磁測(cè)法測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)橋梁的焊接殘余應(yīng)力

　　摘要：焊接鋼橋越來(lái)越廣泛應(yīng)用，焊接殘余應(yīng)力、變形是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量與耐久性影響較大。焊接過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力可能會(huì)降低橋梁的承載能力和疲勞強(qiáng)度甚至誘發(fā)裂紋導(dǎo)致災(zāi)難性事故。磁測(cè)法是基于鐵磁材料壓磁效應(yīng)的應(yīng)力測(cè)量的一種新方法，在熔透焊縫中，平行和垂直焊縫方向都存在著相當(dāng)大的焊接殘余應(yīng)力，很多測(cè)點(diǎn)應(yīng)力已經(jīng)接近鋼材的屈服強(qiáng)度;局部構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)于防止焊接應(yīng)力集中有著重要的意義。

　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)橋梁;磁測(cè)法;焊接應(yīng)力

　　隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，鋼桁梁的發(fā)展趨勢(shì)之一是“外形簡(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)耐久”，在大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，構(gòu)件由于受力大采用厚鋼板的情形越來(lái)越多;此外構(gòu)件與構(gòu)件間的連接接頭以及重要節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)板也由于其傳力大，越來(lái)越趨于采用厚鋼板，因而橋梁結(jié)構(gòu)中的連接焊縫復(fù)雜，焊接完成后在焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力問(wèn)題越來(lái)越突出。

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)件在制造過(guò)程中留下的殘余應(yīng)力是產(chǎn)生變形和開(kāi)裂等工藝缺陷的主要原因，將直接影響到焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定承載力。因此在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，殘余應(yīng)力的水平、性質(zhì)及分布情況是設(shè)計(jì)、制造和使用者共同關(guān)心的問(wèn)題，準(zhǔn)確測(cè)定出構(gòu)件的殘余應(yīng)力就顯得十分重要。

　　電焊論文投稿刊物：《焊接學(xué)報(bào)》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)、哈爾濱焊接研究所主辦。主要刊登焊接各專(zhuān)業(yè)學(xué)科理論研究的專(zhuān)題論文和反映焊接新材料、新工藝方法的專(zhuān)題論文。

　　一、殘余應(yīng)力的主要測(cè)試方法

　　測(cè)量焊接殘余應(yīng)力的方法按其對(duì)被檢測(cè)對(duì)象是否產(chǎn)生損傷分為有損法和無(wú)損法兩大類(lèi)，有損法又稱(chēng)為機(jī)械法測(cè)殘余應(yīng)力，它是采用機(jī)械加工的手段，對(duì)被測(cè)構(gòu)件進(jìn)行部分解剖或完全剝離使被測(cè)構(gòu)件上的殘余應(yīng)力部分釋放或完全釋放，利用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)出殘余應(yīng)力的方法。常用的有盲孔法。無(wú)損法按其使用檢測(cè)手段不同，分為x射線衍射法、超聲聲彈性法和磁測(cè)法等。其中超聲聲彈性法只能測(cè)試高值殘余應(yīng)力，目前還處于試驗(yàn)研究階段。

　　盲孔法、x射線衍射法、磁測(cè)法方法都有測(cè)試速度較快，都能用于不均勻的應(yīng)力場(chǎng)，但x射線衍射法由于儀器設(shè)備的復(fù)雜性只能用于實(shí)驗(yàn)室，盲孔法和磁測(cè)法則因儀器的輕便性可用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。盲孔法是采用在預(yù)測(cè)工件的表面中心鉆一小孔，使其產(chǎn)生局部應(yīng)力釋放，再由黏貼在孔周的應(yīng)變片感受出應(yīng)變的變化，該應(yīng)變稱(chēng)為釋放應(yīng)變，通過(guò)彈性力學(xué)公式可得到主應(yīng)力值和方向角。

