摘 要：; \4 ^1 p/ s) k
本文介紹了建筑鋼結構的焊接殘余應力測量結果及控制殘余應力的意義，以詳實的
) v3 Z+ J( \4 Q, N o1 K/ _+ B$ u$ z1 N" [數據分析了幾種可能采用的消應力方法，提出了在建筑鋼結構制造中采用振動時效與振動焊接3 W6 V( h$ L/ H, e) B+ g+ P# s
工藝的建議。/ x( j# P8 h$ A/ K5 }
關鍵詞：
- t0 `5 s2 }' y6 P- Y9 F建筑鋼結構；焊接；殘余應力；時效
* Q( }+ Y4 n3 j2 z/ n! ?% Q# S前言
& \% F7 U6 n: z/ m7 n, t' }0/ A% N2 E$ Y$ H! k6 B0 H X
建筑鋼結構是否需要和能否進行時效工藝，除熱時效外還有什么合適的消應力工藝可用于建筑鋼結構，是人們關心的問題。隨“奧運”和“世博”工程的推展，我國建筑鋼結構制造量近年迅猛上升。出現用鋼量達十萬噸的單體結構，結構鋼強度級別由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa 乃至460Mpa，結構件板厚達到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑鋼結構制造形勢對開展建筑鋼結構消應力技術應用研究及建立和完善相關的標準是個難得的機會。本文作者根據多年的實踐，介紹幾個大型鋼結構及建筑鋼結構工程的焊接殘余應力測量及應力消除的結果；以此為基礎，提出了在建筑鋼結構制造中采用振動時效與振動焊接工藝的建議。9 V# j2 }5 C, v) w
1 建筑鋼結構的殘余應力% Z/ S, T: v' V& g& w& U3 }( x- H. d
建筑焊接鋼結構與一般的焊接構一樣，同樣存在焊接殘余應力。以上海安亭蘊藻浜大橋為, M& ?9 ?0 s7 I% d9 j" o, l
例，鋼號為Q345B，σs=345MPa。其先在工廠進行箱型分段焊接，然后在現場進行拼焊。采用盲孔法對拼焊殘余應力進行測量，結果如表1：
9 s: h* g/ B% m3 u% Y, r表1 蘊藻浜大橋現場焊后殘余應力
- i* k6 C+ c7 s8 p位置 應力Mpa 最大主應力 最小主應力 剪應力 縱向應力 橫向應力) Y* |( j5 T3 V* J, ~3 s5 G' d' i
上表面埋弧焊縱縫 極值 315 -95 133 77 287
! W, @$ @: O; X/ [平均值 157 2 78 64 94
- J! j6 m3 Z! |# Y" p4 k下表面手工焊縱縫 極值 81 -74 79 48 -34
. G# k6 y2 P3 f, o; r平均值 62 -46 54 31 -153 j O, t- x8 \0 ]
人孔封板手工焊縫 極值 261 94 79 232 1330 z- y, |# R! t" J
平均值 184 103 41 173 114
X9 p7 h7 M$ ^* `+ e* ?8 ~: {( @表1: b8 ]/ f4 c$ v1 q& W8 h0 `1 ~2 E# b- T
結果表明：下表面焊縫為先焊焊縫，殘余應力水平比較低，而后焊接的上表面焊縫的應力水平則很高，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的數據也可以證實這種狀況。焊接構件由于存在高的拉伸殘余應力，且焊縫部位存在熱影響區、焊趾缺陷、接頭應力集中，形成構件上組織和力學的薄弱部位，有可能導致構件運行時的變形、早期開裂、應力腐蝕、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力，將可有效地提高構件的穩定性和安全性及使用壽命。4 N- h7 f) e+ |4 u% a6 A' T
2 建筑鋼結構殘余應力的消除工藝
! Z2 P) c0 u) R實際上一些高要求的建筑大型焊接鋼結構上已采用了時效工藝，包括有技術標準支持的熱時效、振動時效、TIG重熔和錘擊工藝，以及研發中的振動焊接、超聲沖擊、爆炸法技術。
' {8 c/ ]2 @; W3 C5 u2.1 熱時效
: e5 A$ D9 U* B9 n0 R: B表2 金茂大廈轉換柱熱時效消應力效果分析表9 C5 }" I* c/ D* U A1 _0 r
殘余應力（MPa） 最大主應力 最小主應力 縱向應力 橫向應力
+ g1 L. \; I9 Q3 a( b, d" V8 g) [熱處理前平均值 135 51 58 128. F; z* ]( |; P( m) x" V' c
熱處理后平均值 79 16 30 64
& b) k# }9 N8 F% ^$ |) D+ y( w [: j1 i熱處理前后差值 56 35 28 64
0 p: ]) q% t& R) I變化率（%） 41 68 48 50. T9 O3 M9 P: B7 a. i' F) q+ g. j
對重要焊接構件先進行整體熱時效，然后在現場與其它構件進行組合拼焊的工藝是建筑鋼結構制造常采用的方法。上海金茂大廈的鋼架采用全焊接結構，在工廠完成零部構件制造、且對受力構件－轉換柱先進行整體熱時效，然后運現場拼焊。采用盲孔法殘余應力測量技術對轉換柱熱時效工藝效果的評定結果見表2。
