摘 要：
' o: }. c, _9 O; Q1 m. O7 M0 P本文介紹了建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力測量結(jié)果及控制殘余應(yīng)力的意義，以詳實的+ X" U0 D6 w$ D5 A0 `2 s9 v; P
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)制造中采用振動時效與振動焊接# r5 F- h6 C9 L* }/ I4 A
工藝的建議。
( p; r, u+ V0 f關(guān)鍵詞：
5 z4 q* r) p7 w建筑鋼結(jié)構(gòu)；焊接；殘余應(yīng)力；時效; ~8 I1 `5 ^1 u |. m2 L/ E
前言5 J7 J" h6 y2 q
0( a* O7 a7 a9 |/ X) L
建筑鋼結(jié)構(gòu)是否需要和能否進(jìn)行時效工藝，除熱時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)制造形勢對開展建筑鋼結(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)是個難得的機(jī)會。本文作者根據(jù)多年的實踐，介紹幾個大型鋼結(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)制造中采用振動時效與振動焊接工藝的建議。3 ]& `. \0 o. y) c* p+ u* L2 @( t7 `
1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力
' U, r& ~7 J) e. T1 P# 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)藻浜大橋為. m1 P7 ^, p* X3 R. {- G
例，鋼號為Q345B，σs=345MPa。其先在工廠進(jìn)行箱型分段焊接，然后在現(xiàn)場進(jìn)行拼焊。采用盲孔法對拼焊殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，結(jié)果如表1：
% ^# H) _- u, z表1 蘊(yùn)藻浜大橋現(xiàn)場焊后殘余應(yīng)力! t3 G8 q0 O9 }% ~& y8 B
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
5 _/ ^5 f& p* @2 G/ w* ^+ P上表面埋弧焊縱縫 極值 315 -95 133 77 287- n; t4 z# I0 S
平均值 157 2 78 64 94
( o+ n1 Q7 M# N. K) \" w. ^# S8 c/ e下表面手工焊縱縫 極值 81 -74 79 48 -34( K$ o" X5 T! Z* [+ h, `, X
平均值 62 -46 54 31 -15* T* x) v& t9 E
人孔封板手工焊縫 極值 261 94 79 232 133, _# d' p5 ]% a, \: M$ ] |
平均值 184 103 41 173 114
/ U0 g0 g% Y K( |% Z$ B" N表1& V5 n) A- l6 a1 ~& K8 U! c& J
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。3 |" P' ]. T q
2 建筑鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的消除工藝
6 H& X& _ e. e0 V實際上一些高要求的建筑大型焊接鋼結(jié)構(gòu)上已采用了時效工藝，包括有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持的熱時效、振動時效、TIG重熔和錘擊工藝，以及研發(fā)中的振動焊接、超聲沖擊、爆炸法技術(shù)。1 h6 Q. j, i( k
2.1 熱時效8 W/ o' a# k) O, @
表2 金茂大廈轉(zhuǎn)換柱熱時效消應(yīng)力效果分析表
+ R! O2 B, B3 _' ^7 q% s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
) s* S- E: D3 I$ r* a熱處理前平均值 135 51 58 128
+ E& N$ T4 _/ k熱處理后平均值 79 16 30 644 t! N* _5 I' F/ L
熱處理前后差值 56 35 28 64
5 ]4 v" v' L/ B' ?0 g變化率（%） 41 68 48 50; }8 `2 V9 p9 Z1 O ~: q8 B% c
對重要焊接構(gòu)件先進(jìn)行整體熱時效，然后在現(xiàn)場與其它構(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、且對受力構(gòu)件－轉(zhuǎn)換柱先進(jìn)行整體熱時效，然后運(yùn)現(xiàn)場拼焊。采用盲孔法殘余應(yīng)力測量技術(shù)對轉(zhuǎn)換柱熱時效工藝效果的評定結(jié)果見表2。) W5 `1 l# \9 C. v# S; b* D) @7 l
