鋼箱梁焊接應(yīng)力分布規(guī)律及消除方法研究

劉 鵬 ，杜百計，吳 振，徐勝樂

（西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710068）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)自重小，結(jié)構(gòu)強度高的優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中。但鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程是一個溫度劇烈變化的過程，焊接時構(gòu)件受到不均勻加熱，與焊接熔池毗鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹受到周圍冷態(tài)材料的制約，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形。而在焊縫冷卻過程中，高溫區(qū)同樣受到周圍氣態(tài)材料的制約而使其不能自由收縮，導(dǎo)致不同斷面不同程度上產(chǎn)生大小不同的收縮拉應(yīng)力和壓應(yīng)力[1]。鋼箱梁在焊接過程中大部分焊縫屬于拘束條件下的焊接，這種條件下的焊接殘余應(yīng)力比較大，同時結(jié)構(gòu)的剛度越大，拘束度越大，殘余應(yīng)力就越大。

焊接殘余應(yīng)力會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等病害，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在使用前在焊縫處便會斷裂，嚴(yán)重影響焊件的強度、剛度、受壓時的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等。為確保結(jié)構(gòu)安全，正常使用，研究封閉箱形結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力分布規(guī)律，以及應(yīng)力大小并對其進行有效的消除，非常必要。

焊接后調(diào)整和消除殘余應(yīng)力的方法按照其過程的性質(zhì)可以分為三大類：一類是蠕變變形法，即通常的焊接后熱處理；一類是力學(xué)形變法，包括過載拉伸，振動時效、錘擊、爆炸處理等；還有一種是溫差變形法，利用熱膨脹量的差別使金屬產(chǎn)生伸長變形，達(dá)到消除應(yīng)力的目的[1]。這些消除方法各有千秋，由于橋梁鋼結(jié)構(gòu)最終完成的焊接工作在野外，上面的這些方法操作難度大，操作環(huán)境大多不符合要求，勉強采用，往往達(dá)不到理想的效果。尋求一種快捷、方便的消除焊接殘余應(yīng)力方法非常重要。

1 焊接應(yīng)力的測試方法

該項焊接應(yīng)力測試方法采用盲孔法。盲孔法測試焊接應(yīng)力的原理是在有殘余應(yīng)力的焊接鋼板上鉆一小孔，因小孔附近的殘余應(yīng)力被釋放，孔區(qū)附近的殘余應(yīng)力場發(fā)生變化。測出該局部區(qū)域的應(yīng)變變化量，即可計算出板上鉆孔處釋放前的殘余應(yīng)力值σ1、σ2：

式中：ε0°、ε45°、ε90°分別為測點處在平行焊縫方向、與焊縫夾角45°線方向、垂直焊縫方向上釋放的應(yīng)變；σ1、σ2分別為最大，最小主應(yīng)力；φ為最大主應(yīng)力與ε0°電阻片參考軸的夾角；E為被測鋼板的彈性模量；A、B為應(yīng)變花的釋放系數(shù)。

2 超聲沖擊應(yīng)力消除法

2.1 超聲波焊接應(yīng)力消除介紹

超聲波焊接應(yīng)力消除法是國外較流行的焊后處理、表面局部強化和消除殘余應(yīng)力的方法。該方法首先在前蘇聯(lián)的烏克蘭誕生，于20世紀(jì)60年代在美國得到迅速發(fā)展，在第十三屆國際焊接學(xué)會上被公認(rèn)為是提高焊接結(jié)構(gòu)耐疲勞性能最有效的方法，并在發(fā)達(dá)國家迅速得以推廣應(yīng)用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，超聲波焊接應(yīng)力消除處理的工藝及設(shè)備已日趨完善，該方法使用設(shè)備輕巧，操作靈活方便、噪音小、效率高、成本低、節(jié)能、無污染。

