摘要：為探究鋼結構梁橋焊縫殘余應力檢測、判定及調(diào)控技術。本文以實際工程為背景，提出鋼結構內(nèi)部殘余應力檢測方法，評估殘余應力影響，提出不同部位焊縫殘余應力判定方法并進行應力調(diào)控。結果表明，通過與盲孔法數(shù)據(jù)相比，得出適合鋼板梁和鋼箱梁焊接應力超聲檢測技術具有可行性。完成針對鋼結構特點的聲束激勵器設計和制備，聲阻抗反饋技術、多路頻率跟蹤算法和優(yōu)化激勵工藝，模擬不同工況環(huán)境對分辨率的影響程度，制作適用于橋梁鋼結構的斜入射導波聲束激勵器。由工程應用研究可知，采用超聲臨界折射縱波法可有效檢測鋼結構焊接殘余應力或服役應力的大小及分布。

關鍵詞：鋼結構；梁橋焊縫；超聲波檢測；殘余應力調(diào)控

中圖分類號：U44""""""""" 文獻標志碼：A

我國主要采用焊接工藝修建鋼橋。由于焊接工藝的復雜性，因此會在結構內(nèi)形成殘余應力[1]。如果能準確檢測鋼橋構件應力分布并對其進行調(diào)控，就可以減少殘余應力的危害。

在超聲檢測技術研究方面，應力檢測可細分為縱波和橫波、表面波、導波、非線性超聲、臨界折射縱波。Jhang[2]利用應力對超聲縱波速度的改變來評估高壓螺栓的加緊力，通過相位探測準確測定了縱波在螺栓內(nèi)的飛行時間。Erofeev等[3]通過理論和試驗證實了利用表面波可以監(jiān)測彎曲應力。在殘余應力調(diào)控技術方面，形成了許多常見的焊后調(diào)整方法，常見的有熱處理法[4]、振動時效法[5]等。

可以看到，常規(guī)應力檢測不適合檢測構件內(nèi)部殘余應力，在超聲檢測對多維絕對應力無損檢測研究與焊接殘余應力調(diào)控方面研究不足。因此本文提出鋼結構內(nèi)部殘余應力檢測方法和不同部位焊縫殘余應力的判定方法，并對超過“閾值”的焊縫或構件進行殘余應力調(diào)控，在現(xiàn)場驗證結果。

1橋梁鋼結構焊接殘余應力超聲無損檢測原理

彈性波在有應力的固體材料中的傳播速度不僅取決于材料的二階彈性常數(shù)和密度，還與高階彈性常數(shù)和應力有關，表現(xiàn)為聲彈性效應。聲彈性理論是研究彈性波的傳播速度與應力的關系，這是超聲波法應力測定的主要依據(jù)之一。

聲彈性理論的基本假設：①物體是超彈性的、均勻的。②固體連續(xù)性假設。③聲波的小擾動疊加在物體靜態(tài)有限變形上。④物體在變形中可視為等溫或等熵過程。

1.1不同模式超聲波速與應力關系

彈性固體聲彈性理論中波動方程的非零解的條件：det|AIJKLκJκL-ρiV2δIK|=0，其中，K為超聲波的單位法線方向，δIK為Kroneckerdelta函數(shù)，當各項同性介質(zhì)在簡單初始應力加載下，可解析得到應力隨波速變化關系式，求導可確定敏感性。考察不同模式的超聲波對鋼中應力的敏感度，將低碳鋼（0.12%C）的Lame常數(shù)和Murnaghan常數(shù)代入，考慮聲速隨應力波動小，簡化后采用零應力數(shù)值，并取V1S=3.2km/s，V1L=5.9km/s，V11=3.0km/s，σ=100MPa，得到公式（1）。

dV11≈dV12≈-0.00153dσ（1）

式中：V11，V12分別為無應力狀態(tài)下固體中縱波和剪切波波速。

分析不同形式的超聲波相關敏感情況數(shù)值可知，低碳鋼單軸下，與應力同向的縱波最為敏感。其他常用金屬材料，各參數(shù)變化大抵與低碳鋼一致。

1.2塑性誘導仿真與試驗

假設材料狀態(tài)（FP，ξ，θ，θ，θ）是已知的，對于

tn+1時刻，本構模型已知變形梯度Fn+1、溫度Tn+1和高能超聲強度Eu，n+1。這說明tn+1時，延著增量塑性變形的方向，材料的未知狀態(tài)變量為（F+1，ξ+1，θPn+1，θ+1，θ+1），得到公式（2）。

