建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力與消除方法摘要：本文介紹了建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力測量結(jié)果及控制殘余應(yīng)力的意義，以詳實(shí)的數(shù)據(jù)分析了幾種可能采用的消應(yīng)力方法，提出了在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中采用振動時效與振動焊接工藝的建議。關(guān)鍵詞：建筑鋼結(jié)構(gòu)；焊接；殘余應(yīng)力；時效0前言建筑鋼結(jié)構(gòu)是否需要和能否進(jìn)行時效工藝，除熱時效外還有什么合適的消應(yīng)力工藝可用于建筑鋼結(jié)構(gòu)，是人們關(guān)心的問題。隨“奧運(yùn)”和“世博”工程的推展，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)制造量近年迅猛上升。出現(xiàn)用鋼量達(dá)十萬噸的單體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度級別由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa乃至460Mpa，結(jié)構(gòu)件板厚達(dá)到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑鋼結(jié)構(gòu)制造形勢對開展建筑鋼結(jié)構(gòu)消應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用研究及建立和完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是個難得的機(jī)會。本文作者根據(jù)多年的實(shí)踐，介紹幾個大型鋼結(jié)構(gòu)及建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接殘余應(yīng)力測量及應(yīng)力消除的結(jié)果；以此為基礎(chǔ)，提出了在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中采用振動時效與振動焊接工藝的建議。1建筑鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力建筑焊接鋼結(jié)構(gòu)與一般的焊接結(jié)構(gòu)一樣，同樣存在焊接殘余應(yīng)力。以上海安亭蘊(yùn)藻浜大橋?yàn)槔撎枮镼345B，σs=345MPa。其先在工廠進(jìn)行箱型分段焊接，然后在現(xiàn)場進(jìn)行拼焊。采用盲孔法對拼焊殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，結(jié)果如表1：表1蘊(yùn)藻浜大橋現(xiàn)場焊后殘余應(yīng)力位置應(yīng)力Mpa最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力剪應(yīng)力縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力上表面埋弧焊縱縫縫極值315-9513377287平均值1572786494下表面手工焊縱縫縫極值81-747948-34平均值62-465431-15人孔封板手工焊縫縫極值2619479232133平均值18410341173114表1結(jié)果表明：下表面焊縫為先焊焊縫，殘余應(yīng)力水平比較低，而后焊接的上表面焊縫的應(yīng)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(shù)據(jù)也可以證實(shí)這種狀況。焊接構(gòu)件由于存在高的拉伸殘余應(yīng)力，且焊縫部位存在熱影響區(qū)、焊趾缺陷、接頭應(yīng)力集中，形成構(gòu)件上組織和力學(xué)的薄弱部位，有可能導(dǎo)致構(gòu)件運(yùn)行時的變形、早期開裂、應(yīng)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(yīng)力，將可有效地提高構(gòu)件的穩(wěn)定性和安全性及使用壽命。2建筑鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的消除工藝實(shí)際上一些高要求的建筑大型焊接鋼結(jié)構(gòu)上已采用了時效工藝，包括有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持的熱時效、振動時效、TIG重熔和錘擊工藝，以及研發(fā)中的振動焊接、超聲沖擊、爆炸法技術(shù)。2.1熱時效表2金茂大廈轉(zhuǎn)換柱熱時效消應(yīng)力效果分析表殘余應(yīng)力（MPaa）最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力熱處理前平均值1355158128熱處理后平均值79163064熱處理前后差值56352864變化率（%）41684850對重要焊接構(gòu)件先進(jìn)行整體熱時效，然后在現(xiàn)場與其它構(gòu)件進(jìn)行組合拼焊的工藝是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造常采用的方法。上海金茂大廈的鋼架采用全焊接結(jié)構(gòu)，在工廠完成零部構(gòu)件制造、且對受力構(gòu)件－轉(zhuǎn)換柱先進(jìn)行整體熱時效，然后運(yùn)現(xiàn)場拼焊。采用盲孔法殘余應(yīng)力測量技術(shù)對轉(zhuǎn)換柱熱時效工藝效果的評定結(jié)果見表2。目前，熱時效仍是一種主流工藝，其具有焊縫去氫、恢復(fù)塑性和消應(yīng)力三重功能。