小孔法起重机轨道高碳钢焊接残余应力分析

1、起重机轨道高碳钢焊接残余应力分析摘要：起重机轨道焊接广泛应用与桥吊、场桥等产品中。但起重机轨道在焊接时接头内产生较大的残余应力并在使用过程中极易形成疲劳裂纹对公司产品质量造成一定的不良影响。针对以上问题本文利用盲孔测法对焊接接头残余应力的大小及分布情况进行测量及分析并最终提出降低焊接残余应力的方法。试验结果表明：焊缝中心残余应力最大，距离焊缝中心越远则残余应力越小；对接接头上表面残余应力较大，最高可达212Mpa；堆焊处焊接残余应力较对接接头高，最高可达517Mpa。关键词：起重机轨道 高碳钢焊接 残余应力 盲孔法 Abstract：The welding of crane railway w

2、as wildly used in bridge and. However, it has a lot of welding remain stress in the welding joint and will cause fatigue. This situation exerts a bad influence to our companys products. Focus on that question, this paper using the way of blind-hole to test and analysis the value and distribution of

3、the remain stress. At last, give some ways to decrease remain stress. The test results show that the central of seam has the biggest remain stress, the farther away from the seam, the fewer remain stress; the up surface of butt joint has a biggest remain stress, it can reach 212Mpa; the remain stres

4、s in butt joint is more than weld deposit, it can reach 517Mpa.Keywords：crane railway, the welding of high carbon steel, remain stress, the way of blind-hole0、绪论焊接残余应力的产生主要时因为在焊接过程中焊接接头受热不均匀并在冷却过程中产生残余应力1-3。起重机轨道截面多为工字形，轨道的顶部是凸状的，底部配有一定宽度的平板以增加与基础的接触面，具有良好的抗弯强度，虽然生产标准和规格型号上有所不同，但起重机轨道通常均用 C、Mn 含量较高的

5、 U71Mn 钢轧制而成。由于考虑到起重机运行的平稳性，起重机轨道有别于火车轨道，轨道的连续性与接头的平滑过渡至关重要，因此，起重机轨道通常需要焊接4-5。在公司生产的场桥、岸桥、卸船机及龙门吊等产品中均用到了轨道高碳钢的焊接，涉及的轨道主要包括90kg/mm2级和110Kg/mm2级。但起重机轨道在焊接时接头内产生较大的残余应力并在使用过程中极易形成疲劳裂纹对公司产品质量造成一定的不良影响。针对以上问题，本文首先对起重机轨道进行堆焊及对接试验，然后利用盲孔法测量焊接接头残余应力的分布情况并分析其原因。最后，提出消除焊接残余应力的方法。1、实验材料、设备及方法本实验采用150mm长110kg级

6、轨道钢作为母材分别进行对接、堆焊试验。对对接接头、堆焊分别采用焊条电弧焊、CO2气体保护焊进行焊接。选用直径分别为4mm、5mm的大西洋焊材CHE50和直径为4mm的J857作为110Kg轨道钢对接接头的填充材料，选用直径为1.4mm的京雷焊材GFL-71作为110kg轨道钢堆焊的填充材料，表1是母材与焊材的化学成分。选用浓度为99.99%的CO2作为保护气体。选择松下5000作为焊机，选择配套的送丝机，如图1所示。表1 母材与焊材化学成分Table1.The chemical composition of 材料110Kg级轨道钢CHE50J857GFL-71a）焊接电源 b）送丝机、焊枪图1

7、 焊接系统Fig.1 The welding system焊接前对母材表面进行打磨，直到露出金属光泽，除去表面油污。利用氧乙炔火焰加热法对母材进行预热，除去母材内的水汽，预热温度为300o。分别按图2工装形式将轨道固定在焊接工作台上进行焊接。 图2 110kg轨道焊接Fig.2 the welding of 110kg pathway表1是110Kg轨道钢对接接头焊接参数表，从表中可以发现轨道对接时分三部分对其焊接，每一部分的焊接参数也不一样，特别是最后选用耐磨性较好的焊材J857进行盖面焊，这主要是因为考虑到轨道在使用过程中经常与轮子间发生摩擦，需用耐磨性好的焊材可以增强焊缝的抗磨性，延长轨

8、道使用时间。表1 110kg轨道对接接头焊接参数Table.1 The welding parameters of butt joint of 110Kg pathway焊道序号焊条牌号焊条直径（mm）焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（mm/min）第一层CHE504.01501702224100-150第二层CHE505.01701902325110-180第三层J8571.41501802325100-170表2是110Kg轨道钢堆焊参数表，从表中可以发现由于母材比较厚，同样采用多层多道焊焊接工艺，且每一道的焊接参数均未发生改变。表2 110kg轨道堆焊参数Table.1 The we

