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                    鋼結構橋梁磁測法焊接殘余應力檢測

                    分類:殘余應力檢測    關鍵詞:焊接殘余應力檢測

                    大跨徑鋼結構橋梁由于受力大多采用厚鋼板,橋梁結構中的連接焊縫復雜,焊接完成后焊縫區域和熱影響區產生的焊接殘余應力問題越來越突出。而殘余應力是產生變形和開裂等工藝缺陷的主要原因,直接影響到焊接構件的疲勞強度、結構的剛度和穩定承載力。所以焊接后要進行消除應力處理。采用超聲波去應力工藝,消除焊縫殘余應力。本文主要是對鋼結構橋梁進行焊接殘余應力檢測,了解焊接殘余應力大小及分布狀況,并對超聲波處理后的試件進行殘余應力測試,評估超聲波時效效果。

                    磁測法殘余應力檢測

                    本次殘余應力檢測方法采用磁測法,此方法屬于無損檢測方法,能測出同一點在不同狀態下的應力情況,既能測平面光滑試樣的應力又能測復雜形狀部位處的焊縫殘余應力。儀器采用聚航科技生產的JH-60三維應力磁測系統。

                    磁測法前期準備工作

                    磁測法測試前應先進行靈敏系數的標定??赏ㄟ^單向拉壓或4點彎曲實驗確定。正式測試時,應先打磨試件焊縫上的測點,然后將測試儀器的一個探頭直接接觸在測點上,另一個探頭放置在預先標定好靈敏系數的鋼板上,探頭底部有兩個磁極,通過測定磁導率的變化來確定一點的應力狀態。

                    想要確定超聲波去應力的效果是否滿足要求,必須選用同一測點進行處理前后的焊接殘余應力檢測。

                    大橋構件焊接殘余應力檢測

                    某大橋為大跨徑鋼結構斜拉橋,其主橋跨徑組合為35.5m+186m+436m+186m+35.5m,主橋長度為879m。斜拉索在鋼梁上的錨固采用了錨拉板結構形式。錨拉板焊接在主梁上翼緣頂板上,錨管嵌于錨拉板上部的中間,兩側與錨拉板焊接連接,中部除開孔安裝錨具外,還需連接上下兩部分。為了補償開孔部分對錨拉板截面的削弱,以及提高其橫向的剛度,在板的兩側焊接了加強板,并和主梁上翼緣板連接。這種錨固方式有傳力途徑明確,構造簡單,工地施工作業方便等特點。鋼材采用Q37qE。

                    在錨拉板與主梁的這種接頭形式中,錨拉板焊縫與主梁頂板急劇過渡,接頭在外力作用下力線扭曲很大,易造成應力分布不均勻,焊縫處載荷應力和焊接殘余應力集中程度較大,當焊縫根部或過渡處存在缺陷時,經過長時間的疲勞應力影響會產生疲勞斷裂。此外,由于各板件厚度大焊縫多,焊接過程中的焊接殘余應力問題比較突出。

                    為了研究此類構件接頭區域焊接殘余應力的大小及分布情況,專門制作了3個足尺比例試驗構件,通過對這3個試件的鋼錨拉板與工字梁連接區域焊縫殘余應力測試,以及超聲波沖擊后焊接殘余應力變化情況的試驗研究,以確定焊后殘余應力的大小及分布規律,明確超聲沖擊方法對焊接殘余應力的消除的作用及效果。

                    眾所周知,焊接應力是一種無載荷作用下的內應力,因此會在焊接內部自相平衡,在焊縫及熱影響區產生拉應力,而在距焊縫稍遠區段的母材內產生與之相平衡的殘余壓應力。焊縫的拉應力對焊縫的疲勞將產生非常不利的影響,這是本次研究的對象,而殘余壓應力對焊縫沒有不利的影響,此次測試以焊縫的殘余拉應力為主要對象。測試采用磁測法。3個試件編號分別為CJ1、CJ2、CJ3。

                    3個研究試件中共設置43個焊接應力測試點,其中A焊縫為錨拉板與鋼主梁上翼緣的連接焊縫,構件上對應的測點編號為A1、A2,......,A10。B焊縫為錨拉板與其加強板之間的連接焊縫,對應的測點編號為B1、B2、......、B7。

                    試驗結果分析

                    鋼結構橋梁.png

                    從焊接殘余應力檢測結果中可以看出橫向應力σx與主應力σ2、縱向應力σy與主應力σ1,在大多數測點上較為接近,若只考慮平面則縱向、橫向應力的方向就近似為主應力的方向。

                    從圖1可以看出,各試件的A焊縫在位于端部處殘余應力值較小,然后大幅增長,距離焊縫端部400-450mm后焊接應力值波動較小,在較高的應力水平上基本穩定,形成了一個高殘余應力平臺段。例如,試件CJ1的A3-A10段,CJ2的A4-A7段及CJ3的A3-A6段。3個試件的平臺段縱向焊接殘余應力平均值分別為338、349、347MPa,均達到了Q370qE鋼材屈服強度的90%以上。由資料可知平臺段的長度是隨著焊縫的長度同步增長,而殘余應力上升段根據不同的板厚在達到一定數值后將不再繼續增長。因此A焊縫除去兩端部小部分的焊接應力較小段和上升段外,大部分區段的縱向殘余應力都處于屈服強度的90%左右的水平,這將對焊接接頭性能與構件的疲勞強度產生很大的不利影響。

                    B焊縫的縱向殘余應力分布規律與焊縫相同,但焊接殘余應力水平明顯低于A焊縫。這是因為連接B焊縫的兩塊鋼板較A焊縫的薄。3個試件焊縫的殘余應力升高段為距焊縫端部為250-300mm,距端部300mm后形成高殘余應力平臺段,比A焊縫平臺段縱向殘余應力平均降低了18%。

                    除了焊縫的分布特點外,節點的局部構造情況對焊縫應力也有明顯的影響。在試件主梁上翼緣與錨拉板局部連接處,是截面突變的地方,也是內力變化最大的地方,最容易產生應力集中。由于結構設計的綜合考慮,錨拉板截面在此做了曲線型的平滑過渡,大大的降低了應力集中的影響。圖1中的3個試件A1點的平均應力為168MPa,是上述3個試件平臺段平均應力的48.7%,表明錨拉板在這里的局部構造非常重要,曲線型的平滑過渡對降低焊接殘余應力起到非常重要的作用。

                    此次實驗研究采用了超聲波沖擊工藝消除焊接殘余應力,經過超聲沖擊后,A、B焊縫的大部分測點σy方向平均應力下降65%,不少測點的焊接殘余應力從拉應力變為了壓應力。由此可見,超聲沖擊可大幅度削減殘余應力的峰值,并能使焊接應力分布更趨合理化,從根本上改善焊縫及結構連接的受力狀態。


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