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不锈钢激光焊接T型接头残余应力测试研究

2021-02-25作者:浏览次数:139  来源:南京聚航科技有限公司

金属结构经焊接方法加工后,由于构件冷却不均匀,会在其内部产生焊接残余应力,且残余应力的峰值往往达到或超过材料本身的屈服极限。即使是能量集中、焊接速度很高的激光焊接也不例外。焊接构件在投入使用时,载荷引起的工作应力与其内部的残余应力相叠加,会导致焊接构件产生二次变形和焊接残余应力的重新分布,从而降低焊接构件的刚性和尺寸稳定性;焊接构件在残余应力、工作温度和工作介质的共同作用下,还将严重影响焊接结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抗拉应力开裂以及高温蠕变能力。因此,对强度和精度要求都很高的航空焊接结构来说,研究其焊接残余应力的具体分布状态显得尤为重要。

本次研究采用盲孔法对SUS304不锈钢激光焊拉型接头进行残余应力测试,探索其分布规律,旨在为T型接头激光焊接结构的工程应用提供参考。

测试试件及测试仪器

研究采用的材料为SUS304不锈钢。该合金具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能,冲压弯曲等热加工性好。T型接头筋板尺寸为200mm*100mm*2mm,腹板尺寸为200mm*100mm*2mm。焊前筋板和腹板都要经过机械打磨,以除去试板表面的油污和氧化皮。

仪器采用JHMK残余应力测试系统,由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔仪组合而成。应变花灵敏系数为2.07±1%。

残余应力测试方法

试验在常温下进行,应变花用502胶水进行贴片,等应变片固化5-6h后进行打孔,钻孔直径为1.5mm。在T型接头的背面测量出距焊缝中心为3、6、10、15、20、25、30、35mm处的残余应力。钻孔停钻后,每隔10min记录一次数据,待数据稳定后,取几次数据的平均值作为测试结果。

残余应力测试数据分析

T型接头的残余应力分布

试件1采用线能量为52.8KJ/m(p=2200W,v=2.5m/min)进行焊接,焊后进行残余应力测试。从测试结果看,在熔合线附近,纵向残余拉应力和横向残余拉应力都较大,纵向残余拉应力达到123MPa,横向残余应力达到62MPa。在远离焊缝区域情况下,纵向残余应力和横向残余应力都迅速减小,距离焊缝中心17mm处,纵向残余应力开始压应力。

试件2采用线能量为48KJ/m(P=2000W,v=2.5m/min)进行焊接。在距离焊缝中心3mm处,纵向残余应力达到142MPa,距离焊缝5mm处开始出现压应力。距离焊缝15mm外,残余应力分布趋于平缓。

从试件1和试件2的残余应力分布可看出,二者的纵向残余拉应力*大值都超过了材料屈服强度的1/2,结构在服役过程中,自身纵向残余拉应力与外力叠加极易导致结构因屈服而失效;而其横向残余应力在60MPa左右,远低于材料的屈服强度,因此奥氏体激光焊接T型接头残余应力以纵向残余拉应力为主。由于激光焊接能量密度大、焊接速度快、奥氏体不锈钢导热系数低,导致焊缝两侧和母材之间形成了很大的温度梯度。大的温度梯度和自身较大的热膨胀系数导致其残余应力分布梯度较大。

线能量对T型接头残余应力分布的影响

焊接熔池在冷却过程中,由于低温区金属对高温区金属有一个阻碍作用,使平衡焊缝金属的热收缩受阻产生拉应力,而此时焊缝金属的热收缩受阻产生拉应力,且此时焊缝金属温度处于力学熔点,所以产生了拉伸塑性变形;当焊缝金属冷却至弹性温度以内时,产生了弹性拉伸应变和拉伸应力。拉伸塑性应变*大值在熔合线处,此处的残余拉应力也*大。比较试件1和试件2的焊接工艺参数和残余应力分布规律,可看出,随着焊接线能量的增加,纵向残余拉应力峰值降低,而横向残余应力峰值升高。

结论

1. 盲孔法测量薄板残余应力,根据理论公式可直接计算释放系数A、B,这样可避免因标定A、B系数而引入的误差,从而使测量结果更准确。

2. 不锈钢激光焊接T型接头焊缝区域的残余应力以纵向拉应力为主,横向残余拉应力相对较小。随着焊接线能量的增大,*大纵向残余拉应力减小,横向残余拉应力增大。T型接头总体应力分布趋势与对接接头焊接残余应力分布规律类似。

3. 从测量结果可看出,不锈钢激光焊接T型接头的纵向残余拉应力*大值都超过了材料屈服强度的1/2,可能影响焊接接头的力学性能,所以焊后应采取相应的消应力措施,以降低残余应力对结构的不利影响。

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