摘 要：
! G" ~! U/ j7 u本文介紹了建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及控制殘余應(yīng)力的意義，以詳實(shí)的
) x; l& Q8 e9 d6 k數(shù)據(jù)分析了幾種可能采用的消應(yīng)力方法，提出了在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中采用振動(dòng)時(shí)效與振動(dòng)焊接
* Y& p2 A, r3 {/ d7 @' }3 b工藝的建議。
1 y4 ]6 c: v/ P9 S/ b關(guān)鍵詞：
! i6 b0 r8 p; E6 a建筑鋼結(jié)構(gòu)；焊接；殘余應(yīng)力；時(shí)效8 R' V3 B$ ]0 X' @
前言# d: ?. B5 X) L% _4 S0 A, \4 b, d
0% c+ i0 m: k+ q" B: Y4 m! w
建筑鋼結(jié)構(gòu)是否需要和能否進(jìn)行時(shí)效工藝，除熱時(shí)效外還有什么合適的消應(yīng)力工藝可用于建筑鋼結(jié)構(gòu)，是人們關(guān)心的問題。隨“奧運(yùn)”和“世博”工程的推展，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)制造量近年迅猛上升。出現(xiàn)用鋼量達(dá)十萬噸的單體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度級(jí)別由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa 乃至460Mpa，結(jié)構(gòu)件板厚達(dá)到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑鋼結(jié)構(gòu)制造形勢(shì)對(duì)開展建筑鋼結(jié)構(gòu)消應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用研究及建立和完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)難得的機(jī)會(huì)。本文作者根據(jù)多年的實(shí)踐，介紹幾個(gè)大型鋼結(jié)構(gòu)及建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)力消除的結(jié)果；以此為基礎(chǔ)，提出了在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中采用振動(dòng)時(shí)效與振動(dòng)焊接工藝的建議。
3 |, }! @# M/ u" n1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力
* k8 H) g8 v' h) g$ s1 E1 U& l建筑焊接鋼結(jié)構(gòu)與一般的焊接構(gòu)一樣，同樣存在焊接殘余應(yīng)力。以上海安亭蘊(yùn)藻浜大橋?yàn)?font class="jammer">6 {! [- F+ u" G9 M3 i6 Q) Q' A
例，鋼號(hào)為Q345B，σs=345MPa。其先在工廠進(jìn)行箱型分段焊接，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼焊。采用盲孔法對(duì)拼焊殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1：$ }5 g3 M0 `: H7 C- J; q8 c( h
表1 蘊(yùn)藻浜大橋現(xiàn)場(chǎng)焊后殘余應(yīng)力
% B9 ]3 i9 e0 J2 w2 c7 Z位置 應(yīng)力Mpa 最大主應(yīng)力 最小主應(yīng)力 剪應(yīng)力 縱向應(yīng)力 橫向應(yīng)力
& ]! _6 ~- b) k+ a% F# U上表面埋弧焊縱縫 極值 315 -95 133 77 2875 X3 L( |/ j& Q' J6 G$ i1 g9 x- A* R( T
平均值 157 2 78 64 94! t, n; @( L$ U! v; c
下表面手工焊縱縫 極值 81 -74 79 48 -344 O( ?5 D7 N! C# m8 l/ e- U) [
平均值 62 -46 54 31 -15& k; l% x4 R, l# A7 ~5 Z
人孔封板手工焊縫 極值 261 94 79 232 133
" m- v) I- ~8 Z( S; ]平均值 184 103 41 173 114
% C+ L: n* ]; J1 j* n! q8 ~; q; F表1# t3 \+ M* k) u) ~1 h" a
結(jié)果表明：下表面焊縫為先焊焊縫，殘余應(yīng)力水平比較低，而后焊接的上表面焊縫的應(yīng)力水平則很高，個(gè)別值接近母材σs，平均值接近或超過σs/2水平；下文表2、3、4的數(shù)據(jù)也可以證實(shí)這種狀況。焊接構(gòu)件由于存在高的拉伸殘余應(yīng)力，且焊縫部位存在熱影響區(qū)、焊趾缺陷、接頭應(yīng)力集中，形成構(gòu)件上組織和力學(xué)的薄弱部位，有可能導(dǎo)致構(gòu)件運(yùn)行時(shí)的變形、早期開裂、應(yīng)力腐蝕、疲勞斷裂和脆性斷裂。因此，在可能的情況下采用適合的時(shí)效工藝以改善組織性能及消除殘余應(yīng)力，將可有效地提高構(gòu)件的穩(wěn)定性和安全性及使用壽命。' U$ X; _4 b; Y! r
