焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)的影響及焊接殘余應(yīng)力的檢測

焊接作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要工藝，是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，直接關(guān)系到工程質(zhì)量的好壞、結(jié)構(gòu)的安全。由于高度集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力和殘余變形。焊接殘余應(yīng)力會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能，因此，對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測具有重要意義。

 

什么是焊接殘余應(yīng)力？

殘余應(yīng)力是指在沒有外力或外力矩作用下，以平衡狀態(tài)存在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力。殘余應(yīng)力是由于物體存在不均勻、不協(xié)調(diào)的變形，而導(dǎo)致物體自身為保持平衡而產(chǎn)生的力，如物體的不同部分因膨脹系數(shù)、剛度、屈服強(qiáng)度等不同而導(dǎo)致的不均勻變形。

在無外力作用下，焊接過后存在于焊件內(nèi)部的自平衡的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力，焊接過程中，局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)為的主要原因。

 

焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響

焊接過程中產(chǎn)生的二次變形和應(yīng)力重分布，是由于焊接殘余應(yīng)力和工作荷載疊加的結(jié)果，在溫度和介質(zhì)的共同影響下，殘余應(yīng)力會對結(jié)構(gòu)性能造成以下的影響：

 

（1）對結(jié)構(gòu)剛度的影響

在焊接殘余應(yīng)力的作用下，結(jié)構(gòu)所承受的外荷載有效截面面積能夠大大降低，結(jié)構(gòu)剛度減弱，與此同時，截面上產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力不僅會造成構(gòu)件加載過程中剛度的降低，而且會導(dǎo)致卸載過程中回彈量的降低，結(jié)構(gòu)變形進(jìn)一步加大，鋼結(jié)構(gòu)剛度無法保障。

 

受外荷載的影響，鋼結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力能夠與結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力相互影響、互相作用，當(dāng)二者所產(chǎn)生的應(yīng)力至屈服極限時，將會導(dǎo)致殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)材料的塑性變形，降低承載外荷載的能力，鋼結(jié)構(gòu)剛度大大降低。

 

 

（2）對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響

在荷載的循環(huán)作用過程中，如果存在焊接殘余應(yīng)力，則會使應(yīng)力循環(huán)的整個過程偏移一個值，使得其平均值發(fā)生變化，而幅值不發(fā)生變化，而我們知道，平均值和極限值之間為反比關(guān)系。所以，拉伸焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位，會造成疲勞強(qiáng)度的降低，焊接殘余應(yīng)力的影響隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增加而提高。

 

（3）對焊接構(gòu)件穩(wěn)定性的影響

基于外荷載影響，處于殘余應(yīng)力區(qū)截面的受壓焊件將會受到來自荷載應(yīng)力及殘余應(yīng)力的雙重疊加作用，其能夠加快截面到達(dá)屈服極限，呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，此時其外荷載承載力完全喪失，降低了截面承受外荷載的有效界面，對構(gòu)件的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。

 

（4）對應(yīng)力腐蝕開裂的影響。

出現(xiàn)在一定的介質(zhì)材料組合中，拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生裂縫稱為應(yīng)力腐蝕開裂。拉應(yīng)力的存在使得金屬表面的腐蝕鈍化膜破壞加大，而殘余拉應(yīng)力和拉應(yīng)力產(chǎn)生疊加的效果，使得拉應(yīng)力加大，腐蝕斷裂加速。

 

殘余應(yīng)力檢測方法

目前殘余應(yīng)力的檢測方法有多種，可分為破壞性和非破壞性兩大類，而超聲以其檢測無損、快速精確等優(yōu)勢，在殘余應(yīng)力檢測領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。

應(yīng)力超聲波檢測是利用聲彈性理論，即在材料彈性范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力大小與超聲波傳播速度存在線形關(guān)系，壓縮應(yīng)力使超聲波傳播速度加快，拉伸應(yīng)力使超聲波傳播速度減慢，以基準(zhǔn)零應(yīng)力試塊內(nèi)的超聲波傳播速度為基準(zhǔn)，便可獲得構(gòu)件內(nèi)部服役應(yīng)力的拉伸和壓縮狀態(tài)以及數(shù)值。

 

在檢測開始時應(yīng)首先校準(zhǔn)零應(yīng)力，應(yīng)將探頭穩(wěn)定置于均勻涂抹耦合劑與構(gòu)件曲率一致的基準(zhǔn)零應(yīng)力試塊或同材質(zhì)無應(yīng)力區(qū)域上校準(zhǔn)，標(biāo)定出基準(zhǔn)零應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播速度V0­，并錄入檢測系統(tǒng)。

 

 

檢測過程中應(yīng)使探頭與被檢構(gòu)件表面穩(wěn)固密實結(jié)合，耦合接觸力應(yīng)保持恒定且與校準(zhǔn)過程一致，也可采用手工、磁吸、真空吸盤或彈簧等方法產(chǎn)生壓緊力。

 

探頭放置方向應(yīng)與檢測應(yīng)力方向一致，也可在垂直兩個方向上分別檢測出殘余應(yīng)力，然后矢量求和得出主應(yīng)力及其方向；對于有曲率的焊縫，檢測焊接殘余應(yīng)力時宜選擇垂直焊縫方向，同時應(yīng)兼顧構(gòu)件曲率帶來的探頭耦合損失。

 

殘余應(yīng)力檢測過程中，應(yīng)實時獲取檢測構(gòu)件溫度，并應(yīng)根據(jù)GB/T 32073的規(guī)定，對溫度變化帶來的殘余應(yīng)力檢測誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

 

檢測時應(yīng)保證接收信號中超聲臨界折射縱波穩(wěn)定且清晰可見，讀出儀器設(shè)備顯示的殘余應(yīng)力數(shù)值。記錄檢測儀器參數(shù)和殘余應(yīng)力數(shù)值。

 

結(jié)語

焊接殘余應(yīng)力是焊接技術(shù)帶來的一個幾乎無法避免的缺陷，對鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂、焊件穩(wěn)定性等性能均有著較大的負(fù)面影響，因此在實際工程中應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力控制及檢測方法，最大限度地減少殘余應(yīng)力，以提高鋼結(jié)構(gòu)的安全性。