9、lding parameters of weld deposit of 110Kg pathway焊道序号焊条牌号焊条直径（mm）焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（mm/min）1-nGFL-711.4230-28026-30212-3532、小孔测残余应力原理及方法盲孔法在工程上测试残余应力是一种较为成熟和可靠的方法，由于这种方法在测量时具有破坏程度小，而且随着孔径、孔深的减小，破坏性能降低到轻微损伤的程度。这些优点，所以在实际结构残余应力大小和分布测试中得到了广泛应用6。2.1 盲孔法测残余应力原理采用盲孔法测试残余应力的原理是：在被测焊接件的平整表面上粘贴完好无损的应变片，然后对准应

10、变片中心钻孔（孔径一般为1.5mm3mm，孔深为1.0mm3mm）；由于钻孔产生的局部释放应力会使电阻应变片感应到，这种变化以应变的形式由应变测量仪输出数据，在该钻孔处第一主应力1和第二主应力2以及主应力方位角可由公式（2.1）计算得到。式中1、2、3分别为应变片中3个方向感受到的释放应变，单位为，A、B为释放系数，与应变片、钻孔孔径、孔深大小以及被检测母材的弹性模量E、泊松比有关，通过标定试验可将A、B释放系数求出。根据ASTM标准，A、B释放系数也可由公式(2.2)求出，a=0.111，b=0.297。应变片3个方向释放应变示意图如图2.4所示。1=E4A1+3-E4B(1-3)2+(22

11、-1-3) 2=E4A1+3+E4B(1-3)2+(22-1-3) (1)tan2=22-1-33-1 A=-(1+)2E)a (2)B=-(1/2E)b (3)tan2=yx (4)G1G2G3对称轴图3. 应变片示意图Fig.3 Sketch of rosette 为第一主应力 1 与应变花中 1 号应变片参考轴的夹角，顺时针取向。主应力方向角 与应变花的编号次序和参考轴选取有关，（2.1）式适用于图 2.1 所示系统。确定 角时还要按公式（2.3） 的分子分母的正负号确定象限， 计算出 按下表 2.6 取值。表3 角取值Table 3 Value of angle XY计算值主应力方向角

12、+-90o+-90o+-+2.2 残余应力测试设备本试验残余应力测试设备采用西格玛生产的型应变应力综合测试仪，如图4所示。该应变测量仪操作简单，可直接读出结果。郑州机械研究所生产的ZDL-型盲孔法测残余应力钻孔装置和TJ120-1.5-1.5型应变花。图4 应变测量仪Fig.4 Strain gauge2.2 残余应力测量步骤测量之前先打开应变仪，连接好导线，电烙铁要预先加热，要准备好美工刀片、剪刀、502胶水、防沾塑料纸、丙酮、砂纸、砂轮片、磨光机、棉花球、镊子、钻头、电钻、钳子、扳手、 记录数据用的笔和纸、 计时用的手表或手机，应变片要事先买好。具体测量步骤如下：1）对试板表面进行处理，用

13、砂轮去除焊缝余高，再用铁刷或纱布打磨去除试板表面氧化皮和锈迹，然后用 100 目左右的砂布交叉打磨，达到 Ra 值 3.26.4，用丙酮擦拭试板，初步去除试板表面油污。根据实验计划，用划针轻轻划出贴应变花的测点位置（划十字线）。用棉花球或纱布蘸取丙酮多次擦洗直至棉花球或纱布上无污点为止，从而彻底清除试板表面残留铁屑、粉末。另外，需要注意的是：表面制备是残余应力实验过程中的一个重要环节，根据粘贴应变片的要求，必须保证试板粘贴表面无油污，清洗过的试板表面不许用手以及其他物体接触。2）应变花的粘贴粘贴应变花之前，应对应变花进行外观检查，防止应变花质量问题对实验带来不利影响。用棉花蘸少许丙酮对应变花粘

14、贴面进行表面处理，去除应变花粘贴面可能存在的油污。采用优质502胶水进行贴片。在试板应变花粘贴标记位置滴上一小滴胶液，然后放置在工件表面上，此时可以微动应变片，从而保证应变片的位置正确。最后在应变花上面覆盖一张聚四氟乙烯薄膜，用大拇指压 12分钟后，检查贴片是否成功。对应变花粘贴不成功的，可用丙酮清洗应变花周围，从而使应变花从试板表面脱落，进行重贴。固化时间一般 56 小时即可进行测量。为提高粘接强度，固化 24 小时可达最大粘接强度。试板表面粘应变花如图4所示。3）焊接导线轻轻拉起应变花的 6 根引线，在接近应变花基底部位粘上绝缘层（建议用涤纶绝缘胶带）。在丝栅部位覆盖一小块绝缘胶带，将引出

