建筑钢结构的焊接残余应力与消除方法探索 - 机械社区

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
前言
0
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
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。