公路斜拉橋中焊接殘余應(yīng)力的減小與消除的探析

劉興國, 王 冰

(1.哈爾濱學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省地下工程技術(shù)重點實驗室 黑龍江 哈爾濱 150086)

1 概述

伴隨我國公路里程的不斷增長，公路斜拉橋數(shù)量也在不斷增加，橋梁跨徑加大，所采用的鋼構(gòu)件大小也相應(yīng)加大。對厚鋼板進(jìn)行焊接時，不能準(zhǔn)確模擬焊接殘余應(yīng)力的大小，剛度厚度超過40 mm時焊接殘余應(yīng)力愈加顯著[1]。殘余應(yīng)力會對結(jié)構(gòu)疲勞強度、應(yīng)力腐蝕等產(chǎn)生重大作用[2]。目前，學(xué)者們熱衷于對斜拉橋錨拉板焊接殘余應(yīng)力的試驗研究[3-5]，但對焊接殘余應(yīng)力的減小與消除技術(shù)研究相對較少。由于焊接時溫度發(fā)生改變，導(dǎo)致焊接區(qū)域形成焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力和額外增加荷載形成的應(yīng)力相加在一起，使得鋼構(gòu)件局部應(yīng)力過大，削減了原有的承載力，可能造成鋼構(gòu)件外形產(chǎn)生改變，如果改變過大，則構(gòu)件作廢。

超聲沖擊技術(shù)是借用大功率能量使沖擊頭振動，用大約2萬次/s的頻率沖撞碰擊金屬物理最外層，頻率高、效率高以及能量大使得金屬最外層發(fā)生比較大的壓縮塑性變形，而且超聲沖擊使原應(yīng)力場發(fā)生變化，形成壓應(yīng)力，繼而優(yōu)化結(jié)構(gòu)件熱影響區(qū)特性[6-8]。本文采用超聲沖擊處理工藝研究如何減小和消除斜拉橋錨拉板焊接殘余應(yīng)力，對同類橋梁制造具有重要指導(dǎo)意義。

2 模型制作與試驗方法

2.1 模型制作

某公路黃河大橋的主橋跨徑是由(4×38)m簡支箱梁+(65+120+360+120+65)m 斜拉橋+(5×38)m 簡支箱梁組成。該黃河大橋的錨拉板 N1 其厚度為40 mm與50 mm，焊接在工字梁主梁的上翼緣板上，上翼緣板的厚度是 36 mm，關(guān)鍵構(gòu)件鋼材使用 Q370qe。圖1為錨拉板構(gòu)造，圖中N1為錨板，N4為錨管，兩者之間的焊縫為關(guān)鍵受力焊縫，為本文研究對象，N2 板和 N3 板是加勁板。參照此黃河大橋錨拉板構(gòu)造圖，制造了1 個比例縮尺錨拉板模型W，見圖2。

圖1 錨拉板構(gòu)造

圖2 W試件

2.2 試驗方法

本文運用HY2050G 超聲沖擊設(shè)備，對斜拉橋錨拉板適用Q370qe鋼材焊接熱影響區(qū)實施超聲沖擊試驗，采用盲孔法檢測超聲沖擊前后熱影響區(qū)的應(yīng)力，通過探討熱影響區(qū)焊接殘余應(yīng)力在不同超聲沖擊處理工藝下產(chǎn)生的改變，并分析其規(guī)律，繼而為斜拉橋錨拉板的生產(chǎn)制造提供有效建議。

首先使用盲孔法測量焊縫錨管側(cè)和錨板側(cè)的焊接殘余應(yīng)力，找到錨管側(cè)和錨板側(cè)的焊接殘余應(yīng)力近似相等的點，并標(biāo)記下來，錨管側(cè)標(biāo)記3個測量點，為1、2、3，錨板側(cè)標(biāo)記3個測量點，為1*、2*、3*，作為接下來試驗的試驗點。焊接時使用氣體保護(hù)焊，對W試件焊縫錨板側(cè)的熱影響區(qū)實行全方位超聲沖擊處理。在進(jìn)行超聲沖擊處理時，頻率不變，使用20 kHz，使用3個沖擊電流，即IA、IB、IC，及3個沖擊時間，即tA、tB、tC，組成9組沖擊處理工藝參數(shù)，另外，10&試驗組表示不沖擊處理試件，見表1。

超聲沖擊處理結(jié)束之后，使用盲孔法對焊縫兩邊熱影響區(qū)標(biāo)記測量點的殘余應(yīng)力進(jìn)行分別測量[7-11]，測量點與焊趾之間相距2 mm。經(jīng)每組超聲沖擊處理工藝參數(shù)處理的試件都要測量3個應(yīng)力點 1*、2*、3*，臨近測量點間的間距不小于20 mm。另一邊沒有進(jìn)行沖擊的熱影響區(qū)在對應(yīng)地點測量3個點1、2、3，見圖3。