式中：F為變形梯度；ξP為有效的偏塑性應變；θP為有效體積塑性應變；T為絕對溫度；Eu為超聲波強度（單位面積超聲波能量的速率）。

上述變分形式的最小值返回到未知狀態(tài)變量和塑性流動方向時的修正值。當tn+1時，上述的最小值是有效的增量應變能量密度，它可以作為第一Piola-Kirchhoff應力張量Pn+1。根據(jù)對數(shù)彈性應變的預估校正方法來解決增量變分問題，從而減少了有限變形，將其修正為小應變和純動態(tài)。

采用軟件仿真和試驗測試兩種方法驗證理論的正確性。試驗采用Q345鋼材，在試驗過程中，打開高能超聲發(fā)生器后再關閉。試驗結果表明：在超聲波發(fā)生器聯(lián)通后，由于超聲軟化效應，因此相同應變需要更小的應力。在超聲波發(fā)生器關閉后，超聲硬化導致拉應力反彈到比平均值更高的數(shù)值，該硬化與加工硬化相似，它與高能超聲頻率無關，與高能超聲強度有關。

由此可見，材料在彈性或塑性變形的過程中受到高能超聲能量的影響會發(fā)生軟化，相關力學指標顯著下降，當超聲結束時，力學性能恢復并產(chǎn)生一定加工硬化。高能超聲對金屬的作用和熱處理有一些相似，但是高能超聲的效率極高，例如對鋁合金材料來說，達到與熱處理同樣的軟化效果只需要其千萬分之一的能量。不僅如此，其他金屬（例如鐵、銅、鋅等）材料在高能超聲聲場的輻射效應下都會發(fā)生軟化現(xiàn)象。Q345鋼力學參數(shù)見表1。

2橋梁鋼結構焊接殘余應力檢測技術

由于橋梁鋼結構焊接節(jié)點形式多樣化，因此橋梁鋼結構的應力檢測系統(tǒng)適用于多種復雜環(huán)境，設備應具有輕便、方便攜帶，續(xù)航時間長，使用的探頭能在狹小空間操作等特點。

2.1殘余應力檢測系統(tǒng)研制

2.1.1殘余應力超聲無損檢測系統(tǒng)硬件組成

為了更好地適應橋梁鋼結構殘余應力超聲無損檢測，須對系統(tǒng)硬件進行開發(fā)和調(diào)整。系統(tǒng)主要由應力檢測探頭、高性能數(shù)字隔離電源、信號雙級隔離模塊、超聲信號源、主控制器、數(shù)字分析模塊、兩級溫度補償模塊和終端顯示模塊組成。主要性能指標為檢測材料、超聲頻率、應力檢測精度、應力檢測深度、系統(tǒng)工作溫度、檢測表面粗糙度等。

2.1.2超聲信號數(shù)據(jù)采集模塊設計

超聲激勵模塊產(chǎn)生目標，高壓脈沖激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波，接收換能器檢測回波信號并將其傳輸?shù)交夭ń邮漳K，經(jīng)過一系列信號處理后，數(shù)據(jù)采集模塊將含有檢測信息的數(shù)字量經(jīng)由數(shù)字控制與數(shù)據(jù)通信模塊傳輸?shù)焦た貦C，再進行相關數(shù)據(jù)處理，同時在工作過程中，各模塊的相關參數(shù)設置也是由工控機通過數(shù)據(jù)通信與數(shù)字控制模塊完成。

2.1.3超聲波應力檢測探頭設計

超聲波應力檢測探頭由超聲收/發(fā)換能器和聲楔塊組成。將超聲換能器的中心頻率設計為1MHz、2MHz、2.5MHz、4MHz、5MHz、7.5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等。對普通大小構件的應力檢測來說，將換能器的外徑設計為10mm，長為14mm，壓電晶片直徑為6mm。對較小或復雜工件應力檢測來說，須進一步縮小探頭體積，可在聲楔塊上貼壓電晶片，貼壓電晶片的角度須符合第一臨界折射角，從而通過壓電晶片直接對LCR波進行收發(fā)。

在聲楔塊的材料選用方面，最好是選用聲阻抗最小、聲速最小、聲衰減系數(shù)最小、熱膨脹系數(shù)最小以及最易獲得和透明的材料。綜合機加工性能和價格因素，采用更為常見的有機玻璃作為聲楔塊材料。

2.1.4環(huán)境溫度采集模塊設計

環(huán)境溫度采集模塊的硬件由熱電阻、熱電阻信號調(diào)理器、溫度采集卡組成，選擇PT100熱電阻，檢測溫度為0℃～50℃。熱電阻信號調(diào)理器的作用是為熱電阻提供電源，同時將熱電阻反饋的溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，由溫度采集卡收集熱電阻信號調(diào)理器輸出信息，PCI插槽一端連接主機，另一端連接采集卡。

