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高温后正面角焊缝抗拉剪切强度的试验

来源：小侦探旅游网

第30卷第9期2009年9月

焊　接　学　报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vol.30　No.9September　2009

高温后正面角焊缝抗拉剪切强度的试验

　　　　　　　陈建锋

1,2

,　曹平周,　董先锋

　　　　　　　　　　(1.河海大学土木工程学院,南京　210098;　　　　　　　　　　　2.长安大学建筑工程学院,西安　710061)

摘　要:为了研究高温后正面角焊缝抗拉剪切强度变化规律,对双盖板角焊缝试件加热至不同高温,再采用自然冷却和喷水冷却两种方式冷却到常温,然后进行拉伸试验.试验表明,经历高温不超过500℃的试件冷却后破坏方式为中间钢板母材拉断.经历高温超过500℃后冷却的试件都在角焊缝焊喉处脆性断裂;经高温冷却后正面角焊缝抗拉剪切强度受所经历最高温度值、冷却方式影响较大,900℃以内最大降低10%.根据试验结果,建立了高温后正面角焊缝抗拉剪切强度计算公式.结果可供火灾后钢结构损伤评估和加固分析时参考.

关键词:正面角焊缝;高温后;抗拉剪切强度;试验中图分类号:TG407　　文献标识码:A　　文章编号:0253-360X(2009)09-0081-04

陈建锋

0　序　　言

钢结构一般是由零件通过连接制成构件,再把构件连接形成整体结构,连接在钢结构中具有相当

重要的作用.焊接连接由于构造简单、加工方便、刚度大、密闭性好、生产效率高等诸多优点,成为现代

[1,2]

钢结构的最主要连接方法.焊接连接的相关性能是金属结构研究领域的热点,有关常温及低温下焊接连接力学性能已有较多成果可供参考.火灾是一种多发灾害,其对钢结构造成的损伤尤为严重,目前关于高温及高温后的焊缝力学性能的变化规律,国内外尚未见相关文献报道.研究焊缝经历高温及冷却方式对焊缝力学性能的影响,对火灾后钢结构受损评估鉴定有着重要的意义.

文中对正面角焊缝经历不同高温,再采用不同降温方式进行冷却后的力学性能进行了试验,探讨正面角焊缝达不同高温再经不同方式冷却后的抗拉剪切强度的变化规律.

[3,4]

1　试验方法

1.1　试验方案

通常火灾初期升温较快,有时几分钟火灾温度就可达到400℃以上,一般火灾温度均超过400℃.

收稿日期:2009-02-16基金项目:江苏省“六大人才高峰”资助项目(06-F-018)

火灾发展后期升温较慢,升温到900℃,通常需要45

[5]

min以上.根据试验及火灾案例表明,对钢结构而言,当温度T≤900℃时,由于结构内部构件相互约束作用,结构仍具有一定承载能力,火灾继续升温钢

[6]

结构会出现垮塌现象.为对经历火灾后未倒塌的钢结构安全评估与鉴定提供依据,文中研究高温后采用不同冷却方式,正面角焊缝抗拉剪切强度变化规律.考虑钢结构发生火灾后,有消防喷水灭火和无法实施消防灭火、燃烧材料燃尽自然灭火两种方式,试验分别设定试样达到不同高温(400,500,600,

),然后采取自然冷却和喷水冷却700,800和900℃

两种方式至常温,再进行试样的轴向拉伸试验.通过试验,研究试样的破坏形式和断面位置及最大拉断力,确定正面角焊缝的抗拉剪切强度随所经历的最高温度值及冷却方式的变化规律.试件制作和试验方法依照国家标准GBΠT157471995《正面角焊

[7]

缝接头拉伸试验方法》进行.1.2　试件制作

试件选用Q235B热轧钢板制作,化学成分符合国家标准GBΠT7002006《碳素结构钢》的要求.根据试验的温度设计和冷却方式要求,设计了13组试件(其中包括一组用于对比分析的常温试验试件),每组两个,总计26个.文献[7]提供了两种形式的试件,分别为十字接头试样、双盖板接头试样.考虑便于加热试验的实施同时尽可能减少试件高温冷却所产生的残余变形,试验选用双盖板接头,加工成图1试样.

