钢结构件焊接后残余应力的消除
本文主要介绍钢结构件因焊接后产生残余应力的解决方法以及如果控制残余应力。
陈立功1，倪纯珍1，卢立香2，张 敏3
（1.上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200030；
2. 上海宝冶建设有限公司，上海 201900；
3. 上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司，上海，200092）
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
|
位置
|
应力Mpa
|
最大主应力
|
最小主应力
|
剪应力
|
纵向应力
|
横向应力
|
|
上表面埋弧焊纵缝
|
极值
|
315
|
-95
|
133
|
77
|
287
|
|
平均值
|
157
|
2
|
78
|
64
|
94
|
|
|
下表面手工焊纵缝
|
极值
|
81
|
-74
|
79
|
48
|
-34
|
|
平均值
|
62
|
-46
|
54
|
31
|
-15
|
|
|
人孔封板手工焊缝
|
极值
|
261
|
94
|
79
|
232
|
133
|
|
平均值
|
184
|
103
|
41
|
173
|
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
|
残余应力（MPa）
|
最大主应力
|
最小主应力
|
纵向应力
|
横向应力
|
|
热处理前平均值
|
135
|
51
|
58
|
128
|
|
热处理后平均值
|
79
|
16
|
30
|
64
|
|
热处理前后差值
|
56
|
35
|
28
|
64
|
|
变化率（%）
|
41
|
68
|
48
|
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。
2.2 TIG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。
由此可见：TIG重熔对于焊缝的纵向残余应力改善不明显，残余应力绝对值下降不大；但对于纵向残余应力的均匀分布有一定效果。但对横向残余应力有明显的改善效果，残余应力绝对值下降明显而且分布趋于均匀。考虑到建筑钢结构的载荷特点以及生产效率的要求，TIG重熔可在横向拘束应力大的焊道上，作为缓和横向残余应力、降低应力集中的辅助工艺。
表3 重熔前后残余应力均值对比（材料：Q345；单位Mpa）
|
|
纵向应力
|
横向应力
|
||||
|
编号
|
重熔前
|
重熔后
|
下降量％
|
重熔前
|
重熔后
|
下降量％
|
|
1
|
209
|
199
|
5.0
|
56
|
57
|
-2.3
|
|
2
|
206
|
240
|
-16.4
|
59
|
64
|
-8.0
|
|
3
|
236
|
213
|
9.6
|
-57
|
29
|
-150.9
|
|
4
|
265
|
245
|
7.7
|
259
|
84
|
67.5
|
|
5
|
189
|
201
|
-6.4
|
206
|
114
|
44.6
|
|
6
|
221
|
219
|
0.7
|
105
|
70
|
33.4
|
表4 典型焊接构件振动时效的效果
|
工程
|
材料
|
尺寸mm/重量ton
|
消应力效％
|
|
200吨级行车大梁
|
Q235
|
29000*3200*2000
|
13-22
|
|
4000吨级锻机上横梁
|
Q235
|
130吨
|
29
|
|
港口起重机卷筒体
|
Q345
|
D1400*13800δ50
|
30－56
|
|
核聚变试验装置底板
|
304L
|
D7800 δ90
|
31
|
|
300MW火电机架
|
20G
|
D2900*3400
|
22-49
|
|
磁悬浮交通功能件
|
16Mn+软磁钢
|
3000*500*450
|
31
|
2.3 振动时效（VSR）
振动时效是对构件施加交变应力，与构件上的残余应力叠加达到材料的屈服应力，发生局部的宏观和微观塑性变形；这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处和构件的应力集中点，使这里的残余应力得以释放，达到降低和均化残余应力的作用。应用振动时效技术在我国已达25年，相继出台三个技术标准[1]，也已纳入我国建筑钢结构施工规范，技术成熟。由于振动时效经济性好、方法简单、工艺快捷、效果显著、适用面广，且不受构件的大小、重量以及场地的限制，已广泛应用于机床、起重运输、冶金、化工等制造业，也渗入到核工业（核反应堆内构件、核聚变设备）、磁悬浮交通、宇航等高尖领域。几个典型焊接构件振动时效的效果分析见表4。
表4典例皆应用功率不大于2KW的振动时效设备，对一个构件的处理时间一般为20－45分钟，结果表明：振动时效的消应力效果为20－50％；尽管振动时效不具备去氢和恢复塑性的功能，但从尺寸稳定性比较，已达到和超过热时效的水平，振动时效是一种以消应力、提高尺寸稳定性为目标的替代热时效的先进工艺。尽管目前振动时效在建筑钢结构应用尚少，但根据建筑钢结构的载荷特点与施工要求，振动时效有可能成为今后建筑钢结构消应力的主流工艺之一。
2.4 振动焊接（VW or VCW）
