摘 要：
% }: A4 S; F/ \' a8 b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
, k/ h$ o u9 Y& B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4 M# z3 h: \, \8 w0 U1 Z0 P
工藝的建議。
* z8 ~( B, y& ?+ F5 Y5 ?& D關(guān)鍵詞：
6 z, y/ @5 } A1 }' [8 T# j0 d建筑鋼結(jié)構(gòu)；焊接；殘余應(yīng)力；時(shí)效* @( a- ?3 ?& m% t- i! M
前言3 q- Z, A! E3 V: Z
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# p0 T+ b' x, p+ D" ]* S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。* {& [& w, C9 L6 r
1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力
' B: M9 `1 r4 w! T l, O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">: O- L' K& t3 ]( S
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 H* Z' T% L5 @7 @ N( [' |$ I
表1 蘊(yùn)藻浜大橋現(xiàn)場(chǎng)焊后殘余應(yīng)力
, \* k. E ^0 x9 K$ n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/ N- r2 t& ]$ {! V& d
上表面埋弧焊縱縫 極值 315 -95 133 77 2870 B- M" b* v: Y' E
平均值 157 2 78 64 94
( R% b6 F; k$ X- |下表面手工焊縱縫 極值 81 -74 79 48 -34( _" B) k8 U9 b0 G
平均值 62 -46 54 31 -155 Q) c2 y* L+ R& W8 E! k
人孔封板手工焊縫 極值 261 94 79 232 133
. i* H& y1 i/ z# b+ W+ t: K平均值 184 103 41 173 114
9 X5 K; \( f# e表1+ S3 J0 e( F0 Q% v, l& X
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。
" p/ k5 C0 c, z& [2 建筑鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的消除工藝5 J7 N ]) E" J; a5 H: y' i
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)。
; O% a; G5 K/ Z- y. [2.1 熱時(shí)效
5 C: Z8 U, Z7 _' x* Z; v表2 金茂大廈轉(zhuǎn)換柱熱時(shí)效消應(yīng)力效果分析表
6 S' j) y J5 G' @* r( ?2 R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
. z% a* \7 }: w熱處理前平均值 135 51 58 128
; i% U L& H C' E9 U/ o8 ^熱處理后平均值 79 16 30 64
3 _" x8 K% v% b9 k* m熱處理前后差值 56 35 28 64
! i1 |1 u" ?/ a: ?4 f變化率（%） 41 68 48 50
; T @; T$ {1 r9 O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。
8 s/ o/ _/ v5 j$ s) s" B9 C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。. X# P; {! U3 B" g* |- E
2.2 TIG 重熔
2 S5 U b* b1 t2 n% h d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
9 W* `! s- z& a: k. x h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
# z% S% L2 |1 o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。' P. M" R J% {" i
表3# E4 E$ A1 P8 `2 _# k
重熔前后殘余應(yīng)力均值對(duì)比（材料：Q345；單位Mpa）
0 `7 _7 j: J) r8 m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％; h, H. c: A" F. S9 t
1 209 199 5.0 56 57 -2.3
* ]: K) d& n: g# l- B- n7 B( X2 t6 ]2 206 240 -16.4 59 64 -8.0
: e& ^. C# L- x. x8 o! M3 236 213 9.6 -57 29 -150.9
0 n* O, N; ~5 o4 W4 r4 265 245 7.7 259 84 67.5
/ j' F. Z, w/ a2 J5 189 201 -6.4 206 114 44.6
% |* M+ _0 C# o6 221 219 0.7 105 70 33.45 d8 o% h" ?2 z/ _/ T$ m
表4 典型焊接構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效的效果* Q+ }# u/ |( Q
2.3
7 j5 ~( v2 m: d1 d( j振動(dòng)時(shí)效（VSR）
/ n9 u; r/ _8 I# N. N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，' A/ q! ]" |& n% l" _; I; P- \5 H
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
: U K$ C7 v! Z6 r! s% j. }1 P動(dòng)時(shí)效的效果分析見表4。
4 x/ _6 ?, Y N3 r& a- Q! q% R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，
( e) `. H$ E$ h y1 r4 \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。5 f- r( U6 w7 T# E9 z
2.44 g/ `+ d$ e9 _
振動(dòng)焊接（VW or VCW）0 V$ M+ U6 w7 T, `3 f. n* s
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：
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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。