張景麗，吳翠蓮

(1.鄭州科技學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，鄭州 450064；2.中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 土木建筑工程系，鄭州 451191)

鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑主要結(jié)構(gòu)，焊接鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致局部受損并逐漸影響整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)性能.我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行焊接數(shù)值模擬的研究工作，馬鋒等[1]考慮了材料的物理、力學(xué)常數(shù)隨溫度的變化，對(duì)一個(gè)簡單的焊接模型進(jìn)行了焊接過程的力學(xué)行為研究，表明線性單元在保證較高分析精度的同時(shí)，能夠有效縮減計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率；賈寶華等[2]對(duì)H維非線性瞬態(tài)焊接溫度場進(jìn)行了有限元分析，探討了焊接溫度場的特點(diǎn)和提高求解精度的若干途徑，結(jié)果表明，在保證結(jié)構(gòu)精度和強(qiáng)韌性的前提下，將結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力降到最小，并對(duì)焊接殘余應(yīng)力均勻分布，有效地防止了應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生；王軍強(qiáng)等[3]介紹了焊接殘余塑性應(yīng)變的計(jì)算方法和基于殘余塑變預(yù)測焊接變形的有限元法，并給出了計(jì)算實(shí)例，結(jié)果表明，加熱工藝后縱向殘余應(yīng)力峰值比原堆焊試樣顯著降低且分布趨于平緩.

現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工藝繁瑣，焊接中會(huì)出現(xiàn)多條焊縫相交錯(cuò)的情況，鋼結(jié)構(gòu)焊縫接頭處為應(yīng)急集中多發(fā)處，并會(huì)伴隨殘余拉應(yīng)力作用，此處為疲勞裂縫起始處，在殘余應(yīng)力作用下進(jìn)一步延伸.建筑鋼結(jié)構(gòu)在焊接后受到載荷作用會(huì)部分疊加至焊接殘余應(yīng)力中，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊縫處發(fā)生裂縫，其抗腐蝕能力進(jìn)一步下降，在殘余應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)作用下，建筑鋼結(jié)構(gòu)使用壽命被進(jìn)一步降低，出現(xiàn)腐蝕疲勞現(xiàn)象[4-5].綜合來看，鋼結(jié)構(gòu)性能與焊接殘余應(yīng)力關(guān)系密切，在實(shí)際焊接過程中需要通過有效手段降低焊接殘余應(yīng)力，控制其結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生裂縫.

1 對(duì)接形式焊接殘余應(yīng)力測定

1.1 試驗(yàn)材料及焊接工藝參數(shù)

鋼板對(duì)接是建筑鋼結(jié)構(gòu)最常見模式，通過兩塊鋼板模擬建筑鋼結(jié)構(gòu)對(duì)接形式，設(shè)定試驗(yàn)使用鋼板尺寸均為500 mm×200 mm×8 mm，材料為建筑常用Q345B鋼，焊接參數(shù)如表1所示.

表1 鋼板結(jié)構(gòu)對(duì)接焊接參數(shù)Tab.1 Butt welding parameters for steel plate structure

在表1焊接參數(shù)條件下對(duì)其進(jìn)行焊接，焊接前需對(duì)鋼板進(jìn)行前處理，經(jīng)由剪板機(jī)對(duì)其進(jìn)行粗加工后再細(xì)加工，確保焊接面穩(wěn)定.對(duì)位后先對(duì)焊縫兩側(cè)進(jìn)行點(diǎn)焊固定位置，對(duì)接焊接模型及成品如圖1所示.

圖1 鋼板對(duì)接焊接模型及成品Fig.1 Butt welding model and finished product for steel plate

1.2 測試點(diǎn)分布及數(shù)據(jù)提取

根據(jù)SL499-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，鋼板1和鋼板2在材質(zhì)和尺寸上均相同，僅需研究其一.取鋼板2為研究對(duì)象，在離焊縫25 mm處引進(jìn)一條與焊縫平行的邊，將其平分為11等分，取其10個(gè)等分點(diǎn)作為測試點(diǎn)，并將其分別標(biāo)記為序號(hào)1～10.在第6個(gè)等分點(diǎn)引一條垂直于焊縫的直至邊緣的線段，將該線段等分為5份，取其4個(gè)等分點(diǎn)作為測試點(diǎn)，并將其分別標(biāo)記為序號(hào)11～14，測試點(diǎn)分布如圖2所示.在測試時(shí)分別取水平方向、豎直方向、45°方向作為測試方向，將所有測試點(diǎn)在不同方向測得的數(shù)據(jù)記錄下來，結(jié)果如表2所示.