表1 沖擊處理工藝參數(shù)Table1 TechnologicalparametersofUIT試驗電流值I/A時間值t/s1&(IAtA)2.4(IA)110(tA)2&(IBtA)2.9(IB)110(tA)3&(ICtA)3.5(IC)110(tA)4&(IAtB)2.4(IA)255(tB)5&(IBtB)2.9(IB)255(tB)6&(ICtB)3.5(IC)255(tB)7&(IAtC)2.4(IA)412(tC)8&(IBtC)2.9(IB)412(tC)9&(ICtC)3.5(IC)412(tC)10&(I0t0)0(I0)0(t0)

圖3 測試點位置(單位：mm)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 無超聲沖擊處理試件應(yīng)力測試

10&試件沒有進(jìn)行沖擊處理，其焊縫兩邊的應(yīng)力值和應(yīng)變值見表2。σmax為主應(yīng)力的最大值，σmin為主應(yīng)力的最小值，θ表示σmax和應(yīng)變ε之間的夾角，ε1、ε2、ε3依次表示0°、45°、90°方向的應(yīng)變值。因為對材料以及焊接結(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生影響起主導(dǎo)作用的是最大主應(yīng)力，所以本文探討分析的對象是最大主應(yīng)力。

表2 無超聲沖擊焊接熱影響區(qū)測試結(jié)果Table2 Residualstressmeasuredresultsofnon-UITHAZ測試點主應(yīng)力/MPaσmaxσmin夾角θ/(°)應(yīng)變(×106)ε1ε2ε31323.9667.527.75-279.65-53.3876.201?311.8799.58-5.91-256.45-137.5742.622335.57-54.67-8.94-340.58-157.44194.62?312.03-28.61-15.68-284.16-198.85136.783320.2436.61-13.4-275.58-183.0390.143?317.1786.307.43-265.51-63.1255.83

由表2可知，在測試點1和1*處的最大主應(yīng)力分別為323.96、311.87 MPa，差值為12.10 MPa，大約是此位置最大主應(yīng)力的3.7%。在測試點2和2*處的最大主應(yīng)力分別為335.57 MPa和312.03 MPa，差值為23.54 MPa，大約是此位置最大主應(yīng)力的7.0%。在測試點3和3*處的最大主應(yīng)力分別為320.24 MPa和317.17MPa，差值為3.07 MPa，大約是此位置最大主應(yīng)力的1.0%。在與焊縫之間的距離相等的情況下，錨管上的殘余應(yīng)力值高于錨板上的殘余應(yīng)力值，這是因為錨管本身是一個整體，會進(jìn)行自我束縛，焊接過程中發(fā)生的塑性變形大，使得殘余應(yīng)力大。但是，以上3組測試點的應(yīng)力差值占該處最大應(yīng)力差值的比值均未大于10%，因此認(rèn)為沒有進(jìn)行沖擊處理的以上3組焊縫兩邊相對應(yīng)地點的應(yīng)力值相同，進(jìn)而方便超聲沖擊處理前和超聲沖擊處理后焊縫兩邊應(yīng)力值作比較。

3.2 超聲沖擊處理前后應(yīng)力測試

通過使用9組沖擊處理工藝參數(shù)處理試件完成后得到試件焊縫兩邊熱影響區(qū)的應(yīng)力值，見圖4。

圖4 超聲沖擊處理前后殘余力對比

由圖4可知，焊接熱影響區(qū)的最大主應(yīng)力的值在沒有進(jìn)行沖擊處理的情況下都是正數(shù)，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，測量地點不同，所測得的值也有差別。經(jīng)過超聲沖擊處理之后，焊接熱影響區(qū)的最大主應(yīng)力的值多是負(fù)數(shù)，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。參考宏觀的應(yīng)力應(yīng)變和微觀的差排理論來解析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因。焊接時加熱以及冷卻不均等使得溫度變化不一致而在熱影響區(qū)形成殘余應(yīng)力，其從微觀層面上看是差排結(jié)構(gòu)的宏觀架構(gòu)，此殘余應(yīng)力排列組合形式不一樣，相應(yīng)的宏觀殘余應(yīng)力分布也不一樣。焊接熱影響區(qū)的差排結(jié)構(gòu)狀態(tài)位于不穩(wěn)固的高能量狀態(tài)，通過超聲沖擊處理，宏觀上熱影響區(qū)表面發(fā)生塑性變形，微觀上差排結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，呈現(xiàn)出拉應(yīng)力減小，或者改變成壓應(yīng)力[9-11]。

為了便于分析在不同的超聲沖擊處理工藝參數(shù)下，焊接殘余應(yīng)力減小和消除的效果，利用消減率ψ表示，如公式(1)所示：

φ=(σ前-σ后)/σ前×100%

(1)