振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动，是目前国内外正在研发的新技术；在振动时效标准的附录中，已确认为可与振动时效组合的工艺之一[1]。其不改变原有的焊接工艺；在焊接过程，通过一个几百瓦的小激振器对构件注入频率和振幅可控的振动，即形成振动焊接。这种限幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用：
⑴ 当焊缝金属在熔融状态下，由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。
⑵ 在结晶过程振动可细化晶粒，使焊缝的力学性能得到提高。
⑶ 温度大于600℃的区域，材料在强度逐步恢复的冷却过程中，伴随振动的热塑性变形，使逐步形成的焊接残余应力得到降低和均化，可减少焊接变形及焊接裂纹的形成。
表5是对BB503厚板(90mm)电渣焊采用振动焊接的应力测量结果。BB503材料的屈服强度为295－315Mpa，试验表明：采用振动焊接（VW）或复合振动焊接（VSR+VW）可明显降低残余应力水平，且接头性能优化，如：侧弯合格率也由原25％上升为75-100％。对Q235材料焊接的H型轻钢（H900X200X6/8，长6m）的试验表明，振动焊接可使焊接变形下降21-32％。
表5 BB503厚板振动焊接的残余应力测量结果
|
工艺
|
|
最大主应力
|
最小主应力
|
纵向应力
|
横向应力
|
|
0.6gVW
|
极值
|
209
|
-92
|
206
|
85
|
|
|
平均值
|
117
|
-16
|
109
|
-8
|
|
0.3gVW＋0.6gVSR
|
极值
|
81
|
-121
|
64
|
24
|
|
|
平均值
|
37
|
-47
|
28
|
-39
|
国内外的研究和实验都表明，振动焊接工艺经济、简便、高效，特别是可以在大型焊接钢结构上实施，振动焊接在降低焊缝残余应力、减少工件变形、提高结构疲劳寿命、提高接头力学性能，即全面提高焊缝质量方面有显著作用。基于振动焊接的优点，在我国重大工程中，对一些采用热时效工艺有困难的结构，已开始试验振动焊接工艺，包括核聚变试验装置、大厚壁高炉炉体、大直径阀体等。若能加强振动焊接在建筑钢结构上的应用试验和技术标准的建设，振动焊接很可能成为补充、替代传统热时效的又一重要工艺。
2.5 超声冲击与锤击
超声冲击消应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消应力工艺的特点是：在超声频率（≥16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；试验表明：
⑴ 超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲击的表面会形成压应力，对2～4mm深度层消应力效果可达34～55％。
⑵ 采用焊趾冲击法，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19％，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。
⑶ 由于冲击工艺处理的特点，仅可以用于冲击工具可达的外表面，其工作效率约为1200mm2/min。
冲击工艺是以点接触、压应力屈服为主要特征的“面效应”型消应力工艺，伴随一定的振动时效效果，比较适合高拘束状态短焊缝的局部处理。如局部的焊接修复、大构件的组配焊接以及在厚壁结构上焊小构件，其焊缝处承受较大的拘束应力，且焊后易产生延迟冷裂纹等情况。可作为其它消应力工艺的补充工艺。
应用人工或气动的锤击消应力工艺，通过敲击振动及表面压应力屈服实现消应力效果。该工艺已进入美国钢结构焊接规范，我国也成功应用于大型转炉的焊接和大型水轮机异重金属焊接的消应力处理。由于锤击工艺难以规范，对周边干扰大，劳动强度高，往往作为补充、应急工艺。
2.6 爆炸法工艺
将特种专用炸药沿焊缝走向粘贴在焊缝附近。炸药引爆后产生连续的冲击波迫使结构的峰值应力区域发生塑性变形，以此达到消应力的目的。据报道消除厚度可达70mm，效果可达60％，瞬间完成，适合大型和特大型结构，在水利涵管方面应用较多。爆炸法消应力施工时十分强调安全措施，故在城市建筑中应用有一定困难。
3 讨论与结论
⑴ 建筑钢结构焊后存在高的残余应力，时效工艺可以明显降低应力水平，对安全性及使用寿命带来好处。
⑵ 上述消应力工艺皆可应用于建筑钢结构：其中热时效可作为重要零部件的整体消应力工艺；局部热时效、TIG重熔、超声冲击、锤击可作为现场拼焊后的消应力和控制应力集中的工艺；振动时效和振动焊接则可更广泛地满足零部件制造和现场拼焊控制残余应力的要求。
⑶ 在目前的建筑钢结构制造中，除热时效外尚有多种消应力工艺尚未得到有效应用，应加强应用试验，把在其它行业已成功的技术进行移植、推广应用，并逐步建立技术标准。
⑷ 我国的振动时效和振动焊接技术在国际上占领先地位；这两种工艺对建筑钢结构的载荷特点和制造要求具有良好的适用性，应首先加强这两种工艺的应用试验。
参考文献：
[1] JB/T10375-200，焊接结构振动时效工艺参数选择及要求[S]. 北京：中华人民共和国机械行业标准出版社，2002.
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