2 建筑鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的消除工藝# u; |7 T4 B1 \) f2 R5 F
實(shí)際上一些高要求的建筑大型焊接鋼結(jié)構(gòu)上已采用了時(shí)效工藝，包括有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持的熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、TIG重熔和錘擊工藝，以及研發(fā)中的振動(dòng)焊接、超聲沖擊、爆炸法技術(shù)。: j/ C) [3 v, F
2.1 熱時(shí)效 q9 C" Q* P- A0 f8 \6 b
表2 金茂大廈轉(zhuǎn)換柱熱時(shí)效消應(yīng)力效果分析表0 u, p, X; s0 E' a
殘余應(yīng)力（MPa） 最大主應(yīng)力 最小主應(yīng)力 縱向應(yīng)力 橫向應(yīng)力
+ Z9 i z5 }9 d* i2 ~熱處理前平均值 135 51 58 128
* D; H @( f" {# ?熱處理后平均值 79 16 30 642 [' P4 I2 w9 X$ y4 p! i2 D
熱處理前后差值 56 35 28 64
* a0 j+ X I o6 c變化率（%） 41 68 48 50
) `/ x! r# A3 j對(duì)重要焊接構(gòu)件先進(jìn)行整體熱時(shí)效，然后在現(xiàn)場(chǎng)與其它構(gòu)件進(jìn)行組合拼焊的工藝是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造常采用的方法。上海金茂大廈的鋼架采用全焊接結(jié)構(gòu)，在工廠完成零部構(gòu)件制造、且對(duì)受力構(gòu)件－轉(zhuǎn)換柱先進(jìn)行整體熱時(shí)效，然后運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)拼焊。采用盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換柱熱時(shí)效工藝效果的評(píng)定結(jié)果見表2。7 B% `& u R7 v/ A; G* E
目前，熱時(shí)效仍是一種主流工藝，其具有焊縫去氫、恢復(fù)塑性和消應(yīng)力三重功能。一般認(rèn)為熱時(shí)效的消應(yīng)力效果為40－80％，表2的結(jié)果符合這個(gè)規(guī)律；然而對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)場(chǎng)拼焊而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將依然存在于鋼結(jié)構(gòu)中，而在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步采用熱時(shí)效工藝就十分困難了；局部熱時(shí)效可以降低被處理焊接接頭的應(yīng)力，但加熱帶邊緣會(huì)產(chǎn)生新的熱處理應(yīng)力，且局部熱時(shí)效實(shí)施比較困難，能耗很大。因此，需考慮其它補(bǔ)充、替代工藝。
0 P3 g7 o3 a2 B3 I, N/ f- Y2.2 TIG 重熔
2 v% j* i& m9 P4 d9 ~: v焊趾缺陷是一種焊道融合線上中難以避免的小而尖銳、連續(xù)的缺陷，往往成為結(jié)構(gòu)疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG 重熔工藝對(duì)焊趾進(jìn)行修整，重建裂紋起裂前的狀態(tài)，降低由于焊趾缺陷所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以延長(zhǎng)了疲勞壽命。同時(shí)TIG 重熔也能改善焊縫區(qū)的橫向殘余應(yīng)力；上海寶冶工程技術(shù)公司進(jìn)行重型門式起重機(jī)大梁維修，對(duì)其拘束模擬焊接試板焊縫TIG 重熔前后的殘余應(yīng)力，通過X
/ o! T6 q4 e/ W% v射線方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定結(jié)果見表3。
由此可見：TIG重熔對(duì)于焊縫的縱向殘余應(yīng)力改善不明顯，殘余應(yīng)力絕對(duì)值下降不大；但對(duì)于縱向殘余應(yīng)力的均勻分布有一定效果。但對(duì)橫向殘余應(yīng)力有明顯的改善效果，殘余應(yīng)力絕對(duì)值下降明顯而且分布趨于均勻�？紤]到1 g& ]1 r" k1 Z: q- m9 @
建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點(diǎn)以及生產(chǎn)效率的要求，TIG重熔可在橫向拘束應(yīng)力大的焊道上，作為緩和橫向殘余應(yīng)力、降低應(yīng)力集中的輔助工藝。9 }) J0 i& w2 \( O
表3
- r& w$ X9 @( g重熔前后殘余應(yīng)力均值對(duì)比（材料：Q345；單位Mpa）( [1 w( F) R" Z