式中：σ前表示1、2、3的3個沒有進(jìn)行沖擊處理的測量點的最大主應(yīng)力；σ后表示1*、2*、3*的3個進(jìn)行沖擊處理后的測量點的最大主應(yīng)力。不同參數(shù)下超聲沖擊完成后，殘余應(yīng)力的消減率見表3。

表3 殘余應(yīng)力消減率Table3 Removalrateofresidualstres試驗組123平均值1&(IAtA)90.180.8117.596.22&(IBtA)101.1118.4112.9110.83&(ICtA)132.5115.1123.4123.74&(IAtB)115.164.886.789.05&(IBtB)104.4130.8110.6116.36&(ICtB)167.0114.9112.7131.57&(IAtC)80.0103.095.192.78&(IBtC)142.588.998.8110.19&(ICtC)128.5120.6105.4118.2

由表3可知，使用超聲沖擊處理之后 Q370qe鋼板焊接熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力消減率在89%～131%之間，表明超聲沖擊處理對殘余應(yīng)力的減小和消除有比較好的成效。另外，在沖擊時間不變的情況下，沖擊電流增加，消減率隨之增加；在沖擊電流不變的情況下，沖擊時間增加，消減率沒有顯著地變化規(guī)律。

3.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)上節(jié)研究可知，殘余應(yīng)力減小和消除的原由概括為宏觀層面的應(yīng)力應(yīng)變和微觀層面的差排結(jié)構(gòu)變化。宏觀層面來說，焊接熱影響區(qū)表面的超聲沖擊力和殘余應(yīng)力相重疊后加在一起超過Q370qe鋼板的屈服強度，此時，鋼板表面出現(xiàn)塑性變形，而且微觀層面上鋼板的差排結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變動，使得殘余應(yīng)力產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，如公式(2)所示[13-14]：

σ沖+σ殘>σs

(2)

式中：σ沖為超聲沖擊力；σ殘為殘余應(yīng)力；σs為鋼板的屈服強度。

在沖擊時間不變的情況下，沖擊電流增加，超聲沖擊力σ沖也增加，使得鋼板表面的塑性變形加大，同時差排結(jié)構(gòu)的變動加大，而殘余應(yīng)力逐漸減小，最后提高了消減率。

焊接熱影響區(qū)表面出現(xiàn)塑性變形，此時鋼板必定出現(xiàn)冷作硬化，造成σs增加，在σ沖和σ殘的和與σs相等的情況下，鋼板表面不會出現(xiàn)塑性變形，與此同時殘余應(yīng)力的消減率ψ 處于飽和狀態(tài)。僅有持續(xù)增加沖擊電流I，加大超聲沖擊力σ沖，使得σ沖和σ殘的和超過σs，才可以沖破這種相等的狀況，符合公式(2)。持續(xù)出現(xiàn)塑性變形，差排結(jié)構(gòu)持續(xù)變動，殘余應(yīng)力繼續(xù)減小和消除。然而，冷作硬化也在增加，殘余應(yīng)力消減率ψ提高的速率減緩。

在沖擊電流I不變的情況下，超聲沖擊力σ沖是定值，沖擊時間t持續(xù)提高，焊接熱影響區(qū)表面塑性變形漸漸穩(wěn)固，如果接著提高沖擊時間，此時不會出現(xiàn)塑性變形，微觀差排結(jié)構(gòu)沒有顯著改變，所以殘余應(yīng)力消減率ψ停止提高，保持不變。故而本文試驗采用的3個沖擊時間tA、tB、tC沒有對殘余應(yīng)力消減率ψ的變化產(chǎn)生顯著作用。

4 結(jié)論與建議

a.焊縫兩邊和焊縫距離相等的情況下，錨管上的殘余應(yīng)力值高于錨板上的殘余應(yīng)力值。在設(shè)計制作錨管時，通過加大錨管的強度和尺寸來減小錨管上的殘余應(yīng)力，同時提高了斜拉橋錨拉板的使用年限。

b.超聲沖擊處理可以把Q370qe鋼板焊接殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力，對斜拉橋錨拉板焊接殘余應(yīng)力的減小和消除有比較好的成效。

c.在沖擊時間不變的情況下，增加沖擊電流可以增大沖擊力，使得殘余應(yīng)力焊接熱影響區(qū)塑性變形和位錯結(jié)構(gòu)改變增大，繼而消減率隨之增加，但是增加的速度減緩。

d.在沖擊電流不變的情況下，沖擊時間增加，消減率沒有顯著的變化規(guī)律。

e.超聲沖擊處理工藝對斜拉橋中焊接殘余應(yīng)力的減小和消除有比較好的成效，除此之外，對構(gòu)件進(jìn)行裝配和生產(chǎn)時采用先進(jìn)的加工技術(shù)，盡可能地提高生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，施工時必須嚴(yán)格監(jiān)督，盡量減小人為差錯。