目前，熱時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)為熱時效的消應(yīng)力效果為40－80％，表2的結(jié)果符合這個規(guī)律；然而對建筑鋼結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)場拼焊而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將依然存在于鋼結(jié)構(gòu)中，而在現(xiàn)場進(jìn)一步采用熱時效工藝就十分困難了；局部熱時效可以降低被處理焊接接頭的應(yīng)力，但加熱帶邊緣會產(chǎn)生新的熱處理應(yīng)力，且局部熱時效實施比較困難，能耗很大。因此，需考慮其它補(bǔ)充、替代工藝。/ U+ _- u( e6 F) ~: S7 T" |2 M! w
2.2 TIG 重熔: N! }7 k+ j3 x/ W6 U2 X
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
4 \6 ?8 R" P6 \2 [) j& {: L5 T. q射線方法進(jìn)行測量，測定結(jié)果見表3。
由此可見：TIG重熔對于焊縫的縱向殘余應(yīng)力改善不明顯，殘余應(yīng)力絕對值下降不大；但對于縱向殘余應(yīng)力的均勻分布有一定效果。但對橫向殘余應(yīng)力有明顯的改善效果，殘余應(yīng)力絕對值下降明顯而且分布趨于均勻�？紤]到: b' Q" B) E' `9 U* ~
建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點以及生產(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。
* Q6 b f: a: ~3 o8 h表3- m( y& Y3 M5 M- X5 U7 Y5 _" ^* r
重熔前后殘余應(yīng)力均值對比（材料：Q345；單位Mpa）/ n/ g7 h2 e- [: h
縱向應(yīng)力 橫向應(yīng)力編號 重熔前 重熔后下降量％ 重熔前 重熔后下降量％
/ ~! C# @: x5 T+ y: T% w1 209 199 5.0 56 57 -2.3 [2 ] D T4 S3 r) g
2 206 240 -16.4 59 64 -8.0
* j3 F7 p' {% ~, y( s x7 a3 236 213 9.6 -57 29 -150.9# n( K l6 W3 ]' L% a; { c4 _
4 265 245 7.7 259 84 67.5; G2 ?; W1 j5 b9 v/ N$ t4 X$ `7 e
5 189 201 -6.4 206 114 44.6$ k6 [ g) i J8 T
6 221 219 0.7 105 70 33.4, `0 E0 E4 C8 Q! }/ w
表4 典型焊接構(gòu)件振動時效的效果
4 L0 q6 A0 v+ O4 O7 [2.37 N& \- W: _1 O- o
振動時效（VSR）
9 u! d" X/ C; X! n+ D: w. V; K振動時效是對構(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，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)用振動時效技術(shù)在我國已達(dá)25年，相繼出臺三個技術(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。由于振動時效經(jīng)濟(jì)性好、方法簡單、工藝快捷、效果顯著、適用面廣，且不受構(gòu)件的大小、重量以及場地的限制，7 v/ A1 g' v. A; `# w* l
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、核聚變設(shè)備）、磁懸浮交通、宇航等高尖領(lǐng)域。幾個典型焊接構(gòu)件振+ L Z& a9 K: K0 t/ h. Z% Y: a: K
動時效的效果分析見表4。3 H c0 `- {* R) L! I$ t, C$ ?
表4 典例皆應(yīng)用功率不大于2KW的振動時效設(shè)備，對一個構(gòu)件的處理時間一般為20－45分鐘，結(jié)果表明：振動時效的消應(yīng)力效果為20－50％；盡管振動時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)到和超過熱時效的水平，振動時效是一種以消應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的替代熱時效的先進(jìn)工藝。盡管目前振動時效在建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用尚少，
0 @/ {! D p; s( c" Z' h1 l: @7 Z但根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點與施工要求，振動時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。$ N* y9 y8 O0 |6 O$ o' `% ?& k
2.4
1 [5 {- u, z: x) y3 ^7 j' @6 |振動焊接（VW or VCW）: M: r* h( u% d* X0 S: ?
振動焊接又稱振動調(diào)制焊接、隨焊振動，是目前國內(nèi)外正在研發(fā)的新技術(shù)；在振動時效標(biāo)準(zhǔn)的附錄中，已確認(rèn)為可與振動時效組合的工藝之一[1]。其不改變原有的焊接工藝；在焊接過程，通過一個幾百瓦的小激振器對構(gòu)件注入頻率和振幅可控的振動，即形成振動焊接。這種限幅的振動，勢必對焊接熔池和熱影響區(qū)產(chǎn)生一定的作用：( m0 `0 b* j% a. i( q, \
⑴" w! Y% Q, b5 E
當(dāng)焊縫金屬在熔融狀態(tài)下，由于振動使氣泡、雜質(zhì)等容易上浮、排除。