劉 鵬 ，杜百計，吳 振，徐勝樂

（西安市政設計研究院有限公司，陜西西安 710068）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，鋼結構由于其結構自重小，結構強度高的優(yōu)點，越來越多地應用于橋梁結構中。但鋼結構的焊接過程是一個溫度劇烈變化的過程，焊接時構件受到不均勻加熱，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，導致不同斷面不同程度上產(chǎn)生大小不同的收縮拉應力和壓應力[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力比較大，同時結構的剛度越大，拘束度越大，殘余應力就越大。

焊接殘余應力會引起結構產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等病害，嚴重時可能導致結構在使用前在焊縫處便會斷裂，嚴重影響焊件的強度、剛度、受壓時的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等。為確保結構安全，正常使用，研究封閉箱形結構的焊接應力分布規(guī)律，以及應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，達到消除應力的目的[1]。這些消除方法各有千秋，由于橋梁鋼結構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，往往達不到理想的效果。尋求一種快捷、方便的消除焊接殘余應力方法非常重要。

1 焊接應力的測試方法

該項焊接應力測試方法采用盲孔法。盲孔法測試焊接應力的原理是在有殘余應力的焊接鋼板上鉆一小孔，因小孔附近的殘余應力被釋放，孔區(qū)附近的殘余應力場發(fā)生變化。測出該局部區(qū)域的應變變化量，即可計算出板上鉆孔處釋放前的殘余應力值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變；σ1、σ2分別為最大，最小主應力；φ為最大主應力與ε0°電阻片參考軸的夾角；E為被測鋼板的彈性模量；A、B為應變花的釋放系數(shù)。

2 超聲沖擊應力消除法

2.1 超聲波焊接應力消除介紹

超聲波焊接應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力的方法。該方法首先在前蘇聯(lián)的烏克蘭誕生，于20世紀60年代在美國得到迅速發(fā)展，在第十三屆國際焊接學會上被公認為是提高焊接結構耐疲勞性能最有效的方法，并在發(fā)達國家迅速得以推廣應用。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，超聲波焊接應力消除處理的工藝及設備已日趨完善，該方法使用設備輕巧，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)整了焊接殘余應力場，消除或減小了焊接拉（壓）應力；并使焊趾部位材料得以強化。超聲波消除焊接應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。其標準斷面如圖1所示。

圖1 箱梁標準斷面圖（單位：cm）

3.2 實驗室內(nèi)焊接應力測試

選取與橋梁結構所用鋼板同批次的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。在焊接應力消除前采用盲孔法對鋼板的正反面進行焊接應力測試；然后對鋼板在無約束情況下進行焊接應力消除，采用盲孔法對消除應力后的鋼板進行焊接應力測試（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 試驗室焊接應力測試實景

3.3 現(xiàn)場焊接應力測試（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)場焊接應力測試一實景

圖7 現(xiàn)場焊接應力測試二實景

現(xiàn)場焊接應力測試包括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)焊接應力分布情況，E1測試斷面觀察1#、2#焊縫外應力分布情況。

（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#焊縫外應力分布情況。

4 測試結果匯總

4.1 實驗室焊接應力測試結果

根據(jù)測試得到的應力消除前、后鋼板焊接應力、應變數(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變；σ1、σ2：分別為最大，最小主應力。

對以上數(shù)據(jù)和圖表進行分析：

（1）四邊自由板的焊接應力，在平行于焊縫方向應變數(shù)值大；45°方向應變數(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變變化大，較大值出現(xiàn)在自由邊，與火焰切割后的變形關系密切。

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

（3）采用應力消除措施后，σ1明顯減小，σ2在焊縫處變?yōu)閴簯Α?/p>

通過實驗室的焊接應力測試得到以下結論：

（1）板內(nèi)存在原始應力，且大小不均勻；

（2）熱切割或焊接均對板內(nèi)原始應力有影響，且焊接影響較大；

（3）超聲波消除焊接應力方法對應力有顯著的削峰作用。

4.2 現(xiàn)場焊接應力測試匯總

4.2.1 1號測位焊接應力測試

1號測位處5個斷面應力測試結果如圖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)生較大的焊接應力（應變），焊縫處的焊接應力，可能因不同因素的影響，高達幾百兆帕。

（2）焊接應力在焊縫處較大，隨著遠離焊縫，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處應力較大，D1測線在距1#焊縫13 cm、18 cm處應力較大，E1測線在距1#焊縫13 cm、18 cm、22 cm處應力較大。D1發(fā)生較大應力或與腹板相關，E1較大應力或與腹板及2#焊縫相關；C1發(fā)生較大應力或與偶發(fā)因素相關，也不排除測試誤差原因。

（4）通過超聲波對焊接應力消除后（B、D斷面），焊接殘余應力分布場發(fā)生變化，焊接應力在熱影響區(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力不受影響。

4.2.2 2號測位焊接應力測試（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論。

5 結論

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

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

（3）封閉箱梁的焊接應力比四邊自由板的焊接應力大，主要是由于封閉結構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)垂直焊縫方向應力較大的情況。

（4）封閉箱梁內(nèi)部結構復雜，焊縫相對密集，當結構受力相對復雜時，應慎重設計焊縫的實施順序并采取可靠的應力消除措施。

（5）箱梁結構內(nèi)部設置的加勁肋、腹板等與頂?shù)装暹B接焊縫中的焊接應力在相當長一段時間內(nèi)不會消失，設計時應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)臨時定位件的設置量及拆除定位件后的結果已影響到結構的耐久性，因此應嚴格控制通過箱梁頂板施設臨時定位件進行強迫安裝。現(xiàn)場安裝需設的定位件應征得設計同意，拆除定位件不得使用錘擊方法。

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

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