圖2 殘余應(yīng)力測試點(diǎn)分布Fig.2 Test point distribution for residual stress

結(jié)合上述數(shù)據(jù)進(jìn)行焊接橫向及縱向殘余應(yīng)力計(jì)算，其表達(dá)式為

(1)

式中：σx、σy分別為焊接橫向及縱向殘余應(yīng)力；ε1、ε2為釋放應(yīng)變；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，與多種因素相關(guān)，可視為定值.由式(1)可知，該結(jié)構(gòu)的焊接橫向及縱向殘余應(yīng)力與計(jì)算建立的坐標(biāo)系x軸向以及y軸向一致，將其分別定義為橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力.

表2 測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data

鋼板1和鋼板2在材質(zhì)和尺寸上均相同，僅對(duì)鋼板1建立有限元分析模型即可.對(duì)鋼板1進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)過渡網(wǎng)格技術(shù)對(duì)其進(jìn)行模型分塊處理，越靠近焊縫處網(wǎng)格越密集，向外逐漸呈現(xiàn)分散趨勢，如圖3所示.

圖3 鋼板結(jié)構(gòu)焊接件有限元分析網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Grid structure for finite element analysis of welded parts of steel plate structure

1.3 數(shù)值結(jié)果分析

通過對(duì)比分析可知，該鋼結(jié)構(gòu)焊縫附近部分殘余應(yīng)力較大，其他區(qū)域隨著與焊縫距離不斷提升，其殘余應(yīng)力不斷下降.對(duì)接焊縫區(qū)域?yàn)闅堄鄳?yīng)力集中處，焊縫兩側(cè)部位表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其作用范圍較小.中間部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力，作用區(qū)域較大，但數(shù)值較小.拉應(yīng)力與壓應(yīng)力在焊縫兩側(cè)部位實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變，其中，壓應(yīng)力最大值為45 MPa，拉應(yīng)力最大值為121 MPa.

通過各測試點(diǎn)收集焊接過程的溫度變化，將焊縫等分為3個(gè)部分，分別取兩個(gè)等分點(diǎn)及起始和結(jié)束四個(gè)點(diǎn)，按照起始點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的順序依次將其標(biāo)記為P1、P2、P3、P4，以時(shí)間為自變量，以各點(diǎn)溫度為因變量繪制時(shí)間溫度變化曲線.為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算機(jī)建模重新進(jìn)行上述分析過程，并將溫度場相關(guān)系數(shù)等作為基本參數(shù)輸入，設(shè)定與上述模型相同的測量方式，模擬結(jié)果為離散型點(diǎn)狀圖，對(duì)其進(jìn)行回歸計(jì)算得出結(jié)果與試驗(yàn)值存在細(xì)微差別，如圖4所示.

圖4 模擬焊接過程時(shí)間溫度曲線Fig.4 Time and temperature curves during simulated welding process

試驗(yàn)采用盲點(diǎn)法進(jìn)行測量，其原因?yàn)槊c(diǎn)法在實(shí)際操作中存在系統(tǒng)誤差，且模擬情況與試驗(yàn)過程本身存在差異，證明試驗(yàn)過程具有一定可靠性.在計(jì)算機(jī)模擬時(shí)通過更換測試點(diǎn)及試件尺寸等方式發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力出現(xiàn)異動(dòng)，說明在實(shí)際焊接過程中應(yīng)該將焊件尺寸作為一種描述殘余應(yīng)力的參考因素，在控制變形過程中可通過優(yōu)化焊件尺寸降低焊接殘余應(yīng)力造成的影響[6].

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制技術(shù)

2.1 殘余應(yīng)力調(diào)控工藝窗口

殘余應(yīng)力是造成鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的一項(xiàng)因素，降低殘余應(yīng)力可有效降低結(jié)構(gòu)焊接變形情況.鋼結(jié)構(gòu)焊接后由于溫度場集中于焊縫部位，導(dǎo)致冷卻后殘余應(yīng)力集中于焊縫處.焊接過程初始焊接溫度、焊點(diǎn)到焊件距離、最大溫度、有效加熱半徑和試件厚度等均是影響鋼結(jié)構(gòu)焊接的條件[7].為了探究建筑鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的控制效果，研究設(shè)定其殘余應(yīng)力調(diào)控工藝窗口，如表3所示.

