建筑钢结构的焊接残余应力与消除方法

建筑钢结构的焊接残余应力与消除方法摘要：本文介绍了建筑钢结构的焊接残余应力测量结果及控制残余应力的意义，以详实的数据分析了几种可能采用的消应力方法，提出了在建筑钢结构制造中采用振动时效与振动焊接工艺的建议。关键词：建筑钢结构；焊接；残余应力；时效0前言建筑钢结构是否需要和能否进行时效工艺，除热时效外还有什么合适的消应力工艺可用于建筑钢结构，是人们关心的问题。随“奥运”和“世博”工程的推展，我国建筑钢结构制造量近年迅猛上升。出现用钢量达十万吨的单体结构，结构钢强度级别由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa乃至460Mpa，结构件板厚达到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑钢结构制造形势对开展建筑钢结构消应力技术应用研究及建立和完善相关的标准是个难得的机会。本文作者根据多年的实践，介绍几个大型钢结构及建筑钢结构工程的焊接残余应力测量及应力消除的结果；以此为基础，提出了在建筑钢结构制造中采用振动时效与振动焊接工艺的建议。1建筑钢结构的残余应力建筑焊接钢结构与一般的焊接结构一样，同样存在焊接残余应力。以上海安亭蕴藻浜大桥为例，钢号为Q345B，σs=345MPa。其先在工厂进行箱型分段焊接，然后在现场进行拼焊。采用盲孔法对拼焊残余应力进行测量，结果如表1：表1蕴藻浜大桥现场焊后残余应力料位貌置柄骑应力币Mpa淋伪最大主应芝力级材最小主应棋力冤畜剪应磁力牢萌纵向应剂力腿筒横向应嗓力路日上表面埋弧焊舍纵抚缝迟啊极状值瞧旬315达-95支133哑77掀287池平均愚值呢卷157秧2帖78倚64姐94逮下表面手工焊饭纵唤缝烧茫极数值遇鸟81熊-74训79豆48母-34迁平均牛值冰做62彻-46蛇54心31哪-15竞人孔封板手工不焊踢缝蚊敲极退值鸡今261栋94拜79棉232拨133向平均草值但戚184歉103途41还173仙114表1结果表明：下表面焊缝为先焊焊缝，残余应力水平比较低，而后焊接的上表面焊缝的应力水平则很高，个别值接近母材σs，平均值接近或超过σs/2水平；下文表2、3、4的数据也可以证实这种状况。焊接构件由于存在高的拉伸残余应力，且焊缝部位存在热影响区、焊趾缺陷、接头应力集中，形成构件上组织和力学的薄弱部位，有可能导致构件运行时的变形、早期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂。因此，在可能的情况下采用适合的时效工艺以改善组织性能及消除残余应力，将可有效地提高构件的稳定性和安全性及使用寿命。2建筑钢结构残余应力的消除工艺实际上一些高要求的建筑大型焊接钢结构上已采用了时效工艺，包括有技术标准支持的热时效、振动时效、TIG重熔和锤击工艺，以及研发中的振动焊接、超声冲击、爆炸法技术。2.1热时效表2金茂大厦转换柱热时效消应力效果分析表是残余应力（围MPa寸）麦娱最大主应没力爬托最小主应吨力浩辛纵向应怪力调嫁横向应帜力熔厕热处理前平均看值处塘135颤51仓58清128盯热处理后平均茂值滥形79末16内30槽64愉热处理前后差云值桨四56晒35穿28可64浊变化率践（赏%于）旅欺41欢68帝48纱50对重要焊接构件先进行整体热时效，然后在现场与其它构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。上海金茂大厦的钢架采用全焊接结构，在工厂完成零部构件制造、且对受力构件－转换柱先进行整体热时效，然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果的评定结果见表2。目前，热时效仍是一种主流工艺，其具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为40－80％，表2的结果符合这个规律；然而对建筑钢结构而言，现场拼焊而产生的残余应力将依然存在于钢结构中，而在现场进一步采用热时效工艺就十分困难了；局部热时效可以降低被处理焊接接头的应力，但加热带边缘会产生新的热处理应力，且局部热时效实施比较困难，能耗很大。因此，需考虑其它补充、替代工艺。