2.1.5殘余應力超聲無損檢測系統(tǒng)軟件

針對建立的硬件平臺，采用VC++基于對話框的編程環(huán)境，開發(fā)檢測殘余應力的系統(tǒng)軟件。采用的超聲信號數(shù)據(jù)采集模塊具有100m/s的高速采樣率，但是，應力造成的聲時差變化同樣是ns級別的，因此為了將時差測量精度提高到0.5ns，可以在相鄰的LCR波原始數(shù)據(jù)間插入20個數(shù)據(jù)點，同理，插入100個數(shù)據(jù)點可以將時差測量精度精確到0. 1ns。

對零應力狀態(tài)下的LCR波與被檢測處LCR波進行數(shù)據(jù)處理，即可計算聲時差。處理的方法通常有峰值算法和互相關算法。峰值算法是將兩列LCR波峰值處的時間進行對比，從而計算聲時差?；ハ嚓P算法將測試波類比零應力下LCR波。若信號分別為x（t）、y（t），離散后為x（n）、y（n），則根據(jù)離散信號的互相關計算過程如公式（3）所示。

式中：N為采樣點數(shù)；m為時延序列。當t=t0時，呈現(xiàn)最大值，t=t0反映x（t）與y（t）間的滯后時間，即聲時差。

為了確定100MHz的數(shù)據(jù)采集卡采集到的LCR波數(shù)據(jù)，在利用不同差值算法后，用峰值法或互相關法計算能否達到預期的聲時差測量精度，并進行仿真驗證。利用Matlab軟件模擬兩列正弦信號，正弦信號的頻率為5MHz（換能器的中心頻率），這兩組正弦信號唯一的區(qū)別是存在一定延時，可以通過軟件實時改變延時。

2.2殘余應力檢測系統(tǒng)校準

2.2.1應力系數(shù)標定

采用應力加載試驗法，可以解決應力系數(shù)計算中Lame常數(shù)、Murnaghan常數(shù)、聲程和聲速等問題，具體步驟如下：用同材料制作成縱向拉伸構件，對拉伸試塊進行零應力處理，按要求進行測試。記錄Δσ與Δt，擬合后計算Q345鋼的應力系數(shù)K=11.2MPa/ns。

2.2.2溫度補償系數(shù)

高低溫箱是由制冷系統(tǒng)和制熱系統(tǒng)組成的，工作溫度為-60℃～+120℃，步長為0.05℃，根據(jù)設置，高低溫箱在設定時間內(nèi)溫度能基本保持恒定，計算可知補償系數(shù)為6.87ns/℃。

2.3比對試驗

通過盲孔法與超聲法測試Q345qD焊接結構并橫向?qū)Ρ?，以此驗證了超聲法的有效性。超聲法檢測范圍廣且不損傷結構，因此檢測順序為超聲法-盲孔法，盲孔檢測法以超聲檢測法作為依據(jù)。

超聲法可以測量平行焊縫的路徑及垂直焊縫的路徑殘余應力，并標注測點，同時在去應力退火試件上標注零刻度。盲孔法測試沿著平行焊縫的路徑及垂直焊縫的路徑布設點位間隔，分別為30mm、25mm。對Q345qD鋼來說，不同測試數(shù)據(jù)整體變化大致一致，數(shù)據(jù)量級差異較小，反映測試結果與過程真實準確，可以測量殘余應力。

3橋梁鋼結構殘余應力調(diào)控技術研究

對檢測到殘余應力集中的區(qū)域來說，需要在現(xiàn)場采取有效措施減少和消除殘余應力，建立高能超聲控制系統(tǒng)為解決此類問題提供了更好的技術支持。

3.1殘余應力原位調(diào)控系統(tǒng)研制

3.1.1殘余應力調(diào)控系統(tǒng)構成

高能超聲調(diào)控系統(tǒng)技術指標包括調(diào)控材料、調(diào)控頻率、調(diào)控功率、應力調(diào)控消減率、單點一次調(diào)控時間。殘余應力調(diào)控系統(tǒng)包括高能超聲激勵器、高能超聲發(fā)生器和相關儀器。