表3 殘余應(yīng)力調(diào)控工藝窗口Tab.3 Adjust and control technological window of residual stress

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用建筑常用Q345B鋼，試件制定過程與殘余應(yīng)力測定試驗(yàn)過程相似，試件預(yù)制時(shí)首先需對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)焊處理，之后將其進(jìn)行應(yīng)力熱退火，消除試件預(yù)制加工殘余應(yīng)力，設(shè)定退火溫度為600 ℃，退火時(shí)間為40 min，到達(dá)退火時(shí)間后便可讓其自行冷卻至常溫.

通過傳感器收集焊接過程的溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)加熱過程中試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行參數(shù)校核.采用盲孔法進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，盲孔深度為1 mm，通過盲點(diǎn)收集信號(hào)，并通過無線傳感器將其傳輸至計(jì)算機(jī)終端[8].

表4為焊接工藝參數(shù)，按照表4所示參數(shù)進(jìn)行焊接.焊接過程采用混合氣體保護(hù)方式防止焊接氧化.焊接設(shè)置工藝條件與表1不同，為改進(jìn)后焊接工藝參數(shù)，用以驗(yàn)證焊接殘余應(yīng)力控制.采用交流電源作為焊接電源，并設(shè)置焊接速度為3 mm/s，以慢速焊接方式方便觀察效果.

表4 焊接工藝參數(shù)Tab.4 Welding technological parameters

準(zhǔn)備兩組試件，一組為對(duì)照組，另一組為試驗(yàn)組，對(duì)照組焊接完成后不對(duì)其做任何處理，室溫靜置即可.對(duì)試驗(yàn)組試件進(jìn)行加熱處理，采用氧乙炔火焰對(duì)距離焊趾處25 mm的直線區(qū)域進(jìn)行平行加熱處理，通過傳感器收集加熱溫度，加熱時(shí)控制溫度區(qū)間在[500 ℃，550 ℃].

試驗(yàn)組試件進(jìn)行熱處理后，分別對(duì)試驗(yàn)組和對(duì)照組試件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，驗(yàn)證通過該種熱處理工藝后試件殘余應(yīng)力調(diào)整效果.在試驗(yàn)組試件中設(shè)置幾個(gè)測試點(diǎn)，如圖5所示(單位：mm)，設(shè)置五個(gè)測試點(diǎn)分別為1、2、3、4、5，每個(gè)點(diǎn)分別測試五次，消除其中最高數(shù)據(jù)以及最低數(shù)據(jù)后對(duì)剩余3個(gè)數(shù)據(jù)取平均，得出最終結(jié)果.

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)所設(shè)置工藝窗口確定平行加熱最佳加熱溫度區(qū)間為[500 ℃，550 ℃]，該區(qū)間可實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力的有效調(diào)控.在平行加熱過程中將其參數(shù)調(diào)整至[500 ℃，550 ℃]范圍，測得最大熱流密度為6.1 W/mm2.調(diào)節(jié)最佳加熱半徑為8 mm，加熱移動(dòng)速度為5 mm/s，中心處溫度峰值為520 ℃，在此條件下可將加熱模型表示為

(2)

圖5 測試點(diǎn)分布Fig.5 Test point distribution

式中：x、y為熱量傳播距離；t為傳播時(shí)間.

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算機(jī)建模重新進(jìn)行上述分析過程，將溫度場相關(guān)系數(shù)等作為基本參數(shù)輸入，設(shè)定與上述模型相同的測量方式.將盲點(diǎn)法收集的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證通過平行加熱降低焊接殘余應(yīng)力的實(shí)效性.圖6為盲點(diǎn)實(shí)測與計(jì)算機(jī)模擬熱循環(huán)曲線對(duì)比.盲點(diǎn)法收集數(shù)據(jù)表明平行加熱區(qū)域中心溫度峰值為504.5 ℃，通過試驗(yàn)?zāi)M出的平行加熱區(qū)域中心溫度峰值為515.2 ℃，誤差比為2.1%，該誤差范圍極小.實(shí)際測量及計(jì)算機(jī)模擬溫度均處于最佳溫度區(qū)間，條件控制良好，處于窗口推薦條件范圍.