一般認(rèn)為熱時效的消應(yīng)力效果為40－80％，表2的結(jié)果符合這個規(guī)律；然而對建筑鋼結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)場拼焊而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將依然存在于鋼結(jié)構(gòu)中，而在現(xiàn)場進(jìn)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(yīng)力，但加熱帶邊緣會產(chǎn)生新的熱處理應(yīng)力，且局部熱時效實(shí)施比較困難，能耗很大。因此，需考慮其它補(bǔ)充、替代工藝。2.2TIG重熔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(xù)的缺陷，往往成為結(jié)構(gòu)疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG重熔工藝對焊趾進(jìn)行修整，重建裂紋起裂前的狀態(tài)，降低由于焊趾缺陷所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以延長了疲勞壽命。同時TIG重熔也能改善焊縫區(qū)的橫向殘余應(yīng)力；上海寶冶工程技術(shù)公司進(jìn)行重型門式起重機(jī)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(yīng)力，通過X射線方法進(jìn)行測量，測定結(jié)果見表3。由此可見：TIG重熔對于焊縫的縱向殘余應(yīng)力改善不明顯，殘余應(yīng)力絕對值下降不大；但對于縱向殘余應(yīng)力的均勻分布有一定效果。但對橫向殘余應(yīng)力有明顯的改善效果，殘余應(yīng)力絕對值下降明顯而且分布趨于均勻。考慮到建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點(diǎn)以及生產(chǎn)效率的要求，TIG重熔可在橫向拘束應(yīng)力大的焊道上，作為緩和橫向殘余應(yīng)力、降低應(yīng)力集中的輔助工藝。表3重熔前后殘余應(yīng)力均值對比（材料：Q345；單位Mpa）

縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力編號重熔前重熔后下降量％重熔前重熔后下降量％12091995.05657-2.32206240-16.45964-8.032362139.6-5729-150.942652457.72598467.55189201-6.420611444.662212190.71057033.4表4典型焊接構(gòu)件振動時效的效果工程材料尺寸mm/重量tton消應(yīng)力效％200噸級行車大大梁Q23529000*32200*2000013-224000噸級鍛機(jī)機(jī)上橫梁Q235130噸29港口起重機(jī)卷筒體體Q345D1400*133800δ5030－56核聚變試驗(yàn)裝置底底板304LD7800δ99031300MW火電機(jī)機(jī)架20GD2900*3440022-49磁懸浮交通功能件件16Mn+軟磁鋼鋼3000*5000*450312.3振動時效（VSR）振動時效是對構(gòu)件施加交變應(yīng)力，與構(gòu)件上的殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，發(fā)生局部的宏觀和微觀塑性變形；這種塑性變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大處和構(gòu)件的應(yīng)力集中點(diǎn)，使這里的殘余應(yīng)力得以釋放，達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的作用。應(yīng)用振動時效技術(shù)在我國已達(dá)25年，相繼出臺三個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，也已納入我國建筑鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范，技術(shù)成熟。由于振動時效經(jīng)濟(jì)性好、方法簡單、工藝快捷、效果顯著、適用面廣，且不受構(gòu)件的大小、重量以及場地的限制，已廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重運(yùn)輸、冶金、化工等制造業(yè)，也滲入到核工業(yè)（核反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件、核聚變設(shè)備）、磁懸浮交通、宇航等高尖領(lǐng)域。幾個典型焊接構(gòu)件振動時效的效果分析見表4。表4典例皆應(yīng)用功率不大于2KW的振動時效設(shè)備，對一個構(gòu)件的處理時間一般為20－45分鐘，結(jié)果表明：振動時效的消應(yīng)力效果為20－50％；盡管振動時效不具備去氫和恢復(fù)塑性的功能，但從尺寸穩(wěn)定性比較，已達(dá)到和超過熱時效的水平，振動時效是一種以消應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的替代熱時效的先進(jìn)工藝。盡管目前振動時效在建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用尚少，但根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點(diǎn)與施工要求，振動時效有可能成為今后建筑鋼結(jié)構(gòu)消應(yīng)力的主流工藝之一。