　82焊　接　学　报第30卷

Q2为试验用压力喷头出水量;A为试验板件单侧面

积.

式中消防指标按国家标准GB500451995《高

层民用建筑设计防火规范》选取,t1=2h,Q1=15LΠs,r=15m.A为实测板件单侧面积,Q2为现

图1　双盖板角焊缝试件(mm)

Fig11　Geometryofdoublestrappedjointspecimens

场实测压力喷头出水量,该值稳定在35mLΠs,由式(1)可以估算出试验模拟喷水时间.

冷却后的试件考虑时效影响,在自然条件下放置三天,然后进行常温正面角焊缝拉伸试验.测定拉断载荷,并记录断口位置、断裂特征.

2　试验结果与分析

试件在江苏保龙机电制造有限公司制作,为了实现所有试件具有相同的加工工艺和环境,制作时

先采用四块钢板一次焊成同样截面的长构件,两端去掉30mm后,按试验方法中要求,机械加工成35mm宽、410mm长的设计试件.试件的焊缝采用自动埋弧焊,焊接工艺参数如表1.采用这种加工方法,可不考虑焊缝起灭弧的影响,取焊缝长度方向全部有效.

表1　焊接工艺参数

Table1　Weldingparameters

焊剂型号

F4A2

2.1　试验破坏特征试验显示,试件断裂分两种情况:第一种为中间

钢板母材拉断.断口处横截面有明显颈缩,试件呈现塑性破坏.此类试件主要为所经历高温不超过500℃的试件;第二种为角焊缝断裂.经历高温超过500℃后冷却的试件都在焊缝处断裂,试件无明显颈缩,破坏突然,呈现脆性破坏.断面位置在焊喉处,与拉力方向基本呈45°夹角,如图2所示.

焊丝牌号

H08A

焊丝直径焊接电流电弧电压焊接速度

(mm)dΠ2.5

IΠA

UΠV

(mm・vΠs-1)

45831

1.3　试验设备与方法

鉴于受火时间对钢材力学性能影响不大,温

度是影响钢材性能的关键因素,为便于准确控制试件的最高温度,且能在相同升温环境下进行不同温度后性能的对比分析,试验加热设备采用箱形自动控温电阻炉.喷水冷却采用自制压力喷水嘴,按计算流量控制出水.加载系统为300kN级液压式万能试验机.试验在河海大学完成.

整个试验分为加热、冷却和常温拉伸三个阶段.加热至设定温度,恒温12min后实施冷却.对于自然冷却试件,直接置于空气中自然冷却至室温.喷水冷却试件取出炉膛后,采用在板件表面水喷淋,模拟消防水降温来确定喷淋时间,试验根据单位面积用水量相等原则模拟消防水降温,试验模拟喷水时间按下式计算,即

3.6Q1t1A

(1)t2=2

Q2πr式中:t1为消防灭火时间;Q1为消防灭火用水量;r为水龙带灭火覆盖半径;t2为试验模拟喷水时间;

[8]

图2　焊缝断裂位置

Fig12　Pictureoffracturelocation

2.2　破坏规律分析

根据试验结果,常温下标准试件破坏为中间钢

板母材拉断.经历高温不超过500℃的试件冷却后破坏方式为中间钢板母材拉断.可见,温度低于500℃时,在保证焊缝施工质量前提下,标准试件中角焊缝比母材承载力高.

