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12021年度申报专业技术职务任职资格评审答辩论文题目：高强钢 Q690 的焊接残余应力及疲劳断裂分析研究作者姓名：*单位：* 公 司申报职称：工程技术中级工程师专业：机械工程2021 年 10 月 15 日1高强钢 Q690 的焊接残余应力及疲劳断裂分析研究摘要：高强钢 Q690 具有较高的屈服强度及抗拉强度，作为一种高强度钢被广泛应用于水电站压力钢管及蜗壳、水轮发电机支架构件、大型起重吊具及起重机臂架、各种大型工程结构构件、工程机械等场合使用的液压支架、平板运输车制作中，在焊接过程中，焊接接头局部必然会产生不均匀的热塑性变形和相变，形成自平衡的焊接残余应力场。这些焊接结构长期受到各种复杂载荷的作用，焊接接头处容易萌生裂纹。本文以高强钢 Q690 为研究对象，采用盲孔法测试残余应力、疲劳试验机、OM（光学显微镜）观察等研究方法，对焊接后的 Q690 钢板进行测试残余应力测试、疲劳测试及微观组织观察。关键词：Q690 高强钢；微观组织；焊接残余应力；晶粒细化；0. 引言随着科技的发展和社会的进步，机械结构朝着大型化、轻量化发展， 这对结构的材料的强度提出的更高的要求。高强钢 Q690 具有较高的屈服强度及抗拉强度，作为一种高强度钢被广泛应用于水电站压力钢管及蜗 壳、水轮发电机支架构件、大型起重吊具及起重机臂架、各种大型工程结构构件、工程机械等场合使用的液压支架、平板运输车制作。高强度钢被广泛应用于机械各行各业，它在焊接过程中不可避免产生焊接残余应力1,2。Q690 高强钢焊接件内的焊接残余应力可能直接或间接的影响其焊接结构在循环载荷作用下的承载能力，为了保障焊接结构的设计以及使用安全，研究焊接结构的残余应力分布是很有价值的3-6。焊接是一个相当复杂的过程，其牵涉到温度场、应力应变场和组织相变场之间的相互耦合。在实际焊接过程中，会伴随着金属的熔化与凝固、2组织的相变，焊接的变形和残余应力的产生等多种现象7,8。焊接残余应力是一种存在于结构内部自平衡的内力，计算焊接结构内部的残余应力单纯的通过理论的方法是不太可靠的，实验的方法成本太高且不足以完整确定焊接残余应力的分布9。研究焊接结构在循环载荷作用下承载能力的关键，是得到焊接残余应力的分布情况，为了获得比较准确的数值，通常采用盲孔法进行残余应力测试。本文实验研究采用厚度为 8mm 的 Q690 高强钢，研究其焊接残余应力、疲劳断裂性能以及焊接对微观组织变化的影响。1. 实验材料及方法本次试验以高强钢 Q690 为研究对象，采用盲孔法测试残余应力、疲劳试验机、OM（光学显微镜）观察等研究方法，对焊接后的Q690 钢板进行测试残余应力测试、疲劳断裂性能测试及焊接后微观组织进行观察。焊接过程中温度场、应力应变场、组织场的关系如图 1 所示。图 1焊接过程中温度场、应力应变场、组织场的关系示意图本 次 实 验 试 样 材 料 为Q690高 强 钢 , 钢 板 采 用 的 尺 寸120*100mm*8mm。在进行焊接实验时，在钢板上开V 型坡口（如图33所示），保证焊接时钢板能够完全焊透。在焊接前应对坡口及其附近边缘区域表面内的铁锈、油等污渍进行打磨干净，保证焊接后的钢板焊接质量。实验采用 Q690 化学成分如下表所示：表 1 Q690 的化学成分（wt%）CSiMnPSCrAlMoTiCuNbNiV0.1500.3501.3100.0120.0020.2700.0340.1600.0160.0900.010.0300.045w(Mn)w(Cr)+w(Mo) + w(V )w(Cu) + w(Ni)注： Ceq = w(C) +6+515图 2焊接母材图 3V 型坡口示意图表 2Q690 高强度钢的机械性能为了保证焊接质量，焊材选择需要满足等强度、等韧性、等成分要求。根据规范，为了保证Q690 材料的焊接质量，本文选用的焊丝为TWE-110K3 药芯焊丝， 焊丝直径 1.2mm ， 其电流适用范围为140A-260A，采用的焊接电压范围为20V-30V，焊丝的伸出长度为15mm-25mm。可以充分保证焊接工作的顺利进行，以及焊接后的焊缝4焊接质量要求。TWE-110K3 焊丝化学成分如表 3 所示，熔敷金属机械性能如表 4 所示。