2.2 超聲波消除焊接應(yīng)力提高焊接接頭疲勞強度和疲勞壽命的基本原理

焊后利用超聲波推動沖擊工具以每秒二萬次以上的頻率沿焊縫方向沖擊焊縫的焊趾部位及熱影響區(qū)，使之產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，使焊趾處產(chǎn)生圓滑的幾何過渡，從而大大降低了焊趾處余高和凹坑造成的應(yīng)力集中；消除了焊趾處表層的微小裂紋和熔渣缺陷，抑制了裂紋的提前萌生；調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場，消除或減小了焊接拉（壓）應(yīng)力；并使焊趾部位材料得以強化。超聲波消除焊接應(yīng)力能改善影響焊縫疲勞性能幾個方面的因素，如：焊趾幾何形狀、殘余應(yīng)力、微觀裂紋和熔渣等缺陷、表面強化等，能較大幅度地提高焊接接頭的疲勞強度和疲勞壽命。

3 焊接應(yīng)力測試

3.1 項目背景

該項研究對象為三跨連續(xù)鋼箱梁（36.5+49.97+39.04）m，連續(xù)鋼箱梁梁高1.75 m。箱梁頂板全寬20.5 m，翼緣板懸臂長度2.0 m，鋼箱梁采用三箱雙室。施工方法為現(xiàn)場焊接施工。其標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

3.2 實驗室內(nèi)焊接應(yīng)力測試

選取與橋梁結(jié)構(gòu)所用鋼板同批次的16 mm厚鋼板，鋼板在無約束情況下由工人現(xiàn)場焊接連接，焊接后試件尺寸50 cm×25 cm。在焊接應(yīng)力消除前采用盲孔法對鋼板的正反面進行焊接應(yīng)力測試；然后對鋼板在無約束情況下進行焊接應(yīng)力消除，采用盲孔法對消除應(yīng)力后的鋼板進行焊接應(yīng)力測試（各選取四個測點，見圖2、圖3）。

圖2 測試斷面及測點布置圖（單位：cm）

圖3 試驗室焊接應(yīng)力測試實景

3.3 現(xiàn)場焊接應(yīng)力測試（見圖4～圖7）

圖4 1號測試斷面及測點布置圖（單位：cm）

圖5 2號測試斷面及測點布置圖（單位：cm）

圖6 現(xiàn)場焊接應(yīng)力測試一實景

圖7 現(xiàn)場焊接應(yīng)力測試二實景

現(xiàn)場焊接應(yīng)力測試包括2個測試位置。

（1）1號測位位于北側(cè)邊孔距梁端16 m位置處，共 5個測試斷面，A1、B1、C1、D1測試斷面觀察1#焊縫兩側(cè)焊接應(yīng)力分布情況，E1測試斷面觀察1#、2#焊縫外應(yīng)力分布情況。

（2）2號測位位于北側(cè)邊孔距梁端24 m位置處，共3個測試斷面，A2、B2、C2測試斷面觀察3#焊縫外應(yīng)力分布情況。

4 測試結(jié)果匯總

4.1 實驗室焊接應(yīng)力測試結(jié)果

根據(jù)測試得到的應(yīng)力消除前、后鋼板焊接應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值，繪制曲線圖如圖8～圖12所示。

圖8至圖12中，ε1、ε2、ε3量分別為該測點在平行焊縫方向、角平分線方向、垂直焊縫方向上的釋放應(yīng)變；σ1、σ2：分別為最大，最小主應(yīng)力。

對以上數(shù)據(jù)和圖表進行分析：

（1）四邊自由板的焊接應(yīng)力，在平行于焊縫方向應(yīng)變數(shù)值大；45°方向應(yīng)變數(shù)值相對平行焊縫方向測值較小，充分體現(xiàn)了沿焊縫長度收縮受到約束較大的特點；垂直于焊縫方向背面應(yīng)變變化大，較大值出現(xiàn)在自由邊，與火焰切割后的變形關(guān)系密切。

（2）采用超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備緊鄰焊縫10 mm寬度范圍內(nèi)振動25～30次后，焊縫處應(yīng)力明顯減小，其余部分經(jīng)分析不應(yīng)有顯著影響。

