1、起重機軌道高碳鋼焊接殘余應力分析摘要：起重機軌道焊接廣泛應用與橋吊、場橋等產品中。但起重機軌道在焊接時接頭內產生較大的殘余應力并在使用過程中極易形成疲勞裂紋對公司產品質量造成一定的不良影響。針對以上問題本文利用盲孔測法對焊接接頭殘余應力的大小及分布情況進行測量及分析并最終提出降低焊接殘余應力的方法。試驗結果表明：焊縫中心殘余應力最大，距離焊縫中心越遠則殘余應力越??；對接接頭上表面殘余應力較大，最高可達212Mpa；堆焊處焊接殘余應力較對接接頭高，最高可達517Mpa。關鍵詞：起重機軌道高碳鋼焊接殘余應力盲孔法Abstract:Theweldingofcranerailwaywaswildlyu

2、sedinbridgeand.However,ithasalotofweldingremainstressintheweldingjointandwillcausefatigue.Thissituationexertsabadinfluencetoourcompany'sproducts.Focusonthatqiietstronaperusingthewayofblindholetotestandanalysisthevalueanddistributionoftheremainstress.Atlast,givesomewaystodecreaseremainstress.Thet

3、estresultsshowthatthecentralofseamhasthebiggestremainstress,thefartherawayfromtheseam,thefewerremainstress;theupsurfaceofbuttjointhasabiggestremainstress,itcanreach212Mpa;theremainstressinbuttjointismorethanwelddeposit,itcanreach517Mpa.Keywords:cranerailway,theweldingofhighcarbonsteel,remainstress,t

4、hewayofblind-hole0、緒論焊接殘余應力的產生主要時因為在焊接過程中焊接接頭受熱不均勻并在冷卻過程中產生殘余應力1-3。起重機軌道截面多為工字形，軌道的頂部是凸狀的，底部配有一定寬度的平板以增加與基礎的接觸面，具有良好的抗彎強度，雖然生產標準和規格型號上有所不同，但起重機軌道通常均用C、Mn含量較高的U71Mn鋼軋制而成。由于考慮到起重機運行的平穩性，起重機軌道有別于火車軌道，軌道的連續性與接頭的平滑過渡至關重要，因此，起重機軌道通常需要焊接4-5。在公司生產的場橋、岸橋、卸船機及龍門吊等產品中均用到了軌道高碳鋼的焊接，涉及的軌道主要包括90kg/mm2級和110Kg/mm2級。

5、但起重機軌道在焊接時接頭內產生較大的殘余應力并在使用過程中極易形成疲勞裂紋對公司產品質量造成一定的不良影響。針對以上問題，本文首先對起重機軌道進行堆焊及對接試驗，然后利用盲孔法測量焊接接頭殘余應力的分布情況并分析其原因。最后，提出消除焊接殘余應力的方法。1、實驗材料、設備及方法本實驗采用150mm長110kg級軌道鋼作為母材分別進行對接、堆焊試驗。對對接接頭、堆焊分別采用焊條電弧焊、CO2氣體保護焊進行焊接。選用直徑分別為4mm、5mm的大西洋焊材CHE50和直徑為4mm的J857作為110Kg軌道鋼對接接頭的填充材料，選用直徑為1.4mm的京雷焊材GFL-71作為110kg軌道鋼堆焊的填充材

6、料，表1是母材與焊材的化學成分。選用濃度為99.99%的CO2作為保護氣體。選擇松下5000作為焊機，選擇配套的送絲機，如圖1所示。表1母材與焊材化學成分在此處鍵入Tablel.Thechemicalcompositionof材料110Kg級軌道鋼CHE50J857GFL-71a）焊接電源b）送絲機、焊槍圖1焊接系統Fig.1Theweldingsystem焊接前對母材表面進行打磨，直到露出金屬光澤，除去表面油污。利用氧乙快火焰加熱法對母材進行預熱，除去母材內的水汽，預熱溫度為300°。分別按圖2工裝形式將軌道固定在焊接工作臺上進行焊接。圖2110kg軌道焊接Fig.2theweld

7、ingof110kgpathway表1是110Kg軌道鋼對接接頭焊接參數表，從表中可以發現軌道對接時分三部分對其焊接，每一部分的焊接參數也不一樣，特別是最后選用耐磨性較好的焊材J857進行蓋面焊，這主要是因為考慮到軌道在使用過程中經常與輪子間發生摩擦，需用耐磨性好的焊材可以增強焊縫的抗磨性，延長軌道使用時間。在此處鍵入表1110kg軌道對接接頭焊接參數Table.1Theweldingparametersofbuttjointof110Kgpathway焊道序號焊條牌號焊條直徑(mm)焊接電流(A)焊接電壓(V)(mm/min)計層CHE504.015017022-24100-150第二層CH