表 3TWE-110K3 焊丝化学成分（%）表 4熔敷金属机械性能残余应力测试采用盲孔法，按照操作规范要求进行操作，根据应变片贴的位置，正确安装钻孔装置，按照打孔的步骤进行钻孔，利用西格马软件读取实验后的应变数据，并进行记录数据。图 4 钻孔装置图 5 钻孔装置图 6 应变片疲劳断裂试验实验通过对截取多处焊接接头的组织进行金相分析，判断热影响区的大致范围，在热影响区内开 3mm 的切口，然后在焊接平板上制作 CT 拉伸试样，按照断裂韧性实验手册进行断裂韧度实验。疲劳断裂试验完后，分别在断裂裂口位置和远离裂口位置进行取样，制作镜像实验观察块，采用 OM（光学显微镜）观察其微观组织。52. 焊接实验本试验严格按照焊接试验规范，通过焊接机器人对 Q690 钢板进行焊接，等到焊接件冷却后，通过盲孔法测试残余用力，测量试样板上布置的实验测试点的焊接残余应力。本实验目的是为了获取给定尺寸的 Q690 钢板焊接后的残余应力分布情况，为下一步焊接接头疲劳断裂韧度的实验提供重要参数。2.1 焊接工况本文所研究的 Q690 高强钢钢板焊接接头的焊接方法为熔化极惰性气体保护焊，采用焊接机器人自动焊接，如图所示，其焊接参数采用焊接电流为 200A，焊接电压为 22V，焊丝的伸出长度为 20mm，焊接速度为 2mm/s，焊接过程为单道焊焊接。图 7 焊接机器人图 8 钢板固定方式 图 9 焊后示意图在焊接机器人进行焊接时，采用专用夹具把钢板固定在焊接机器人的工作台上，如图所示，保证焊接过程中焊件固定在原有位置。图中为焊接机器人焊后焊缝的效果图，从图中可以看出，焊缝区高于平板，其焊缝区6被焊接填满，焊高满足本文实验要求。2.2 残余应力场的测试本文参考 通过钻孔应变计测量残余应力的标准试验方法ASTME837-2001，进行焊接残余应力的测量试验10,11。本次测量试验使用a 型应变计，应变计按照实验的要求进行排列布置。使用应变计需要钢板的光滑表面，对试件表面需要通过砂纸打磨光滑， 使其表面的粗糙度满足实验要求，最后使用酒精清清洗贴应变计表面，然后通过 502 胶水将应变计贴到试样表面，如图 10 所示。图 10应变计与试样准备图 11测点位置示意图2.3 残余应力测量点位置的选择通过砂纸磨平焊缝增高，消除应力集中。为了获取更为可靠的数据， 测量残余应力的测点分布在三条垂直于焊缝的线上，线 A 、B、C 的分布情况如图所示，每条线上分布 6 个测试点，每个测点距离为 10mm。测点示意图如图 11 所示，焊接残余应力大小分布如下表所示。2.4 测点残余应力数据为了获得较为可靠的数据，本次实验采用盲孔法测量两块在相同条件7下焊接的焊接板块。根据测点位置贴好应变片，依次测得相应测点上的残余应力值，如表 5 所示。表 5试样测量点焊接残余应力分布从实验结果可以看出，横向残余应力在焊缝处值比较大，远离焊缝处残余应力值开始变小，横向残余应力的最大值在焊缝热影响处。纵向残余8应力在焊缝处残余应力较大，远离焊缝区纵向残余应力开始变小，并且在焊缝中心处残余应力达到最大值。残余应力的分布在焊缝热影响处最大， 随后离焊缝中心越远，残余应力越小。3. 疲劳断裂试验3.1 疲劳试验机本次做断裂韧性实验所用装置为 MTS 370 型疲劳试验机，拥有立式框架结构高精度动态电液伺服试验系统， 其最大的加载载荷为100KN，采样频率为 10Hz，能够完成各种高精度和高重复性耐久、断裂韧性、疲劳裂纹扩展等模式测试。MTS 疲劳试验机结构紧凑，控制集成高，拥有很高的测量精度。如图所示。图 12 MTS 370 型疲劳试验机 图 13 夹头 图 14 U 型销轴夹具3.2 实验夹具及量规实验夹具如图 13，在本次断裂韧性试验中，根据疲劳试验机加载头的特点，用型号为 647.010A 型扁平夹头。由于试样为紧凑拉伸试样， 该试样采用销轴孔固定，所以选用相应的 U 型带销轴夹具。9在断裂韧性试验中，裂纹的长度可以根据紧凑拉伸试样缺口张开位移而计算出来。为了准确获得裂纹长度，则需要测得试样缺口张开位移的变化量， 本试验选用 COD 量规测量试样缺口位移，如图 15 所示，其测量范围为-1mm 到 3mm，满足实验的测量要求。图 15COD 量 规3.3 焊接接头断裂韧度测定实验本试验根据金属材料平面应变断裂韧度KIC 试验方法国家标准， 采用 MTS 疲劳试验机对从焊接接头上取的紧凑拉伸试样进行断裂韧度KIC 试验。