　　與盲孔法相比，磁測(cè)法在測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象不造成任何破損，此外它能測(cè)出同一點(diǎn)在不同狀態(tài)下的應(yīng)力情況。如超聲波沖擊等工藝處理前后的焊接殘余應(yīng)力的變化情況，而且它既能測(cè)平面光滑試樣的應(yīng)力又能測(cè)復(fù)雜形狀部位處(如各構(gòu)造部件相交部位或角焊縫處等)的焊縫殘余應(yīng)力。

　　而盲孔法對(duì)于復(fù)雜部位的開(kāi)孔則受到限制。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的焊縫中，測(cè)試殘余應(yīng)力的目的是為了了解焊接殘余應(yīng)力的大小，分布狀況，為后緒將開(kāi)展的減小和消除殘余應(yīng)力工藝及技術(shù)方案提供依據(jù)，并且在減小和消除殘余應(yīng)力工藝處理后，再次進(jìn)行測(cè)試，以了解焊接殘余應(yīng)力重新分布的情況，評(píng)定工藝處理的效果，確認(rèn)是否滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

　　二、殘余應(yīng)力的磁測(cè)法

　　1、磁測(cè)法的測(cè)試原理。目前在我國(guó)應(yīng)用的磁測(cè)法是一種無(wú)損檢測(cè)的方法，它的基本原理是，基于鐵磁性材料(如低碳鋼等)的磁致伸縮效應(yīng)，即鐵磁性材料在磁化時(shí)會(huì)發(fā)生尺寸變化;反過(guò)來(lái)鐵磁體在應(yīng)力作用下其磁化狀態(tài)(導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等)也會(huì)發(fā)生變化，因此通過(guò)測(cè)量磁性變化可以測(cè)定鐵磁材料中的應(yīng)力。當(dāng)試樣內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，也會(huì)使磁疇的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向均受阻而使磁化率減小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁彈性現(xiàn)象[1]。

　　2、靈敏系數(shù)的確定。靈敏系數(shù)a可通過(guò)單向拉壓或彎曲實(shí)驗(yàn)確定。為消除邊界對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，試樣的寬度需大于3倍探頭的尺寸，試件長(zhǎng)寬比取6較適宜，標(biāo)定試樣，選擇與被測(cè)材料同樣的化學(xué)成分和同一熱處理狀況的無(wú)內(nèi)應(yīng)力材料制成，通過(guò)標(biāo)定可得一系列數(shù)據(jù)。由式可知這些數(shù)據(jù)滿足線性關(guān)系，所以利用最小二乘法計(jì)算出直線的斜率即靈敏系數(shù)a。

　　3、應(yīng)力的確定。已知各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力差和主方向角，用切實(shí)力差法分離主應(yīng)力。

　　4、磁測(cè)法的應(yīng)用情況及測(cè)前的準(zhǔn)備工作。在大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件焊接應(yīng)力的測(cè)試中還沒(méi)有應(yīng)用的報(bào)道資料。采用磁測(cè)法測(cè)試前首先要進(jìn)行靈敏系數(shù)的標(biāo)定�？赏ㄟ^(guò)單向拉壓或彎曲實(shí)驗(yàn)確定。正式測(cè)試時(shí)首先將試件焊縫上的測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)打磨，然后將測(cè)試儀器的一個(gè)探頭直接接觸在測(cè)點(diǎn)上，另一個(gè)探頭則放在預(yù)先標(biāo)定好靈敏系數(shù)的鋼板上，探頭底部有兩個(gè)磁極，通過(guò)測(cè)定磁導(dǎo)率的變化來(lái)確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于需進(jìn)行消除應(yīng)力工藝處理的焊縫，必須選用同一測(cè)點(diǎn)對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試;以便于確定工藝處理后的效果滿足要求。

　　5、某大橋構(gòu)件焊縫應(yīng)力測(cè)試

　　某大橋?yàn)閮煽邕B續(xù)鋼桁架-桁拱組合結(jié)構(gòu)，橋面結(jié)構(gòu)為箱梁系梁，橫橋向?yàn)楣ぷ中螜M梁與工字形小縱梁組成的格構(gòu)體系，橋面部分為U型肋與12mm鋼橋面板上鋪SMA瀝青面層。

