奧氏體304不銹鋼角焊縫連接受力性能試驗研究

奧氏體304不銹鋼角焊縫連接受力性能試驗研究

0不銹鋼結(jié)構(gòu)焊縫連接國內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)金相結(jié)構(gòu)，不銹鋼可分為五個主要組：身體型、鐵素體型、馬氏體型、雙相體型和沉淀硬化型。在20世紀(jì)80年代以前,不銹鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于次要建筑結(jié)構(gòu)如房屋立面、屋頂?shù)难b飾等,然而近年來,隨著不銹鋼技術(shù)的不斷發(fā)展,不銹鋼結(jié)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用到主體結(jié)構(gòu)中。相對于歐美國家,國內(nèi)不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究開展較晚,但是也已經(jīng)取得了一定成果,如不銹鋼材料力學(xué)性能的研究,不銹鋼受彎構(gòu)件的承載性能、整體穩(wěn)定、殘余變形的研究,以及不銹鋼連接節(jié)點研究等。但在焊縫連接方面,由于焊接節(jié)點的力學(xué)性能難以通過準(zhǔn)確的理論方法進(jìn)行分析,因而國內(nèi)外有關(guān)這一方面的研究較少。不銹鋼焊縫連接試驗研究最早的是由康奈爾大學(xué)Errera等人在20世紀(jì)70年代進(jìn)行的,他們研究了由Winter在1956年提出的冷彎薄壁碳素鋼焊接連接的設(shè)計公式對不銹鋼焊接連接的適用性;1994年歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會對EN1.4307和EN1.4404材料通過全熔透對接焊縫連接的試件以及EN1.4462雙相不銹鋼的所有形式的焊縫連接試件進(jìn)行了試驗研究;2003年Talja等人對冷加工后的不銹鋼焊接性能進(jìn)行了研究。目前國內(nèi)對不銹鋼結(jié)構(gòu)焊縫連接的研究,主要在船舶、機(jī)械、石油化工等行業(yè)成果較多,但由于研究目的和研究內(nèi)容的不同,其他行業(yè)中得到的成果很難直接應(yīng)用于土木工程中。因此,本文通過對我國06Cr19Ni10不銹鋼進(jìn)行角焊縫連接中的正面角焊縫和側(cè)面角焊縫連接受剪試驗,以期得到較全面的適用于我國不銹鋼角焊縫連接設(shè)計的方法,為我國不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的編制提供參考。1試件的描述和描述試驗研究內(nèi)容為06Cr19Ni10不銹鋼角焊縫受沿焊縫方向的剪力和垂直于焊縫方向的拉力共同作用下的性能及破壞形態(tài)。焊條采用E308-16,焊絲采用H08Cr21Ni10,焊縫全部采用等角焊,焊腳尺寸取6mm,焊接時通過引弧板消除起落弧對焊縫的不利影響,焊接后焊縫表面保持原始狀態(tài),不做打磨處理。試件包含正面角焊縫和側(cè)面角焊縫連接兩種類型,每種類型考慮焊條電弧焊(SMAW)和鎢極氬弧焊(TIG)兩種焊接工藝,共計4組12個試件。試件的編號規(guī)則如下:第1位字母代表焊接工藝,第2部分表示焊縫位置(側(cè)面角焊縫為CFW,正面角焊縫為ZFW),第3部分?jǐn)?shù)字表示試件排序號碼和角焊縫在試件中的位置。例如SCFW-2-4,表示SMAW工藝下側(cè)面角焊縫連接試件中的第2個試件中的4號焊縫。按照《金屬材料拉伸試驗第一部分室溫試驗方法》(GB/T228.1—2010)的要求加工制作的不銹鋼鋼板標(biāo)準(zhǔn)試件,經(jīng)試驗得到8mm厚鋼板的極限強(qiáng)度為650MPa,詳細(xì)方案及結(jié)果參見文獻(xiàn)。1.1試驗件的制作和加工加工(1)側(cè)面角焊縫試件每種工藝各制作3個試件,板材均為8mm厚,共2組6個試件,詳細(xì)尺寸見圖1。試驗前測量出各條焊縫的實際長度lw,實際焊腳尺寸hf和有效截面的焊喉高度he見表1。試件如圖2所示。(2)正面角焊縫試件試件采用線切割方法從樣坯中取樣加工出正面角焊縫試件,每種焊接工藝各制作3個試件,共2組6個試件,取樣位置見圖3,詳細(xì)尺寸見圖4,試件實拍圖片如圖5所示。試驗前測量出各條焊縫的實際長度lw,實際焊腳尺寸hf和有效截面的焊喉高度he見表2。1.2加載試驗速率試驗在CSSWAW1000DL電液伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行單調(diào)靜力緩慢加載,試驗速率由位移控制,加載速率為1mm/min直至試件破壞。試驗裝置如圖6所示。2試驗現(xiàn)象和結(jié)果2.1試驗結(jié)果分析通過試驗觀察,除TCFW-2外,其他側(cè)面角焊縫試件的破壞均發(fā)生在焊縫處,試件破壞如圖7所示;其中SCFW-1試件破壞時,所有焊縫均斷裂破壞,其余試件破壞時,只有兩條焊縫斷裂。TCFW-2試件的破壞形式表現(xiàn)為中間寬板被拉斷,斷面出現(xiàn)緊縮,焊縫處未出現(xiàn)明顯的破壞,分析其原因可能是該板在切割時截面被過度削弱的緣故。