经历高温超过500℃后冷却的试件都在焊缝处断裂.可见,温度超过500℃冷却后,标准试件中角焊缝与母材相比强度下降幅度较大.试件在轴向拉力作用下在焊喉处断裂,焊缝处于拉应力与剪应力共同作用状态.正面角焊缝破坏强度用其计算厚度截面上最大力所对应的应力来表示,文献[7]中称其为正面角焊缝抗拉剪切强度.用式(2)计算,即

Rτb=

0.7FbKl

(2)

第9期陈建锋,等:高温后正面角焊缝抗拉剪切强度的试验　83

式中:Rτb为抗拉剪切强度;Fb为试样拉断前最大拉力;K试样断裂的两条角焊缝焊脚尺寸算术平均值;

l试样断裂的两条角焊缝长度算术平均值.

T=800℃增至常温的103%.这是由于喷水灭火降

温相当于淬火,导致焊缝强度升高,800～900℃,抗

拉剪切强度随温度变化趋于平缓.

为偏于安全,文献[7]规定试验后试样断裂在母材上,Rτb仍采用上式的计算结果,但式中K和l为四条角焊缝尺寸的算术平均值.

经高温再冷却后正面角焊缝的抗拉剪切强度见表2.由于每组内两试件试验结果差距不大,表中值取同组2个试件的平均值.变化规律如图3所示.

表2　高温冷却后正面角焊缝抗拉剪切强度

Table2　Tensileandshearstrengthoffrontfilletweldedjoint

posthightemperatures

温度Π℃

20400500600700800900

3　火灾后角焊缝抗拉剪切强度计算

试验表明,当焊缝经历高温超过500℃时,焊缝

的破坏属脆性断裂,破坏突然,无明显预兆.600℃以下,抗拉剪切强度随温度升高略有增加,自然冷却最大增幅3%,喷水冷却最大增幅8%,为便于计算且偏于安全,当T<600℃时,焊缝抗拉剪切强度取与常温值相同.当T≥600℃时,考虑两种冷却方式引起焊缝抗拉剪切强度变化不同,偏差在13%以内,为简化计算,角焊缝过火后抗拉剪切强度计算不再区分试件冷却方式.考虑到高温火灾后焊缝为脆性断裂,偏于安全地取试验实测点下限拟和公式.根据试验结果,经分析整理,提出经历900℃以内火灾高温冷却后正面角焊缝抗拉剪切强度的计算公式,即

)(3)Rτb(T)ΠRτb=1　(20℃≤T<600℃

Rτb(T)ΠRτb=1.87-2.13×10

-3

喷水冷却RτbpΠMPa

591603625637553607606

自然冷却RτbzΠMPa

591602603608572565525

T+1.13×10

-6

(600℃≤T<900℃)(4)

式中:Rτb(T),Rτb分别为经历温度T作用后的抗拉剪切强度和常温时的抗拉剪切强度.

按式(3),式(4)理论公式计算得到的高温冷却后正面角焊缝抗拉剪切强度与试验结果对比见图4.由图可见,建议公式计算值均不大于试验实测点的下限值,计算值与试验实测点的下限值最大偏差为0.2%.

图3　高温后正面角焊缝抗拉剪切强度随温度变化趋势Fig13　Variationsoftensileandshearstrengthreducedfactor

withtemperature

图3中纵坐标为经高温T再冷却后正面角焊缝抗拉剪切强度与常温下其抗拉剪切强度的比值.试验结果表明,经历火灾高温后,冷却方式对正面角焊抗拉剪切强度影响较大.自然冷却,抗拉剪切强度随温度升高略有增加,当温度T=600℃时,抗拉剪切强度增至常温下的103%;当T=600～900℃时,抗拉剪切强度随温度升高而降低,当T=900℃时降低为常温的89%.喷水冷却,当T≤600℃时,抗拉剪切强度随温度升高而增加,T=600℃时增至常温的108%;T=600～700℃时,抗拉剪切强度随温度升高而降低,T=700℃降低为常温的94%;T≥700℃时,抗拉剪切强度随温度升高而增大,

图4　抗拉剪切强度计算值与试验值对比

Fig14　Comparisonofcalculatedandexperimentaltensile

andshearstrength

4　结　　论

(1)正面角焊缝连接经高温冷却后拉伸试验呈

现两种破坏方式:试件所经历温度不超过500℃再

　84焊　接　学　报第30卷

冷却至常温后,断裂破坏发生在母材上;试件经历高温超过500℃再冷却至常温后,焊缝发生脆性破坏,断裂面位于焊喉处,破坏突然,无明显征兆,火灾后评估中应引起重视.