本实验的在于测量热影响区的断裂韧性值，研究残余应力对断裂韧性的影响情况。试验过程与结果分析，断裂韧性实验根据实验手册施加线性增长的载荷，载荷增长的速率为 0.741kN/s，如图 16 所示为载荷随时间的曲线图。在开始阶段，裂纹口随着载荷的增大微微张开，试件还处于线弹性变形阶段；随着载荷的不断变大，试件裂纹尖端区域开始发生塑性变形，裂纹尚未扩展；随着载荷的继续增大，载荷达到临界载荷，裂纹开始扩展， 试件裂纹尖端区域塑性变形很明显，在厚度方向也有了明显的缩颈现象；10随着载荷的继续增大，其应力强度因子大于该厚度下的断裂韧性值，裂纹发生快速扩展，直接被拉断。试件被拉断的示意图如图 所示。图 16 载荷时间增长曲线图 17 试件被拉断试验结束后，通过后处理软件对实验结果处理生成报告，得到位移- 载荷曲线图；在报告中得到该次实验中最大载荷 Pmax、临界载荷 PQ 和该厚度下平面断裂韧度值KIC，如表 6 所示 。表 6 断裂韧度测定试验数据与结果输出在表 6 中可知，在 8mm 厚度的平板下，Q690 母材的断裂韧度值为 5.226 kN/mm1.5 ， 而焊缝热影响区的断裂韧度值为 3.960 kN/mm1.5 ，两者相比而言，焊缝热影响区的断裂韧度值小于母材区的断裂韧度值，比较符合焊接结构的断裂事故常发生于焊缝热影响区的实际情况。114. 金相结果分析图 18 裂口位置取样图 19 远 焊 缝 区 取 样OM（光学显微镜）观察相同同倍数下断裂处的金相组织和远离焊缝区的金相组织图。从图中可以看出缺口处组织晶粒相比于远离焊缝区的金相组织更为粗大，其微观组织表征可以得出其断裂韧性值更低，符合在焊接接头处断裂韧性下降的实验现象。5. 结论图 20 断裂缺口金相组织图 21 远离焊缝区金相组织本文主要以 8mm 厚的 Q690 高强钢平板为研究对象，对焊后残余应力、焊接接头处的断裂韧度值进行实验测试。对于焊接残余应力分布进12行分析，横向残余应力和纵向残余应力均在焊缝处的值都比两端的残余应力应力值要大，残余应力的曲线的趋势为焊缝处残余应力大，远离焊缝区慢慢减小。对于焊接接头处断裂韧度值的测试，本文测试了两组数据和参照了一组母材的断裂韧度值测试， 两组所测得断裂韧度值为3.96KN/mm1.5 和 3.76KN/mm1.5，母材的断裂韧度值为 5.22KN/mm1.5，分析得知残余应力导致断裂韧度值下降了 24%。同时实验结果为高强钢 Q690 广泛应用于水电站压力钢管及蜗壳、水轮发电机支架构件、大型起重吊具及起重机臂架、各种大型工程结构构件、工程机械等场合使用的液压支架、平板运输车制作等应用提供参考。参考文献：1 刘素鹏, 蒋有辉, 李迁,等. 焊接热输入对 Q690 高强度桥梁钢焊接热影响区粗晶区组织与力学性能的影响J. 材料热处理学报, 2020, v.41;No.236(02):158-163.2 罗登, 张志云, 郑生斌. Q690 钢焊接接头微观组织对冷裂纹的影响研究J.矿冶工程, 2020, v.40;No.192(02):117-121.4 陈磊. Q690 焊接箱形高强钢柱稳定性能数值模拟J.福建质量管理, 2020,000(002):196.5 李朋,陈希章, 胡超.Q690 焊接接头组织及其残余应力分布研究 J.热加工工艺 ,2014, 043(023):212-214.6 王玉ft , 杨桂从.TANDEM 焊接技术和 Q690 高强钢板在液压支架上的应用 J. 2021(2013-23):152-153.7 郭魁文, 朱健, 王秉新.Q460q 钢模拟焊接热影响区组织及韧性研究J. 焊接技术,2010,(7).15-17.doi:10.3969/j.issn.1002-025X.2010.07.005.8 徐济民, 吴振宇, 苏毅. 焊接残余应力对裂纹闭合与疲劳裂纹扩展速率的影响J. 清华大学学报. 1988, 28(2): 23-30.9 杜全斌, 张肇伟, 张黎燕,等.焊后处理对 Q690 钢接头组织及性能的影响 J. 煤矿机械,132020(3):101-103.10 张沛心. 典型焊接接头疲劳裂纹扩展中焊接残余应力及其重分布研究 D. 江苏科技大学, 2016.11 郑振太.大型后壁结构焊接过程的数值模拟研究与运用D.天津大学材料加工工程，2007.14