2.2TIG重熔焊趾缺陷是一种焊道融合线上中难以避免的小而尖锐、连续的缺陷，往往成为结构疲劳破坏的裂纹源。常采用TIG重熔工艺对焊趾进行修整，重建裂纹起裂前的状态，降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象，以延长了疲劳寿命。同时TIG重熔也能改善焊缝区的横向残余应力；上海宝冶工程技术公司进行重型门式起重机大梁维修，对其拘束模拟焊接试板焊缝TIG重熔前后的残余应力，通过X射线方法进行测量，测定结果见表3。糊由此可见：竖TI唐G森重熔对于焊缝查的纵向残余应暖力改善不明显脖，残余应力绝幕对值下降不大静；但对于纵向势残余应力的均荣匀分布有一定旅效果。但对横沾向残余应力有膛明显的改善效男果，残余应力挥绝对值下降明饿显而且分布趋挽于均匀。考虑械到就建筑钢结构的百载荷特点以及妖生产效率的要群求，达TIG竖重熔可在横向袋拘束应力大的势焊道上，作为食缓和横向国残余辈应力、降低尤应力集中的辅苏助工艺律。猴罩表贤3螺抬钻重熔前后残余仇应力均值对比醉（材料：摄Q345魔；单位欲Mpa册）宽深

脾漫纵向应墓力担勺横向应倒力补你编优号稿成重熔此前垄值重熔牺后甲阅下降量卸％识杰重熔寻前恐枯重熔游后舒巴下降量孩％缸厚1条209恨199征5.0开56话57歪-2.3淡2庆206么240枕-16.4河59善64亚-8.0垮3这236领213侵9.6楼-57铜29模-150.9忙思4移265蛾245麻7.7胸259泡84保67.5元5响189锄201扑-6.4飘206修114舅44.6斜6潮221刑219偷0.7倡105赖70项33.4覆表亦4忌老盼典型焊接构件舱振动时效的效耳果天励工岁程判源材扑料惜睡尺寸富mm拿/题重量记ton宣然消应力效喷％诵文200暂吨级行车大忧梁皇吵Q235测29000*洁3200*2舌000丧13-22隐400柔0姨吨级锻机上横脏梁蛾采Q235势130他吨当胃29鞠港口起重机卷唐筒艳体尽绞Q345衣D1400*炸1380慕0嘱δ独50槽30目－芬56尊核聚变试验装鸦置底漠板们盏304L疑倚D7800谋灶δ笋90源31缴300MW奋火电机毒架睛捎20G虎梁D2900*响3400诵22-49禁磁悬浮交通功伶能鸭件可旱16Mn宋+穿软磁芬钢妖辽3000*5贤00*450士践31葵2.3修矮振动时效野（董VS禁R衫）场理振动时效是对堪构件施加交变嚼应力，与构件伶上的残余应力绣叠加达到材料级的屈服应力，画发生局部的宏博观和微观塑性逼变形；这种塑堆性变形往往首亲先发生在残余袄应力最大处和待构件的应力集数中点，使这里消的残余应力得授以释放，达到指降低和均化残摊余应力的作用灵。应用振动时去效技术在我国伟已达你25药年，相继出台慰三个技术标准灾[1]增，也已纳入我丽国建筑钢结构呈施工规范，技窗术成熟。由于思振动时效经济研性好、方法简虽单、工艺快捷杯、效果显著、郑适用面广，且立不受构件的大痒小、重量以及舅场地的限制，指已广泛应用于饥机床、起重运烫输、冶金、化旧工等制造业，易也渗入到核工纪业（核反应堆便内构件、核聚植变设备）、磁挨悬浮交通、宇额航等高尖领域猎。几个典型焊冒接构件振动时枕效的效果分析奏见顺表基4作。草蛇表伯4哈典例皆应用功炒率不大于询2KW汗的振动时效设钩备，对一个构舒件的处理时间仗一般为光20讨－桐45萝分钟，结果表融明：振动时效互的消应力效果肠为比20粱－厉50菠％；尽管振动落时靠效不具备去氢雅和恢复塑性的满功能，但从尺寿寸稳定性比较甲，已达到和超羽过热时效的水三平，振动时效园是一种以消应典力、提高尺寸个稳定性为目标妈的替代热时效缩的先进工艺。片尽管目前振动策时效在建筑钢灶结构应用尚少王，但根据种建筑钢结构的村载荷特点与施保工要求，振动踪时效有可能成冈为今后建筑钢远结构消应力的算主流工艺之一风。教2.4晶伶振动焊接终（隙VWor茂VC匪W谢）剖成振动焊接吧又称振动调制烂焊接、随焊振宗动，是目前国铺内外正在研发宾的新技术；在已振动时效标准贸的附录中，已屈确认为可与振含动时效组合的碎工艺之一甩[1]鸣。其不改变原齿有的焊接工艺窗；在焊接过程岗，通过一个几惨百瓦的小激振威器对构件注入茂频率和振幅可陕控的振动，即身形成振动焊接秃。这种限幅的吩振动，势必对夸焊接熔池和热网影响区产生一眨定的作用：冰⑴裁当焊缝金属在愉熔融状态下，汗由于振动使气捏泡、杂质等容剑易上浮、排除缘。