(2)正面角焊缝高温后抗拉剪切强度受曾经历的最高温度和冷却方式影响较为明显.冷却方式不同,类似于热处理方式不同,导致焊缝高温后抗拉剪切强度不同.当T<600℃时,焊缝抗拉剪切强度略有提高,但变化不大,可取与常温时焊缝抗拉剪切强度值相同.当T≥600℃时,焊缝抗拉剪切强度随温度升高而降低.考虑两种冷却方式引起焊缝抗拉剪切强度变化不同,偏差在13%以内,为简化计算,角焊缝高温抗拉剪切强度计算不再区分试件冷却方式.

(3)根据试验结果,提出了便于计算和偏于安全的正面角焊缝高温后抗拉剪切强度计算公式,可供火灾后钢结构受损鉴定评估参考.参考文献:

[1]　陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:科学出版社,2005.

[2]　曹平周,朱召泉.钢结构[M].北京:中国电力出版社,2008.[3]　张玉玲.低温对钢材及其构件性能影响研究综述[J].中国铁

道科学,2003,24(2):92-99.

ZhangYuling.Studyonperformanceofsteelandthecomponentsunderlowtemperature[J].ChinaRailwayScience,2003,24(2):92-99.[4]　张宇本.低温对焊缝力学性能的影响研究[D].安徽理工大

学,2007.

[5]　李国强,蒋首超,林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京:

中国建筑工业出版社,1999.

[6]　李国强,翰林海,楼国彪,等.钢结构及钢[7]　中华人民共和国标准.GBΠT15747

混凝土组合结构

抗火设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

1995《正面角焊缝接头拉

伸试验方法》[S].北京:机械工业出版社,1995.

[8]　徐志武,王中强,史召锋.高温后新Ⅲ级钢筋力学性能的试验

研究[J].建筑结构学报,2005,26(2):112-116.

XuZhiwu,WangZhongqiang,ShiZhaofeng.ExperimentalresearchonmechanicspropertiesofnewⅢgradesteelbarsafterfire[J].JournalofBuildingStructures,2005,26(2):112-116.

作者简介:陈建锋,男,1975年出生,博士.Email:Lhrhym@yahoo.com.cn

主要从事钢结构高温

及高温火灾后力学性能的研究.发表论文10余篇.

[上接第80页]

度可达到0.1A,熔滴过渡较为稳定,飞溅较小,能

够高速稳定的完成所设计的焊接任务,可广泛应用于全数字化高档逆变电源.参考文献:

[1]　李鹤歧,李春旭,高忠林,等.基于DSP2MCU实现焊接电源系

统数字化控制的设计[J].焊接学报,2005,26(3):17-20.

LiHeqi,LiChunxu,GaoZhonglin,etal.Investigationofdigitalcon2trollinginweldingpowersystembasedonDSPandMCU[J].Transac2tionsoftheChinaWeldingInstitution,2005,26(3):17-20.

图7　焊接电流波形

Fig17　Actualweldingcurrentwaveform

[2]　刘　松,熊腊森,余爱民.使用VHDL设计基于CPLDΠFPGA逆

变电源的PWM波形[J].焊接学报,2002,23(6):89-91.

LiuSong,XiongLasen,YuAimin.DevelopmentofinverterpowersupplyPWMwaveformsbasedonCPLDΠFPGAwithVHDL[J].Trans2actionsoftheChinaWeldingInstitution,2002,23(6):89-91.[3]　丁京柱,王伟明,刘　嘉,等.数字弧焊逆变电源PWM芯片

变频率,缩短死区时间,提高逆变电源的整体性能.