8、E505.017019023-25110-180第三層J8571.415018023-25100-170表2是110Kg軌道鋼堆焊參數表，從表中可以發現由于母材比較厚，同樣采用多層多道焊焊接工藝，且每一道的焊接參數均未發生改變。表2110kg軌道堆焊參數Table.1Theweldingparametersofwelddepositof110Kgpathway焊道序號焊條牌號焊條直徑(mm)焊接電流(A)焊接電壓(V)(mm/min)1-nGFL-711.4230-28026-30212-3532、小孔測殘余應力原理及方法盲孔法在工程上測試殘余應力是一種較為成熟和可靠的方法，由于這種方法在測量

9、時具有破壞程度小，而且隨著孔徑、孔深的減小，破壞性能降低到輕微損傷的程度。這些優點，所以在實際結構殘余應力大小和分布測試中得到了廣泛應用6。2.1盲孔法測殘余應力原理采用盲孔法測試殘余應力的原理是：在被測焊接件的平整表面上粘貼完好無損的應變片，然后對準應變片中心鉆孔(孔徑一般為1.5mm3mm,孔深為1.0mm3mm);由于鉆孔產生的局部釋放應力會使電阻應變片感應到，這種變化以應變的形式由應變測量儀輸出數據，在該鉆孔處第一主應力(H和第二主應力Z以及主應力方位角?？捎晒?2.1)計算得到。式中si£2e3分別為應變片中3個方向感受到的釋放應變，單位為科fA、B為釋放系數，與應變片、

10、鉆孔孔徑、孔深大小以及被檢測母材的彈性模量E、泊松比科有關，通過標定試驗可將A、B釋放系數求出。根據ASTM標準，A、B釋放系數也可由公式(2.2)求出，a=0.111,b=0.297。應變片3個方向釋放應變示意圖如圖2.4所示。%+3一.值一鳥產+(2%-Ei-Eg)叫=盤仁+，)+專值一片尸+%)(1)ta瞰二生電飛匕斛匚核瞅(2)-=(4)在此處鍵入G1對稱軸圖3.應變片示意圖Fig.3Sketchofrosette。為第一主應力（T侑應變花中1號應變片參考軸的夾角，順時針取向。主應力方向角。與應變花的編號次序和參考軸選取有關，（2.1）式適用于圖2.1所示系統。確定。角時還要按公式（2

11、.3）的分子分母的正負號確定象限，計算出。按下表2.6取值。表3。角取值Table3Valueofangle0'XY計算值主應力方向角+00+-9900+0-9900+0-+992.2殘余應力測試設備本試驗殘余應力測試設備采用西格瑪生產的型應變應力綜合測試儀，如圖4所示。該應變測量儀操作簡單，可直接讀出結果。鄭州機械研究所生產的ZDL-n型盲孔法測殘余應力鉆孔裝置和TJ120-1.5-1.5型應變花。圖4應變測量儀Fig.4Straingauge2.2殘余應力測量步驟測量之前先打開應變儀，連接好導線，電烙鐵要預先加熱，要準備好美工刀片、剪刀、502膠水、防沾塑料紙、丙酮、砂紙、砂輪片、

12、磨光機、棉花球、鐐子、鉆頭、電鉆、鉗子、扳手、記錄數據用的筆和紙、計時用的手表或手機，應變片要事先買好。具體測量步驟如下：1）對試板表面進行處理，用砂輪去除焊縫余高，再用鐵刷或紗布打磨去除試板表面氧化皮和銹跡，然后用100目左右的砂布交叉打磨，達到Ra值3.26.4,用丙酮擦拭試板,初步去除試板表面油污。根據實驗計劃，用劃針輕輕劃出貼應變花的測點位置（劃十字在此處鍵入線）。用棉花球或紗布蘸取丙酮多次擦洗直至棉花球或紗布上無污點為止，從而徹底清除試板表面殘留鐵屑、粉末。另外，需要注意的是：表面制備是殘余應力實驗過程中的一個重要環節，根據粘貼應變片的要求，必須保證試板粘貼表面無油污，清洗過的試板表

13、面不許用手以及其他物體接觸。2）應變花的粘貼粘貼應變花之前，應對應變花進行外觀檢查，防止應變花質量問題對實驗帶來不利影響。用棉花蘸少許丙酮對應變花粘貼面進行表面處理，去除應變花粘貼面可能存在的油污。采用優質502膠水進行貼片。在試板應變花粘貼標記位置滴上一小滴膠液，然后放置在工件表面上，此時可以微動應變片，從而保證應變片的位置正確。最后在應變花上面覆蓋一張聚四氟乙烯薄膜，用大拇指壓12分鐘后，檢查貼片是否成功。對應變花粘貼不成功的，可用丙酮清洗應變花周圍，從而使應變花從試板表面脫落，進行重貼。固化時間一般56小時即可進行測量。為提高粘接強度，固化24小時可達最大粘接強度。試板表面粘應變花如圖4

14、所示。3）焊接導線輕輕拉起應變花的6根引線，在接近應變花基底部位粘上絕緣層（建議用滌綸絕緣膠帶）。在絲柵部位覆蓋一小塊絕緣膠帶，將引出線蓋住一部分，一方面鉆孔時防止鐵屑損壞絲柵或引起短路，另一方面加固引出線不致被拉斷。建議使用接線端子，將端子用502膠粘在被測構件上，用2030W電烙鐵先將引出線與端子焊接起來，再把端子與導線焊接起來。應力測量儀調零，觀察應力測量儀數值是否穩定，若不穩定，要重新檢查應變花的焊接點是否焊好或應變花有沒有與其它金屬接觸導致短路。（a）堆焊處殘余應力測量圖（b）對接接頭殘余應力測量圖5110Kg級軌道高碳鋼焊接殘余應力測量Fig.5 thetestofweldingr

