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1、在此处键入起重机轨道高碳钢焊接残余应力分析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 wel
2、ding of crane railway was 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 val
3、ue and distribution of 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 2
4、12Mpa; the remain stress 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
5、同，但起重机轨道通常均用 C、Mn 含量较高的 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
6、材料、设备及方法本实验采用 150mm 长 110kg 级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在此处键入Table1.The chemical
7、 composition of 材料 110Kg 级轨道 钢 CHE50 J857 GFL-71a）焊接电源 b）送丝机、焊枪图 1 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
8、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在此处键入增强焊缝的抗磨性，延长轨道使用时间。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
9、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 welding 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-711.4230-28026-30212-353 2、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
10、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
11、 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= 4(1+ 3) 4(1 3)2+ (22 1 3)(1)2= 4(1+ 3)+ 4(1 3)2+ (22 1 3)tan2 =22 1 33 1(2) = (1 + ) 2)(3) = (1/2)(4)tan2 = 在此处键入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
12、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 + +-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
13、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） 。在此处键入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
14、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
15、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、