5　结　　论

(1)在提出的基于FPGA的PWM数字化解决方

的VHDL语言设计[J].焊接学报,2002,23(6):47-50.

DingJingzhu,WangWeiming,LiuJia,etal.DesignofdigitalPWMchipindigitizationweldinginverterbyusingVHDL[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,2002,23(6):47-50.

[4]　曾繁泰,陈美金.VHDL程序设计[M].北京:清华大学出版

案的基础上,设计的高速DPWM控制器具有精度

高、灵活性强的优点,可产生参数可调的PWM信号,同时数字抗干扰措施保证了控制器的稳定性.

(2)在上电过程、断电过程、各种保护和正常状态等情况发生时,产生的PWM驱动脉冲具有准确的可知性,没有非正常驱动脉冲的出现,电流调节精

社,2000.

作者简介:段　彬,男,1982年出生,博士研究生.Email:

bduan16@mail.sdu.edu.cn

主要从事数字

化焊接电源、工业自动化和智能算法的研究.发表论文1篇.

2009,Vol.30,No.9　　　　TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION　　　　　　　　　　Ⅴner.ThemaximumstressofPBGA121solderedjointsincreaseswhenchipsizeincreases,whilethemaximumstressofPBGA81solderedjointsdecreasesfirstandthenincreases.BasedonthemodifiedManson2CoffinmodelbyEngelmaier,thefatiguelivesofcriticalsol2deredjointsconditionscorrespondingtofourdifferentchipsizeswerepredicted,anditisfoundthatthesizeofSiliconchiphasasignifi2canteffectonthefatiguelifeofsolderedjoints.

Keywords:　plasticballgridarray;arrangementmodel;chipsize;fatiguelife

Realizationofhigh2speedDPWMcontrollerinall2digitalinvert2erbasedonFPGA　　DUANBin,SUNTongjing,LIZhenhua,MEIGaoqing(SchoolofControlScienceandEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China).p77-80

Abstract:　Adigitalpulsewidthmodulation(DPWM)con2trollerwasresearchedanddesignedbasedonfieldprogrammablegatearray(FPGA).AndanewmethodwasalsopresentedtoproducePWMdrivingsignalsinall2digitalinverter.Thereal2timecountingcomparativemethodwasintroducedtorealizehighfrequencyPWMsignalswithadjustablefrequencyanddutycycle,whichcanrealizethateverymomentofthePWMsignalsisknowableandcontrollable.EveryblockofthecontrollerwasdescribedindetailafteranalysisofprinciplesandparametersoftheDPWMcontroller.Thedigitalanti2jammingtechnologywasadoptedtomakethesystemworksteadilyintheterribleenvironmentwithstrongdisturbance,highvoltageandlargecurrent.Thesimulationandactualweldingexperimentsdemon2stratethatthehigh2speedDPWMcontrollercanrunsteadilyandreli2ablyinalongtimeandbewidelyusedinthedigitalweldingma2chines.

Keywords:　all2digitalinverter;FPGA;PWMcontroller;highfrequencyinverter

Experimentontensileandshearstrengthoffrontfilletweldedjointpost2high2temperatures　　CHENJianfeng

1,2

Robustjointrecognitionwithstructured2lightvisionsensing　　GONGYefei,DAIXianzhong,LIXinde(KeyLaboratoryofMea2surementandControlofComplexSystemsofEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China).p85-88