7 D( O5 N9 a0 x/ X5 M目前，熱時效仍是一種主流工藝，其具有焊縫去氫、恢復塑性和消應力三重功能。一般認為熱時效的消應力效果為40－80％，表2的結果符合這個規律；然而對建筑鋼結構而言，現場拼焊而產生的殘余應力將依然存在于鋼結構中，而在現場進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力，但加熱帶邊緣會產生新的熱處理應力，且局部熱時效實施比較困難，能耗很大。因此，需考慮其它補充、替代工藝。
/ {1 \2 f; \* `2.2 TIG 重熔0 k6 N g1 @/ V6 e1 ~
焊趾缺陷是一種焊道融合線上中難以避免的小而尖銳、連續的缺陷，往往成為結構疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG 重熔工藝對焊趾進行修整，重建裂紋起裂前的狀態，降低由于焊趾缺陷所造成的應力集中現象，以延長了疲勞壽命。同時TIG 重熔也能改善焊縫區的橫向殘余應力；上海寶冶工程技術公司進行重型門式起重機大梁維修，對其拘束模擬焊接試板焊縫TIG 重熔前后的殘余應力，通過X
) m7 ~( n5 i8 v- P: f射線方法進行測量，測定結果見表3。
由此可見：TIG重熔對于焊縫的縱向殘余應力改善不明顯，殘余應力絕對值下降不大；但對于縱向殘余應力的均勻分布有一定效果。但對橫向殘余應力有明顯的改善效果，殘余應力絕對值下降明顯而且分布趨于均勻。考慮到
; Z. N3 Z" H$ U: F# K+ k建筑鋼結構的載荷特點以及生產效率的要求，TIG重熔可在橫向拘束應力大的焊道上，作為緩和橫向殘余應力、降低應力集中的輔助工藝。. D( u G+ I2 V3 ]
表3
) {2 ^1 D( p- O8 ^重熔前后殘余應力均值對比（材料：Q345；單位Mpa）
8 [2 S1 k( P- q縱向應力 橫向應力編號 重熔前 重熔后下降量％ 重熔前 重熔后下降量％
8 e0 @7 B' g) L5 v# o3 Z- v- R* o1 209 199 5.0 56 57 -2.3 D" @# i- n n+ z" x
2 206 240 -16.4 59 64 -8.05 W+ b- s- n- H. R9 E1 i* R
3 236 213 9.6 -57 29 -150.9* @ \% }" c0 S/ F
4 265 245 7.7 259 84 67.5
/ K& t* [/ Q$ p5 189 201 -6.4 206 114 44.60 @! H u: ^; B. d' h% a5 T
6 221 219 0.7 105 70 33.4
$ ^7 F5 A D. i" `- m7 N9 v; h7 E表4 典型焊接構件振動時效的效果
1 }0 k$ x5 t/ e( L* P2.3
! N4 Z5 \5 d: e5 d( R+ K振動時效（VSR）* d. T3 t' X' t* I
振動時效是對構件施加交變應力，與構件上的殘余應力疊加達到材料的屈服應力，發生局部的宏觀和微觀塑性變形；這種塑性變形往往首先發生在殘余應力最大處和構件的應力集中點，使這里的殘余應力得以釋放，達到降低和均化殘余應力的作用。應用振動時效技術在我國已達25年，相繼出臺三個技術標準[1]，也已納入我國建筑鋼結構施工規范，技術成熟。由于振動時效經濟性好、方法簡單、工藝快捷、效果顯著、適用面廣，且不受構件的大小、重量以及場地的限制，
~$ U4 }: X( Q& R3 b& m8 E) A已廣泛應用于機床、起重運輸、冶金、化工等制造業，也滲入到核工業（核反應堆內構件、核聚變設備）、磁懸浮交通、宇航等高尖領域。幾個典型焊接構件振& p. `( w! i4 V0 `6 g8 @0 }' ]
動時效的效果分析見表4。* R. M2 j; s6 A( r5 j
表4 典例皆應用功率不大于2KW的振動時效設備，對一個構件的處理時間一般為20－45分鐘，結果表明：振動時效的消應力效果為20－50％；盡管振動時效不具備去氫和恢復塑性的功能，但從尺寸穩定性比較，已達到和超過熱時效的水平，振動時效是一種以消應力、提高尺寸穩定性為目標的替代熱時效的先進工藝。盡管目前振動時效在建筑鋼結構應用尚少，+ E6 s& O3 b7 z+ y& h- n
但根據建筑鋼結構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構消應力的主流工藝之一。
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振動焊接（VW or VCW）
* I1 j- S9 D( a& e8 f振動焊接又稱振動調制焊接、隨焊振動，是目前國內外正在研發的新技術；在振動時效標準的附錄中，已確認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產生一定的作用：
! b. ~ \0 S, j2 m, f, m⑴% G- x% U4 c7 J7 u3 A' W2 ]
當焊縫金屬在熔融狀態下，由于振動使氣泡、雜質等容易上浮、排除。