3.1.2殘余應力調(diào)控系統(tǒng)的硬件設計

發(fā)生器采用數(shù)字電路，這樣可以起到消除溫度漂移等作用，自研的高能超聲發(fā)生器包括主控板、開關電源、電源板、變壓器、電感、液晶板、驅(qū)動板、電容板等部件。高能超聲激勵器又稱為高能超聲換能器，耗電量少，可實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化與傳遞。本系統(tǒng)采用夾心式壓電陶瓷換能器。將壓電材料設計成片狀，三層結構依次為銀正極、相關材料、銀負極，當外界電磁變化時，兩極產(chǎn)生協(xié)同的交變變形，并形成聲波。

激勵器為兩層蓋板夾住壓電晶片，三者阻抗分別為Z1、Z2和Z3（Zn=ρn VnSn，其中，n=1，2，3，…），長度分別是l1、l2和l3。

3.1.3殘余應力閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)

以殘余應力超聲檢測理論為基礎，利用臨界折射縱波對構件的殘余應力狀態(tài)進行實時監(jiān)測和獲取，以此作為反饋信號指導高能超聲對構件殘余應力進行調(diào)控，從而實現(xiàn)殘余應力的閉環(huán)控制，將閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)應用于Q460低合金高強鋼的應力閉環(huán)調(diào)控中，應力的閉環(huán)調(diào)控試驗步驟如圖1所示。

3.2殘余應力原位調(diào)控結果

對比應力消除前后的應力、變形，如圖2所示。當施加壓力時，試樣表面2個檢測區(qū)域產(chǎn)生-148.26MPa和-100.89MPa的壓應力，這與有限元仿真結果相同。有限元仿真表明，施加100N壓力，產(chǎn)生的拉、壓應力極值為211. 13MPa、-215.25MPa，而Q460鋼屈服強度約460MPa，表明在中間施加壓力產(chǎn)生的拉應力遠達不到屈服極限，因此在釋放壓力后，試樣會很快恢復原狀。在這種受力狀態(tài)下，對中間區(qū)域施加20kHz/250W高能超聲作用持續(xù)25min，得到試樣表面2個檢測區(qū)域的應力分別為-13.25MPa和10.06MPa，說明高能超聲能量對應力起到消減作用。在釋放螺桿壓力后，中間消除區(qū)域變形已經(jīng)無法恢復，當應力松弛時，結構發(fā)生塑性形變，導致尺寸變形。

4指導現(xiàn)場工程情況

4.1工程概況

某高速公路依托某匝道橋第三聯(lián)工程，該橋梁為45m+40m跨線槽型鋼箱連續(xù)梁橋，該匝道橋跨越高速公路。橋梁寬0.5m（欄桿）+9.0m行車道+0.5m（欄桿）=10.0m，主梁結構為槽型鋼箱梁，腹板、上翼緣、底板厚度分別為18mm、28mm、20mm，上翼緣、底板寬度分別為700mm、2700mm，梁高2500mm。橋面上覆厚0. 1m的瀝青，橋板為0.35m混凝土。

4.2殘余應力檢測

檢測對接焊縫、底板、對接焊縫和底板十字交叉焊縫的殘力，鋼箱梁鋼材為Q345qD，將檢測點布設在斜底板十字交叉縱向?qū)雍缚p、斜底板十字交叉橫向?qū)雍缚p、斜底板十字交叉橫向?qū)雍缚p、梁段邊腹板對接焊縫、SM15梁段底板對接焊縫、梁段邊腹板對接焊縫處。對各測點的焊接殘余應力進行超聲無損檢測，焊縫兩側存在一定殘余應力，大多焊縫兩側殘余應力在130MPa以下。

5結論

本文經(jīng)過研究，得出以下結論。1）基于聲彈性理論，研究了縱波、表面波和剪切波傳播速度和方向與應力的關系，得到了不同模式超聲波對應力的敏感度。2）開發(fā)了適合鋼板梁和鋼箱梁焊接應力超聲無損檢測技術。針對鋼結構焊接特點完成了探頭設計和制備、信號分析處理、溫度補償?shù)燃夹g。并通過與盲孔法測量數(shù)據(jù)進行對比，證明了超聲法的可行性與準確性。3）針對鋼結構特點，完成聲束激勵器設計和制備、聲阻抗實時反饋技術、多路頻率跟蹤算法和優(yōu)化激勵工藝，模擬不同工況環(huán)境（溫度、壓力、速度、振動、環(huán)焊縫等）對分辨率的影響程度，制作適用于橋梁鋼結構的斜入射導波聲束激勵器。4）通過工程應用研究可知，采用超聲臨界折射縱波方法可以有效檢測鋼結構焊接的殘余應力或服役應力的大小及分布。殘余應力高能聲束調(diào)控對消減應力是非常有效的，對降低焊接過程所產(chǎn)生的殘余應力，控制焊接變形等具有顯著成效。

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