Abstract:　Amodel2basedmethodisproposedforrecognitionofweldjointscomposedoflinesegmentfeatures.Shapefeaturesofthestructured2lightstripecenterlineareextractedsequentiallybycalculatingthepeakmasspositionofgraydistributionfortheimagecolumnsandfittingthepiecewiselinesegmentsusingtheleastsquaresmethod,thenstripeprofileisdescribedqualitativelybypre2definedprimitivelabels,andlastlyahypothesize2verificationbasedmodelmatchingalgorithmisimplementedtorecognizethejoint.Duringthematching,undetectedportionofjointprofile,duetoopti2calnoisessuchasweldingspatters,secondaryreflection,tackweld,andotherunexpectedimagedsources,canberecoveredtoensurethecorrectrecognitionresultsbymergingprofile’sprimitivesandre2constructingtherelationswiththetop2levelheuristicknowledgeofthejointmodels.Experimentsshow,eveninaclutteredenvironmentwithdifferentdisturbances,correctresultscanbeacquiredbycom2biningtop2levelmodelandbottom2leveldata.

Keywords:　weldjoint;structured2light;patternrecogni2tion;modelmatching

Deviationextractionforthrough2arcsensorwithsinusoidalweavemotion　　GANYahui,DAIXianzhong(KeyLabofMea2surementandControlofCSE,MinistryofEducation,SoutheastUni2versing,Nanjing210096,China).p89-92

Abstract:　Anewalgorithmtoextracttheweldtorchlateraldeviationforthrough2arcsensorwithsinusoidalweavemotionwasproposedinthispaper.Basedonthedetailedanalysisoftheweldingcurrentwaveforminthrough2arcsensorwithsinusoidalweavemo2tion,thelateraldeviationexpressionwasdeductedfollowingtheleft2rightareadifferencemethod.Adoptingthefunctionapproximationtheory,anindexrelatedtothelateraldeviationwasdefinedandtheoptimumresultwascalculatedunderthisleastmeansquareindex.Experimentalresultprovedthevalidityoftheproposedalgorithm.Theseresultsestablishedthefoundationforapplicationsofthethrough2arcsensorinseamtrackingsystem.

Keywords:　through2arcsensor;sinusoidalweavemotion;de2viationextraction;leastmeansquareapproximation;seam2trackingInfluenceofargonarcremeltingprocessonmicrostructureandpropertiesofcoatingpreparedbyhotdippingaluminizingonsurfaceQ235steel　　ZHAOXia,XUJiawen,SUNYongxin

,CAO

Pingzhou,DONGXianfeng(1.CollegeofCivilEngineering,He2

haiUniversity,Nanjing210098,China;2.SchoolofCivilEngi2neering,Chang’anUniversity,Xi’an710061,China).p81-84

Abstract:　Inordertoinvestigatethecharacteristicsoftensileandshearstrengthoffrontfilletweldedjointpost2high2temperatures,thetensiontestsfordoublestrappedfrontfilletweldedjointwereconductedaftercoolingdownfromdifferenthightemperatures.Thetestsindicatethatspecimensarefracturedatthemiddleofsteelplateasthemaximumtemperatureundergonebelow500℃andbrittlefracturedatthethroatoffilletweldasthemaximumtemperaturesun2dergoneabove500℃.Themaximumtemperatureundergoneandthecoolingpatternaremajorfactorsinfluencingtensileandshearstrengthoffrontfilletweldedjointpost2high2temperatures.Basedontheexperimentalresults,thispaperproposesthecalculationformulasoftensileandshearstrengthoffrontfilletweldedjointpost2high2tem2peratures.Theconclusionssupplyreferencesforevaluationdamageandreinforcementofsteelstructurepostfire.

Keywords:　frontfilletweldedjoint;post2high2temperatures;tensileandshearstrength;experiment

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HeilongjiangUni2versityofScienceandTechnology,Harbin150027,China;2.Har2binInstituteofLargeElectricalMachinery,HarbinElectricMachin2eryCompanyLimited,Harbin150040,China).p93-96

Abstract:　Surfacemodificationwascarriedoutonhotdip2pingaluminizingsurfaceofQ235steelbyargonarcremeltingtechn2ology.ThepreandpostmicrostructuresteeltreatedbytheargonarcremeltingwasinvestigatedusingSEMandXRD,thepreandpostmi2crohardnessofspecimencrosssectionbyargonarcremeltingwasalso

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