　　ANSYS計(jì)算殘余應(yīng)力方法，焊接有限元分析計(jì)算，采用三維有限元模式，焊接區(qū)域內(nèi)外溫度場(chǎng)不同，冷卻條件不同;而且由于模擬的過(guò)程是瞬態(tài)的，在時(shí)間上溫度梯度場(chǎng)也是不同的。材料的熱一力特性是非線性的，材料的非線性導(dǎo)致計(jì)算的非線性;同時(shí)還需要考慮時(shí)程的積累。外部的熔敷材料的凝結(jié)，會(huì)改變結(jié)構(gòu)的連接，因而結(jié)構(gòu)的邊界條件也是變化的。材料的狀態(tài)變化是逐步的，是顯微變化，逐步積累發(fā)生大的變化。因而，采用ANSYS計(jì)算焊接過(guò)程的殘余應(yīng)力與應(yīng)變的計(jì)算，一般有兩種方式:一是間接耦合，即根據(jù)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，將溫度應(yīng)力轉(zhuǎn)化為溫度荷載，再計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，變形。另外一種就是直接耦合，即采用耦合單元，將溫度作用于耦合單元進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)分析。

　　(1)邊界條件。采用ANSYS進(jìn)行焊接溫度-結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)的邊界條件是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。為簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)兼顧模擬的準(zhǔn)確，采取的方法是將溫度場(chǎng)的輻射和對(duì)流綜合考慮，調(diào)整對(duì)流系數(shù)，焊接熔池、熔寬和焊接最高溫度都有微小影響，但經(jīng)驗(yàn)證，影響并不明顯。

　　(2)相變潛熱處理方法。焊接過(guò)程中，由于溫度場(chǎng)的變化，焊接過(guò)程有鋼結(jié)構(gòu)材料的汽化、熔化、凝固等相變過(guò)程，而相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)分析會(huì)產(chǎn)生一定的影響。計(jì)算采取的處理相變潛熱問(wèn)題，采用的的方法是定義熱焓。

　　由于相變涉及金屬冶金學(xué)，比較復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，但又要接近實(shí)際情況，通過(guò)考慮材料在不同溫度條件下的材料特性來(lái)替代金屬相變的熱焓。

　　(3)非線性的處理。采用ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算中，由于材料的非線性，導(dǎo)致計(jì)算的非線性，采用的計(jì)算方式是激活大應(yīng)變效應(yīng)，并采用緩慢加載。并采用多子步迭代并進(jìn)行修正，打開(kāi)牛頓一拉弗森迭代方法，激活二分法并限制最小時(shí)間步長(zhǎng)。通過(guò)以上措施實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算驗(yàn)證表明可使得計(jì)算結(jié)果接近于實(shí)際。

　　通過(guò)磁測(cè)法為消除焊接殘余應(yīng)力提供了方便、可行、準(zhǔn)確的測(cè)試手段，試驗(yàn)研究表明，該方法具有測(cè)試靈敏度高、測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別是在復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)焊縫測(cè)試中，更顯示出它的靈活、快捷、環(huán)保以及操作簡(jiǎn)便等諸多的優(yōu)越性，已越來(lái)越受到業(yè)界的重視，是一種很有發(fā)展前景的應(yīng)力測(cè)試方法。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王振毅，馬宏程.常見(jiàn)焊接變形的影響因素及預(yù)防措施.科技傳播，2016.

　　[2]陳建波，羅宇，龍哲.大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元分析.焊接學(xué)報(bào)，2017，29(4).

　　[3]汪建華，陸?zhàn)�，魏良�?固有應(yīng)變有限元法預(yù)測(cè)焊接變形理論及其應(yīng)用.焊接學(xué)報(bào)，2016，23(6).

　　作者：陳杰

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