15、emainstressof110Kgpathwaysteel4）鉆孔選用尺寸中1.5mm的鉆頭，打開手電鉆對準應變花上的中心點進行鉆孔，手持電鉆盡可能保持平穩，并垂直工件表面，壓力適中直鉆到預定孔深，撥出鉆桿。待10-20分鐘后直到顯示器上的讀數逐漸穩定后，按打印按鈕等待數據自動打印出來。5）按同樣的方法依次對所有點進行測量。3、焊接殘余應力分布情況及形成原因在此處鍵入根據上述盲孔法測殘余應力步驟分別對軌道鋼對接接頭、堆焊接頭進行測量，測量位置如圖6所示?？诳诳诳诳诳诳诳诳诳诳诳赽）軌道對接接頭表面殘余應力測試位置口口口口口口口口c）軌道對接接頭側面殘余應力測試位置d）軌道側面堆焊處殘余應力測

16、試位置圖6殘余應力測量位置示意圖Fig.6 thesketchesofthetestpositionoftheremainstress在上述位置利用盲孔法測得主應力大小、主應力方向角后利用公式5、公式6分別計算出焊縫縱向及橫向殘余應力大小。結果如表2、表3所示。%+/他一外）26tL=-+:55（5）%+取（%一附）26="22表4縱向殘余應力測試結果/MpaTable4Thevalueofremainstress/Mpa測點殘余應力測點殘余應力測點殘余應力測點殘余應力測點殘余應力1877813118191525642-78-161412220-826-331590158021712

17、7164411039164122184281185100111517102321329275697126518312415330480在此處鍵入a）對接接頭不同位置殘余應力變化曲線b）堆焊不同位置殘余應力變化曲線圖7縱向殘余應力隨距離焊縫位置變化而變化Fig.7Therelationshipbetweenremainstressandthedistancetotheseam圖7是縱向殘余應力隨距離焊縫位置變化的曲線圖。其中圖7a是對接接頭不同位置處縱向殘余應力變化曲線，從中可以發現在焊縫中心處殘余應力最大，距離焊縫中心越遠則殘余應力越小。另外，還可以發現軌道蓋面層處測得的殘余應力較其他位置要高

18、，這可能是由兩方面原因造成的。首先，該處選擇的焊材為耐磨材料，硬度較大，拘束力較大；其次，該位置處于軌道最上面，焊接層數對多。圖7b是軌道兩側堆焊層不同位置的殘余應力變化曲線，從中可以發現在焊縫中心處殘余應力最大，距離焊縫越遠則殘余應力越小。該處焊接殘余應力明顯高于對接接頭，這與軌道在使用過程中容易在該位置形成疲勞裂紋，造成焊接構件損壞是相吻合的。表5橫向殘余應力測試結果/MpaSheremain5trssofweIddepa&ilDi&1snce1othesearrHmm)DistariiEBIothe1heMgiriofbotomsuf»ce(MP#|*thsft

19、mairtofth*theremain&ir電石sofEhelefts>id«surtace4Mpa)a）對接接頭不同位置殘余應力變化曲線b）堆焊不同位置殘余應力變化曲線Table5Thevalueofremainstress/Mpa測點殘余應力測點殘余應力測點殘余應力測點殘余應力測點殘余應力1137100131881938251042-28261421220-926-7320944151902110027384681043161772219128234512811271713232132936761101212418442415330517圖7橫向殘余應力隨距離焊縫位

20、置變化而變化Fig.7Therelationshipbetweenremainstressandthedistancetotheseam在此處鍵入圖7是橫向殘余應力隨距離焊縫位置變化的曲線圖。圖7是橫向殘余應力隨距離焊縫位置變化的曲線圖。其中圖7a是對接接頭不同位置處橫向殘余應力變化曲線，從中可以發現在焊縫中心處殘余應力最大，距離焊縫中心越遠則殘余應力越小。另外，還可以發現軌道蓋面層處測得的殘余應力較其他位置要高，原因與上面介紹的是相同的。圖7b是軌道兩側堆焊層不同位置的殘余應力變化曲線，從中可以發現在焊縫中心處殘余應力最大，距離焊縫越遠則殘余應力越小。該處焊接殘余應力明顯高于對接接頭，這與軌道在使用過程中容易在該位置形成疲勞裂紋，造成焊接構件損壞是相吻合的。4、降低軌道鋼焊接殘余應力方法分析由以上研究可以發現在軌道鋼焊接過程中容易形成很高的焊接殘余，導致疲勞裂紋形成，降低軌道的使用壽命。采取相應的措施減少殘余應力十分有必要，在今后的生產過程中應主要從焊接前盡量選擇含碳量低、拘束力小的焊接材料進行