試件破壞后,測量焊縫的破壞面與焊縫直角邊的夾角,發(fā)現(xiàn)破壞角度均在45°～70°之間,平均為54°,基本接近45°,符合普鋼直角角焊縫的破壞模式。部分焊縫破壞角度較大,原因可能是試件角焊縫兩直角邊的焊腳尺寸不一致,從而影響破壞面的角度。(2)變形性能分析試驗中得到的側(cè)面角焊縫試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示,對于板厚為8mm的側(cè)面角焊縫試件,由圖可知,TIG試件在達(dá)到極限強(qiáng)度之前有很長的變形過程,其極限變形明顯大于SMAW試件的極限變形。就最終結(jié)果來看,TIG和SMAW的焊縫變形均比較大。(3)極限強(qiáng)度對比將不同焊接工藝的試件的試驗結(jié)果列于表3,結(jié)合表1根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017—2003)(簡稱鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范)相關(guān)公式計算側(cè)面角焊縫的極限強(qiáng)度。由試驗結(jié)果可知,采用TIG焊接的側(cè)面角焊縫抗剪強(qiáng)度要高于SMAW焊縫的相應(yīng)強(qiáng)度。2.2試驗結(jié)果分析試驗中觀察到所有試件破壞時均只有1條焊縫斷裂破壞,幾乎所有試件破壞均發(fā)生在焊縫有效截面最薄弱部位,最后焊縫突然破壞,沒有明顯征兆。符合理論的破壞特征。只有SZFW-1試件破壞發(fā)生在2號焊縫即非最薄弱部位處,但是其截面面積與最薄弱處的截面面積相差很小,可能是該焊縫存在內(nèi)部缺陷等問題。試件破壞如圖9所示。試件破壞后從試驗機(jī)上取下,測量焊縫破壞面與焊縫直角邊的角度,發(fā)現(xiàn)破壞面角度均在30°～45°之間,平均為39°,與假定的有效截面45°非常接近。(2)變形性能分析試驗中得到正面角焊縫試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10所示,由圖可知,TIG試件的破壞形式為脆性破壞,原因為正面角焊縫連接中其應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜,存在應(yīng)力集中的影響,與普鋼正面角焊縫連接的破壞形式一致;而SMAW試件極限變形相對較大,在達(dá)到極限強(qiáng)度之前強(qiáng)度有較大突變,可能是SMAW試件的焊縫質(zhì)量不容易保證,焊縫存在內(nèi)部缺陷的緣故。(3)極限強(qiáng)度對比將不同焊接工藝的試件的試驗結(jié)果列于表4,結(jié)合表2根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范相關(guān)公式計算正面角焊縫的極限強(qiáng)度。由試驗結(jié)果可知,采用TIG焊接的正面角焊縫抗剪強(qiáng)度要高于SMAW焊縫的相應(yīng)強(qiáng)度。2.3試驗結(jié)果分析為了得到正面角焊縫相對于側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度提高系數(shù),將側(cè)面角焊縫與正面角焊縫的強(qiáng)度進(jìn)行對比并列于表5,由于TCFW-2試件破壞不在焊縫處,不計入這個試件的數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):(1)不銹鋼正面角焊縫試驗中破壞面角度接近45°,符合直角角焊縫破壞發(fā)生在45°有效截面處的假定。(2)采用TIG焊接的角焊縫強(qiáng)度均高于SMAW焊接的強(qiáng)度;與SMAW焊接角焊縫相比,TIG焊接角焊縫的變形特征與普鋼角焊縫更為相符。(3)根據(jù)表5對比得到,正面角焊縫的強(qiáng)度與側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度差值在6%以內(nèi),且由于不銹鋼焊縫較小,復(fù)雜應(yīng)力的影響較大,建議不考慮正面角焊縫的強(qiáng)度提高。3模型參數(shù)定義試驗中試件破壞均發(fā)生在接近45°有效截面處,表明不銹鋼角焊縫破壞特征與普通鋼結(jié)構(gòu)中角焊縫破壞特征相似,因此強(qiáng)度計算可采用與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017—2003)中對普鋼結(jié)構(gòu)正面角焊縫相同的公式,即正面角焊縫時σf=N/helw≤βfffw;側(cè)面角焊縫時τf=N/helw≤ffw,式中參數(shù)含義見鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,ffw可取為ffw=0.42fu。試驗中測得的正面角焊縫與側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度相近,參考?xì)W美規(guī)范比較結(jié)果,建議取正面角焊縫強(qiáng)度提高系數(shù)βf=1.0,角焊縫焊接工藝優(yōu)先選用氬弧焊。4不銹鋼結(jié)構(gòu)角焊縫強(qiáng)度設(shè)計基本原則(1)通過不銹鋼結(jié)構(gòu)角焊縫連接試