縱向應(yīng)力 橫向應(yīng)力編號(hào) 重熔前 重熔后下降量％ 重熔前 重熔后下降量％
2 I0 T. s5 }0 I5 b! |# T1 209 199 5.0 56 57 -2.38 p2 i1 G' w7 g8 I! z0 r1 q
2 206 240 -16.4 59 64 -8.09 z' @6 i4 S6 H. h" b& v
3 236 213 9.6 -57 29 -150.9
2 S, X* A5 _( m$ T4 n4 265 245 7.7 259 84 67.5
n1 [' x/ {1 e. ^, L$ E5 189 201 -6.4 206 114 44.6
" F& ?: W" v8 ?0 y' N2 S5 b6 221 219 0.7 105 70 33.4. G: I) [# S* O5 v
表4 典型焊接構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效的效果
9 v& C8 D* A7 f. I' z9 [8 ?" Q2.3
; ]; y+ O9 U4 j! j振動(dòng)時(shí)效（VSR）5 j8 r$ A4 s, u( v3 C: A
振動(dòng)時(shí)效是對(duì)構(gòu)件施加交變應(yīng)力，與構(gòu)件上的殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，發(fā)生局部的宏觀和微觀塑性變形；這種塑性變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大處和構(gòu)件的應(yīng)力集中點(diǎn)，使這里的殘余應(yīng)力得以釋放，達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的作用。應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在我國已達(dá)25年，相繼出臺(tái)三個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，也已納入我國建筑鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范，技術(shù)成熟。由于振動(dòng)時(shí)效經(jīng)濟(jì)性好、方法簡(jiǎn)單、工藝快捷、效果顯著、適用面廣，且不受構(gòu)件的大小、重量以及場(chǎng)地的限制，( g" |3 }9 b0 y5 J4 d. E+ b9 o
已廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重運(yùn)輸、冶金、化工等制造業(yè)，也滲入到核工業(yè)（核反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件、核聚變?cè)O(shè)備）、磁懸浮交通、宇航等高尖領(lǐng)域。幾個(gè)典型焊接構(gòu)件振
) G3 Y7 d: D7 s: r動(dòng)時(shí)效的效果分析見表4。, a6 s0 S/ x; a3 v6 O
表4 典例皆應(yīng)用功率不大于2KW的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，對(duì)一個(gè)構(gòu)件的處理時(shí)間一般為20－45分鐘，結(jié)果表明：振動(dòng)時(shí)效的消應(yīng)力效果為20－50％；盡管振動(dòng)時(shí)效不具備去氫和恢復(fù)塑性的功能，但從尺寸穩(wěn)定性比較，已達(dá)到和超過熱時(shí)效的水平，振動(dòng)時(shí)效是一種以消應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的替代熱時(shí)效的先進(jìn)工藝。盡管目前振動(dòng)時(shí)效在建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用尚少，
# }1 D6 }5 g N9 L但根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點(diǎn)與施工要求，振動(dòng)時(shí)效有可能成為今后建筑鋼結(jié)構(gòu)消應(yīng)力的主流工藝之一。% Z5 _: z! A' ^% K
2.4
$ l# V' K# M: m( I2 E# y振動(dòng)焊接（VW or VCW）* G/ t* V+ S" M' N' Y' C( B6 k7 E# C
振動(dòng)焊接又稱振動(dòng)調(diào)制焊接、隨焊振動(dòng)，是目前國內(nèi)外正在研發(fā)的新技術(shù)；在振動(dòng)時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)的附錄中，已確認(rèn)為可與振動(dòng)時(shí)效組合的工藝之一[1]。其不改變?cè)械暮附庸に�；在焊接過程，通過一個(gè)幾百瓦的小激振器對(duì)構(gòu)件注入頻率和振幅可控的振動(dòng)，即形成振動(dòng)焊接。這種限幅的振動(dòng)，勢(shì)必對(duì)焊接熔池和熱影響區(qū)產(chǎn)生一定的作用：
" [9 e5 i; W1 D# A; P* @8 b M⑴* ^6 l. a Q$ l3 U0 d- U
當(dāng)焊縫金屬在熔融狀態(tài)下，由于振動(dòng)使氣泡、雜質(zhì)等容易上浮、排除。