次數(shù)據(jù)的平均值作為測試結果。

殘余應力測試數(shù)據(jù)分析

T型接頭的殘余應力分布

試件1采用線能量為52.8KJ/m（p=2200W，v=2.5m/min）進行焊接，焊后進行殘余應力測試。從測試結果看，在熔合線附近，縱向殘余拉應力和橫向殘余拉應力都較大，縱向殘余拉應力達到123MPa，橫向殘余應力達到62MPa。在遠離焊縫區(qū)域情況下，縱向殘余應力和橫向殘余應力都迅速減小，距離焊縫中心17mm處，縱向殘余應力開始壓應力。

試件2采用線能量為48KJ/m（P=2000W，v=2.5m/min）進行焊接。在距離焊縫中心3mm處，縱向殘余應力達到142MPa，距離焊縫5mm處開始出現(xiàn)壓應力。距離焊縫15mm外，殘余應力分布趨于平緩。

從試件1和試件2的殘余應力分布可看出，二者的縱向殘余拉應力*大值都超過了材料屈服強度的1/2，結構在服役過程中，自身縱向殘余拉應力與外力疊加極易導致結構因屈服而失效；而其橫向殘余應力在60MPa左右，遠低于材料的屈服強度，因此奧氏體激光焊接T型接頭殘余應力以縱向殘余拉應力為主。由于激光焊接能量密度大、焊接速度快、奧氏體不銹鋼導熱系數(shù)低，導致焊縫兩側和母材之間形成了很大的溫度梯度。大的溫度梯度和自身較大的熱膨脹系數(shù)導致其殘余應力分布梯度較大。

線能量對T型接頭殘余應力分布的影響

焊接熔池在冷卻過程中，由于低溫區(qū)金屬對高溫區(qū)金屬有一個阻礙作用，使平衡焊縫金屬的熱收縮受阻產生拉應力，而此時焊縫金屬的熱收縮受阻產生拉應力，且此時焊縫金屬溫度處于力學熔點，所以產生了拉伸塑性變形；當焊縫金屬冷卻至彈性溫度以內時，產生了彈性拉伸應變和拉伸應力。拉伸塑性應變*大值在熔合線處，此處的殘余拉應力也*大。比較試件1和試件2的焊接工藝參數(shù)和殘余應力分布規(guī)律，可看出，隨著焊接線能量的增加，縱向殘余拉應力峰值降低，而橫向殘余應力峰值升高。

結論

1. 盲孔法測量薄板殘余應力，根據(jù)理論公式可直接計算釋放系數(shù)A、B，這樣可避免因標定A、B系數(shù)而引入的誤差，從而使測量結果更準確。

2. 不銹鋼激光焊接T型接頭焊縫區(qū)域的殘余應力以縱向拉應力為主，橫向殘余拉應力相對較小。隨著焊接線能量的增大，*大縱向殘余拉應力減小，橫向殘余拉應力增大。T型接頭總體應力分布趨勢與對接接頭焊接殘余應力分布規(guī)律類似。

3. 從測量結果可看出，不銹鋼激光焊接T型接頭的縱向殘余拉應力*大值都超過了材料屈服強度的1/2，可能影響焊接接頭的力學性能，所以焊后應采取相應的消應力措施，以降低殘余應力對結構的不利影響。