磁測法測試鋼結(jié)構(gòu)橋梁的焊接殘余應(yīng)力

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

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

　　隨著我國城市現(xiàn)代化進程的不斷加快，鋼桁梁的發(fā)展趨勢之一是“外形簡潔、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越多;此外構(gòu)件與構(gòu)件間的連接接頭以及重要節(jié)點的節(jié)點板也由于其傳力大，越來越趨于采用厚鋼板，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)力問題越來越突出。

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)件在制造過程中留下的殘余應(yīng)力是產(chǎn)生變形和開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)場安裝過程中，殘余應(yīng)力的水平、性質(zhì)及分布情況是設(shè)計、制造和使用者共同關(guān)心的問題，準確測定出構(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》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，由中國機械工程學(xué)會、中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會、哈爾濱焊接研究所主辦。主要刊登焊接各專業(yè)學(xué)科理論研究的專題論文和反映焊接新材料、新工藝方法的專題論文。

　　一、殘余應(yīng)力的主要測試方法

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

　　盲孔法、x射線衍射法、磁測法方法都有測試速度較快，都能用于不均勻的應(yīng)力場，但x射線衍射法由于儀器設(shè)備的復(fù)雜性只能用于實驗室，盲孔法和磁測法則因儀器的輕便性可用于實驗室和現(xiàn)場測試。盲孔法是采用在預(yù)測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)變稱為釋放應(yīng)變，通過彈性力學(xué)公式可得到主應(yīng)力值和方向角。

　　與盲孔法相比，磁測法在測量殘余應(yīng)力時，對被檢測對象不造成任何破損，此外它能測出同一點在不同狀態(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，而且它既能測平面光滑試樣的應(yīng)力又能測復(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。

　　而盲孔法對于復(fù)雜部位的開孔則受到限制。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的焊縫中，測試殘余應(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，再次進行測試，以了解焊接殘余應(yīng)力重新分布的情況，評定工藝處理的效果，確認是否滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

　　二、殘余應(yīng)力的磁測法

　　1、磁測法的測試原理。目前在我國應(yīng)用的磁測法是一種無損檢測的方法，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會發(fā)生尺寸變化;反過來鐵磁體在應(yīng)力作用下其磁化狀態(tài)(導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強度等)也會發(fā)生變化，因此通過測量磁性變化可以測定鐵磁材料中的應(yīng)力。當試樣內(nèi)存在殘余應(yīng)力時，也會使磁疇的移動和轉(zhuǎn)向均受阻而使磁化率減小，這種現(xiàn)象稱為磁彈性現(xiàn)象[1]。

　　2、靈敏系數(shù)的確定。靈敏系數(shù)a可通過單向拉壓或彎曲實驗確定。為消除邊界對測量結(jié)果的影響，試樣的寬度需大于3倍探頭的尺寸，試件長寬比取6較適宜，標定試樣，選擇與被測材料同樣的化學(xué)成分和同一熱處理狀況的無內(nèi)應(yīng)力材料制成，通過標定可得一系列數(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。已知各測點的主應(yīng)力差和主方向角，用切實力差法分離主應(yīng)力。

　　4、磁測法的應(yīng)用情況及測前的準備工作。在大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件焊接應(yīng)力的測試中還沒有應(yīng)用的報道資料。采用磁測法測試前首先要進行靈敏系數(shù)的標定�？赏ㄟ^單向拉壓或彎曲實驗確定。正式測試時首先將試件焊縫上的測點經(jīng)過打磨，然后將測試儀器的一個探頭直接接觸在測點上，另一個探頭則放在預(yù)先標定好靈敏系數(shù)的鋼板上，探頭底部有兩個磁極，通過測定磁導(dǎo)率的變化來確定一點的應(yīng)力狀態(tài)。對于需進行消除應(yīng)力工藝處理的焊縫，必須選用同一測點對焊接殘余應(yīng)力進行測試;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)力測試

　　某大橋為兩跨連續(xù)鋼桁架-桁拱組合結(jié)構(gòu)，橋面結(jié)構(gòu)為箱梁系梁，橫橋向為工字形橫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計算殘余應(yīng)力方法，焊接有限元分析計算，采用三維有限元模式，焊接區(qū)域內(nèi)外溫度場不同，冷卻條件不同;而且由于模擬的過程是瞬態(tài)的，在時間上溫度梯度場也是不同的。材料的熱一力特性是非線性的，材料的非線性導(dǎo)致計算的非線性;同時還需要考慮時程的積累。外部的熔敷材料的凝結(jié)，會改變結(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計算焊接過程的殘余應(yīng)力與應(yīng)變的計算，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，計算結(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行熱-結(jié)構(gòu)分析。

　　(1)邊界條件。采用ANSYS進行焊接溫度-結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)的邊界條件是一個復(fù)雜的過程。為簡化計算同時兼顧模擬的準確，采取的方法是將溫度場的輻射和對流綜合考慮，調(diào)整對流系數(shù)，焊接熔池、熔寬和焊接最高溫度都有微小影響，但經(jīng)驗證，影響并不明顯。

　　(2)相變潛熱處理方法。焊接過程中，由于溫度場的變化，焊接過程有鋼結(jié)構(gòu)材料的汽化、熔化、凝固等相變過程，而相變潛熱對溫度場分析會產(chǎn)生一定的影響。計算采取的處理相變潛熱問題，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，為簡化計算，但又要接近實際情況，通過考慮材料在不同溫度條件下的材料特性來替代金屬相變的熱焓。

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

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

　　參考文獻：

　　[1]王振毅，馬宏程.常見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，2017，29(4).

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

　　作者：陳杰

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/22933.html