圖6 盲點(diǎn)實(shí)測與計(jì)算機(jī)模擬熱循環(huán)曲線對(duì)比Fig.6 Comparison in thermal cycle curves between blind spot measurement and computer simulation

對(duì)焊件進(jìn)行平行加熱處理后測定橫向殘余應(yīng)力由處理前243.5 MPa下降至225.2 MPa，下降比例為7.5%.橫向殘余應(yīng)力在初始加熱時(shí)期會(huì)呈現(xiàn)較快下降趨勢，之后逐漸趨于平緩，且焊趾部位為橫向殘余應(yīng)力峰值處.

通過計(jì)算機(jī)模擬得出的試樣，在對(duì)其進(jìn)行熱處理前橫向殘余應(yīng)力最大值為123.67 MPa，計(jì)算機(jī)模擬熱處理前橫向殘余應(yīng)力最大值為112.67 MPa，模擬誤差為8.9%.對(duì)其進(jìn)行平行加熱處理后，橫向殘余應(yīng)力最大值為117.23 MPa，計(jì)算機(jī)模擬熱處理后橫向殘余應(yīng)力最大值為109.1 MPa，模擬誤差為6.9%.通過計(jì)算機(jī)模擬得出殘余應(yīng)力下降3.2%.

通過對(duì)比研究可知，焊縫及周邊位置縱向殘余應(yīng)力較大，試件表面縱向殘余應(yīng)力會(huì)隨著到焊趾部位距離提升而呈現(xiàn)降低趨勢，且其應(yīng)力作用方式逐漸由擠應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力.峰值出現(xiàn)在焊趾部位，試驗(yàn)測得該處應(yīng)力值為224.5 MPa，計(jì)算機(jī)模擬值為162.4 MPa，誤差比例為27.7%.試驗(yàn)測定焊縫部位應(yīng)力值為94.5 MPa，計(jì)算機(jī)模擬值為115.7 MPa，誤差比例為18.2%.

對(duì)焊件進(jìn)行平行加熱處理后，試驗(yàn)測得該處應(yīng)力值為115.5 MPa，計(jì)算機(jī)模擬值為114.3 MPa，誤差比例為1%.對(duì)比試驗(yàn)前可知焊趾部位縱向殘余應(yīng)力試驗(yàn)值從224.5 MPa下降至115.5 MPa，下降比例為48.6%，模擬值從162.4 MPa下降至114.3 MPa，下降比例為28.9%.

由上述對(duì)比分析可知，通過平行加熱處理縱向殘余應(yīng)力下降程度較大，該種方法適用于應(yīng)對(duì)縱向殘余應(yīng)力較大的焊接方式，鋼板對(duì)接焊接變形主要原因是縱向殘余應(yīng)力過大導(dǎo)致，可通過平行加熱處理降低縱向殘余應(yīng)力影響，對(duì)其他不同焊接方式可采用相對(duì)應(yīng)方法降低殘余應(yīng)力影響.

3 結(jié) 論

本文通過分析得出如下結(jié)論：

1) 對(duì)接焊接鋼結(jié)構(gòu)焊縫附近部分殘余應(yīng)力較大，其他區(qū)域隨著與焊縫距離不斷提升，其殘余應(yīng)力不斷下降.對(duì)接焊縫區(qū)域?yàn)闅堄鄳?yīng)力集中處，應(yīng)力形式為焊縫兩側(cè)部位表現(xiàn)為壓應(yīng)力，作用范圍較?。恢虚g部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力，作用區(qū)域較大，但數(shù)值較小.

2) 計(jì)算機(jī)模擬時(shí)通過更換測試點(diǎn)及試件尺寸等方式發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力出現(xiàn)異動(dòng)，說明實(shí)際焊接過程中應(yīng)該將焊件尺寸作為一種描述殘余應(yīng)力的參考因素，在控制變形過程中可通過優(yōu)化焊件尺寸降低焊接殘余應(yīng)力造成的影響.

3) 對(duì)接焊接鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力在初始加熱時(shí)期會(huì)呈現(xiàn)較快下降趨勢，后逐漸平緩，且焊趾部位為橫向殘余應(yīng)力峰值處，該處為引起變形根源，為控制變形關(guān)鍵處.

4) 平行加熱處理縱向殘余應(yīng)力下降程度比橫向殘余應(yīng)力大，該方法適用于應(yīng)對(duì)縱向殘余應(yīng)力較大的焊接方式，鋼板對(duì)接焊接變形主要原因是縱向殘余應(yīng)力過大導(dǎo)致，可通過平行加熱處理降低縱向殘余應(yīng)力影響，對(duì)其他不同焊接方式可采用相對(duì)應(yīng)方法降低殘余應(yīng)力影響.