15、线盖住一部分，一方面钻孔时防止铁屑损坏丝栅或引起短路，另一方面加固引出线不致被拉断。建议使用接线端子，将端子用502胶粘在被测构件上，用 2030W 电烙铁先将引出线与端子焊接起来，再把端子与导线焊接起来。应力测量仪调零，观察应力测量仪数值是否稳定，若不稳定，要重新检查应变花的焊接点是否焊好或应变花有没有与其它金属接触导致短路。 （a）堆焊处残余应力测量图 （b）对接接头残余应力测量图5110Kg级轨道高碳钢焊接残余应力测量Fig.5 the test of welding remain stress of 110Kg pathway steel 4）钻孔选用尺寸1.5mm的钻头，打开手电钻对

16、准应变花上的中心点进行钻孔，手持电钻尽可能保持平稳，并垂直工件表面，压力适中直钻到预定孔深，拨出钻杆。待 10-20 分钟后直到显示器上的读数逐渐稳定后，按打印按钮等待数据自动打印出来。5）按同样的方法依次对所有点进行测量。3、焊接残余应力分布情况及形成原因根据上述盲孔法测残余应力步骤分别对轨道钢对接接头、堆焊接头进行测量，测量位置如图6所示。a）轨道横截面b）轨道对接接头表面残余应力测试位置c）轨道对接接头侧面残余应力测试位置d）轨道侧面堆焊处残余应力测试位置图6残余应力测量位置示意图 Fig.6 the sketches of the test position of the remain

17、 stress在上述位置利用盲孔法测得主应力大小、主应力方向角后利用公式5、公式6分别计算出焊缝纵向及横向残余应力大小。结果如表2、表3所示。x=1+22+（1-2）cos22 （5）y=1+22-（1-2）cos22 （6）表4 纵向残余应力测试结果/MpaTable 4 The value of remain stress/Mpa测点残余应力测点残余应力测点残余应力测点残余应力测点残余应力1877813118191525642-78-161412220-826-33159015802171271644110391641221842811851001115171023213292756971

18、26518312415330480a)对接接头不同位置残余应力变化曲线 b）堆焊不同位置残余应力变化曲线图7 纵向残余应力随距离焊缝位置变化而变化Fig.7 The relationship between remain stress and the distance to the seam图7是纵向残余应力随距离焊缝位置变化的曲线图。其中图7a是对接接头不同位置处纵向残余应力变化曲线，从中可以发现在焊缝中心处残余应力最大，距离焊缝中心越远则残余应力越小。另外，还可以发现轨道盖面层处测得的残余应力较其他位置要高，这可能是由两方面原因造成的。首先，该处选择的焊材为耐磨材料，硬度较大，拘束力较大；

19、其次，该位置处于轨道最上面，焊接层数对多。图7b是轨道两侧堆焊层不同位置的残余应力变化曲线，从中可以发现在焊缝中心处残余应力最大，距离焊缝越远则残余应力越小。该处焊接残余应力明显高于对接接头，这与轨道在使用过程中容易在该位置形成疲劳裂纹，造成焊接构件损坏是相吻合的。表5横向残余应力测试结果/MpaTable 5 The value of remain stress/Mpa测点残余应力测点残余应力测点残余应力测点残余应力测点残余应力1137100131881938251042-28261421220-926-73209441519021100273846810431617722191282345

20、12811271713232132936761101212418442415330517a)对接接头不同位置残余应力变化曲线 b）堆焊不同位置残余应力变化曲线图7 横向残余应力随距离焊缝位置变化而变化Fig.7 The relationship between remain stress and the distance to the seam图7是横向残余应力随距离焊缝位置变化的曲线图。图7是横向残余应力随距离焊缝位置变化的曲线图。其中图7a是对接接头不同位置处横向残余应力变化曲线，从中可以发现在焊缝中心处残余应力最大，距离焊缝中心越远则残余应力越小。另外，还可以发现轨道盖面层处测得的残余应力较其他位置要高，原因与上面介绍的是相同的。图7b是轨道两侧堆焊层不同位置的残余应力变化曲线，从中可以发现在焊缝中心处残余应力最大，距离焊缝越远则残余应力越小。该处焊接残余应力明显高于对接接头，这与轨道在使用过程中容易在该位置形成疲劳裂纹，造成焊接构件损坏是相吻合的。4、降低轨道钢焊接残余应力方法分析由以上研究可以发现在轨道钢焊接过程中容易形成很高的焊接残余，导致疲劳裂纹形成，降低轨道的使用寿命。采取相应的措施减少残余应力十分有必要，在今后的生产过程中应主要从焊接前尽量选择含