2.4振動焊接（VWorVCW）振動焊接又稱振動調(diào)制焊接、隨焊振動，是目前國內(nèi)外正在研發(fā)的新技術(shù)；在振動時效標(biāo)準(zhǔn)的附錄中，已確認(rèn)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(gòu)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(qū)產(chǎn)生一定的作用：⑴當(dāng)焊縫金屬在熔融狀態(tài)下，由于振動使氣泡、雜質(zhì)等容易上浮、排除。⑵在結(jié)晶過程振動可細(xì)化晶粒，使焊縫的力學(xué)性能得到提高。⑶溫度大于600℃的區(qū)域，材料在強(qiáng)度逐步恢復(fù)的冷卻過程中，伴隨振動的熱塑性變形，使逐步形成的焊接殘余應(yīng)力得到降低和均化，可減少焊接變形及焊接裂紋的形成。表5是對BB503厚板(90mm)電渣焊采用振動焊接的應(yīng)力測量結(jié)果。BB503材料的屈服強(qiáng)度為295－315Mpa，試驗(yàn)表明：采用振動焊接（VW）或復(fù)合振動焊接（VSR+VW）可明顯降低殘余應(yīng)力水平，且接頭性能優(yōu)化，如：側(cè)彎合格率也由原25％上升為75-100％。對Q235材料焊接的H型輕鋼（H900X200X6/8，長6m）的試驗(yàn)表明，振動焊接可使焊接變形下降21-32％。表5BB503厚板振動焊接的殘余應(yīng)力測量結(jié)果工藝

最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力0.6gVW極值209-9220685

平均值117-16109-80.3gVW＋00.6gVSSR極值81-1216424

平均值37-4728-39國內(nèi)外的研究和實(shí)驗(yàn)都表明，振動焊接工藝經(jīng)濟(jì)、簡便、高效，特別是可以在大型焊接鋼結(jié)構(gòu)上實(shí)施，振動焊接在降低焊縫殘余應(yīng)力、減少工件變形、提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命、提高接頭力學(xué)性能，即全面提高焊縫質(zhì)量方面有顯著作用。基于振動焊接的優(yōu)點(diǎn)，在我國重大工程中，對一些采用熱時效工藝有困難的結(jié)構(gòu)，已開始試驗(yàn)振動焊接工藝，包括核聚變試驗(yàn)裝置、大厚壁高爐爐體、大直徑閥體等。若能加強(qiáng)振動焊接在建筑鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用試驗(yàn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，振動焊接很可能成為補(bǔ)充、替代傳統(tǒng)熱時效的又一重要工藝。2.5超聲沖擊與錘擊超聲沖擊消應(yīng)力技術(shù)由烏克蘭巴頓焊接研究所提出，近年引入我國，已在北京電視臺鋼結(jié)構(gòu)立柱上進(jìn)行過試驗(yàn)。超聲沖擊消應(yīng)力工藝的特點(diǎn)是：在超聲頻率（≥16KHz）下應(yīng)用束狀沖頭，在對焊趾和焊縫表面進(jìn)行沖擊；試驗(yàn)表明：⑴超聲沖擊對一定深度的表層有消應(yīng)力的效果，在采用對焊道全覆蓋沖擊時，被沖擊的表面會形成壓應(yīng)力，對2～4mm深度層消應(yīng)力效果可達(dá)34～55％。⑵采用焊趾沖擊法，可以快速修復(fù)焊趾的缺陷，降低應(yīng)力集中。并伴隨其壓應(yīng)力區(qū)的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應(yīng)力，下降率達(dá)19％，對提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。⑶由于沖擊工藝處理的特點(diǎn)，僅可以用于沖擊工具可達(dá)的外表面，其工作效率約為1200mm2/min。沖擊工藝是以點(diǎn)接觸、壓應(yīng)力屈服為主要特征的“面效應(yīng)”型消應(yīng)力工藝，伴隨一定的振動時效效果，比較適合高拘束狀態(tài)短焊縫的局部處理。如局部的焊接修復(fù)、大構(gòu)件的組配焊接以及在厚壁結(jié)構(gòu)上焊小構(gòu)件，其焊縫處承受較大的拘束應(yīng)力，且焊后易產(chǎn)生延遲冷裂紋等情況?？勺鳛槠渌麘?yīng)力工藝的補(bǔ)充工藝。應(yīng)用人工或氣動的錘擊消應(yīng)力工藝，通過敲擊振動及表面壓應(yīng)力屈服實(shí)現(xiàn)消應(yīng)力效果。該工藝已進(jìn)入美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，我國也成功應(yīng)用于大型轉(zhuǎn)爐的焊接和大型水輪機(jī)異重金屬焊接的消應(yīng)力處理。由于錘擊工藝難以規(guī)范，對周邊干擾大，勞動強(qiáng)度高，往往作為補(bǔ)充、應(yīng)急工藝。2.6爆炸法工藝將特種專用炸藥沿焊縫走向粘貼在焊縫附近。炸藥引爆后產(chǎn)生連續(xù)的沖擊波迫使結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力區(qū)域發(fā)生塑性變形，以此達(dá)到消應(yīng)力的目的。據(jù)報道消除厚度可達(dá)70mm，效果可達(dá)60％，瞬間完成，適合大型和特大型結(jié)構(gòu)，在水利涵管方面應(yīng)用較多。爆炸法消應(yīng)力施工時十分強(qiáng)調(diào)安全措施，故在城市建筑中應(yīng)用有一定困難。3討論與結(jié)論⑴建筑鋼結(jié)構(gòu)焊后存在高的殘余應(yīng)力，時效工藝可以明顯降低應(yīng)力水平，對安全性及使用壽命帶來好處。⑵上述消應(yīng)力工藝皆可應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)：其中熱時效可作為重要零部件的整體消應(yīng)力工藝；局部熱時效、TIG重熔、超聲沖擊、錘擊可作為現(xiàn)場拼焊后的消應(yīng)力和控制應(yīng)力集中的工藝；振動時效和振動焊接