珠⑵窜在结晶过程振千动可细化晶粒暴，使焊缝的力民学性能得到提上高。无⑶落温度大于悼600亿℃耻的区域，材料耐在强度逐步恢眨复的冷却过程咬中，伴随振动宋的热塑性变形碌，使逐步形成乞的焊接残余应毫力得到降低和嫩均化，可减少付焊接变形及焊续接裂纹的形成把。极表撑5买是对总BB503惩厚板袍(取90mm窜)稀电渣焊采用振挖动焊接的应力窗测量结果。炒BB503折材料的屈服强挺度为戴295净－无315Mpa普，试验表明：铃采用振动焊接写（瓦VW垂）或复合振动絮焊接（贪VSR+VW帝）可明显降低授残余应力水平榆，且接头性能捉优化，如：侧秃弯合格率也由沟原幕25驾％上升为墓75-100此％。对听Q235奋材料焊接的诸H咽型轻钢（摔H900X2饮00X6/8绩，长裳6m怜）的试验表明丝，振动焊接可蠢使焊接变形下贿降族21-32冤％。锄表茧5BB5阁03歪厚板振动焊接回的残余应力测屿量结钳果苹宽工厚艺描娃

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扛表平均迫值闪捧37斤-47润28狼-39斑国内外的研究争和实验都表明却，振动焊接工拣艺经济、简便伙、高效，特别症是可以在大型浊焊接钢结构上跳实施，振动焊骆接在降低焊缝理残余应力、减柿少工件变形、信提高结构疲劳常寿命、提高接存头力学性能，滚即全面提高焊产缝质量方面有警显著作用。基酬于振动焊接的阵优点，在我国吴重大工程中，定对一些采用热贵时效工艺有困治难的结构，已逗开始试验振动枯焊接工艺，包锻括核聚变试验锈装置、大厚壁岩高炉炉体、大返直径阀体等。柏若能加强振动史焊接在建筑钢调结构上的应用海试验和技术标傻准的建设，振分动焊接很可能狂成为补充、替笑代传统热时效兄的又一重要工方艺。本2.5竟魔超声冲击与锤桑击瞒浅超声冲击消应违力技术由乌克年兰巴顿焊接研灯究所提出，近聚年引入我国，佳已在北京电视奏台钢结构立柱仪上进行过试验宅。超声冲击消氧应力工艺的特戒点是：在超声让频率霜（率≥络16KHz岂）下应用束状泪冲头，在对焊妹趾和焊缝表面桃进行冲击；试漫验表明：博⑴壶超声冲击对一蜜定深度的表层满有消应力的效到果，在采用对初焊道全覆盖冲跃击时，被冲击抹的表面会形成助压应力，赚对朴2阴～顽4m厚m甜深度层消应力辰效果可罗达成3续4爷～尊5狐5慈％。防⑵广采用焊趾冲击兼法，可以快速私修复焊趾的缺祸陷，降低应力诱集中。并伴随名其压应力区的苹作用可以在一雄定程度上降低养焊趾边未受冲博击焊缝的残余肆应力，下降率铺达悲1花9赠％，对提高接犬头的疲劳寿命势有明显作用。腥⑶驰由于冲击工艺为处理的特点，论仅可以用于冲合击工具可达的予外表面，其工沸作效率约为竞1200mm阅2狂/min泉。蔽冲击工艺是以倚点接触、排压应力屈服为扫主要特征妖的挎“袭面效松应烧”草型消应力工艺绞，桶伴随一定的振悼动时效效果，践比较适合高拘泻束状态短焊缝仍的局部处理。梅如局部的焊接槐修复、大构件驻的组配焊接以埋及在厚壁结构誓上焊小构件，厨其焊缝处承受师较大的拘束应逃力，且焊后易躬产生延迟冷裂押纹等情况。可面作为其它消应纹力工艺的补充黑工艺。身应用人工或气亏动的锤击消应晓力工艺，通过横敲击振动及表泻面压应力屈服去实现消应力效爱果。该工艺已立进入美国钢结蒸构焊接规范，发我国也成功应吵用于大型转炉稳的焊接和大型摇水轮机异重金碌属焊接的消应虹力处理。由于停锤击工艺难以置规范，对周边拳干扰大，劳动惊强度高，往往眠作为补充、应巴急工艺。盯2.6逮适爆炸法工便艺诞争将特种专用炸塑药沿焊缝走向侍粘贴在焊缝附左近。炸药引爆更后产生连续的殖冲击波迫使结析构的峰值应力环区域发生塑性裁变形，以此达意到消应力的目裹的。据报道消膏除厚度可达拥70mm牌，效果可达折60堆％，瞬间完成餐，适合大型和搏特大型结构，暖在水利涵管方姜面应用较多。猴爆炸法消应力保施工时十分强义调安全措施，扎故在城市建筑秧中应用有一定鸦困难。汁3离涛讨论与结债论田弦⑴妹建筑钢结构焊窗后存在高的残裙余应力，时效碍工艺可以明显财降低应力水平病，对安全性及腹使用寿命带来体好处。璃⑵清上述消应力工抵艺皆可应用于幼建筑钢结构：涂其中热时效可宣作为重要零部材件的整体消应荣力工艺；局部询热时效、亦TIG鸽重熔、超声冲叛击、锤击可作茎为现场拼焊后节的消应力和控冻制应力集中的百工艺；振动时讽效和振动焊接肢则可