（3）采用應(yīng)力消除措施后，σ1明顯減小，σ2在焊縫處變?yōu)閴簯?yīng)力。

通過實驗室的焊接應(yīng)力測試得到以下結(jié)論：

（1）板內(nèi)存在原始應(yīng)力，且大小不均勻；

（2）熱切割或焊接均對板內(nèi)原始應(yīng)力有影響，且焊接影響較大；

（3）超聲波消除焊接應(yīng)力方法對應(yīng)力有顯著的削峰作用。

4.2 現(xiàn)場焊接應(yīng)力測試匯總

4.2.1 1號測位焊接應(yīng)力測試

1號測位處5個斷面應(yīng)力測試結(jié)果如圖13～圖17所示。

由圖13至圖17，可以看出：

（1）焊接連接在鋼板內(nèi)將產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力（應(yīng)變），焊縫處的焊接應(yīng)力，可能因不同因素的影響，高達(dá)幾百兆帕。

（2）焊接應(yīng)力在焊縫處較大，隨著遠(yuǎn)離焊縫，一般情況下會逐漸減小，但也會發(fā)生偶發(fā)因素變大的情況。

（3）C1測線距1#焊縫22 cm處應(yīng)力較大，D1測線在距1#焊縫13 cm、18 cm處應(yīng)力較大，E1測線在距1#焊縫13 cm、18 cm、22 cm處應(yīng)力較大。D1發(fā)生較大應(yīng)力或與腹板相關(guān)，E1較大應(yīng)力或與腹板及2#焊縫相關(guān)；C1發(fā)生較大應(yīng)力或與偶發(fā)因素相關(guān)，也不排除測試誤差原因。

（4）通過超聲波對焊接應(yīng)力消除后（B、D斷面），焊接殘余應(yīng)力分布場發(fā)生變化，焊接應(yīng)力在熱影響區(qū)明顯降低，熱影響區(qū)以外超聲波處理措施未能觸及部位殘余應(yīng)力不受影響。

4.2.2 2號測位焊接應(yīng)力測試（見圖18～圖22）

由圖18至圖22可以得出與1#測位處基本相同的結(jié)論。

5 結(jié)論

（1）實驗分析認(rèn)為鋼板母材內(nèi)本身就存在原始應(yīng)力，且大小不均勻；施工過程中熱切割或焊接均對板內(nèi)原始應(yīng)力有影響，其中焊接施工影響較大；采用超聲波消除焊接應(yīng)力方法對焊接應(yīng)力有顯著的削峰作用。

（2）四邊自由板的焊接應(yīng)力，規(guī)律性強，在平行于焊縫方向應(yīng)變數(shù)值大；45°方向應(yīng)變數(shù)值較小；垂直于焊縫方向背面應(yīng)變變化較大，較大值出現(xiàn)在自由邊（僅針對實驗板尺寸而言）。

（3）封閉箱梁的焊接應(yīng)力比四邊自由板的焊接應(yīng)力大，主要是由于封閉結(jié)構(gòu)在焊接過程中多余約束使之不能自由變形。箱梁中的焊縫由于約束的差別，也會出現(xiàn)垂直焊縫方向應(yīng)力較大的情況。

（4）封閉箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫相對密集，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力相對復(fù)雜時，應(yīng)慎重設(shè)計焊縫的實施順序并采取可靠的應(yīng)力消除措施。

（5）箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置的加勁肋、腹板等與頂?shù)装暹B接焊縫中的焊接應(yīng)力在相當(dāng)長一段時間內(nèi)不會消失，設(shè)計時應(yīng)充分考慮這一客觀存在對后續(xù)工況的影響。

（6）現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)臨時定位件的設(shè)置量及拆除定位件后的結(jié)果已影響到結(jié)構(gòu)的耐久性，因此應(yīng)嚴(yán)格控制通過箱梁頂板施設(shè)臨時定位件進行強迫安裝。現(xiàn)場安裝需設(shè)的定位件應(yīng)征得設(shè)計同意，拆除定位件不得使用錘擊方法。

（7）超聲波消除焊接應(yīng)力在嚴(yán)格按操作規(guī)定實施條件下具有明顯效果，應(yīng)充分利用該技術(shù)對現(xiàn)場安裝控制截面的焊縫實施應(yīng)力消除，以減少焊趾處的缺陷，降低熱影響區(qū)的不利應(yīng)力幅值。

[1]宋天明.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除[M].北京：中國石化出版社，2004.