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钢结构桥梁磁测法焊接残余应力检测

分类:残余应力检测    关键词:焊接残余应力检测

大跨径钢结构桥梁由于受力大多采用厚钢板,桥梁结构中的连接焊缝复杂,焊接完成后焊缝区域和热影响区产生的焊接残余应力问题越来越突出。而残余应力是产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因,直接影响到焊接构件的疲劳强度、结构的刚度和稳定承载力。所以焊接后要进行消除应力处理。采用超声波去应力工艺,消除焊缝残余应力。本文主要是对钢结构桥梁进行焊接残余应力检测,了解焊接残余应力大小及分布状况,并对超声波处理后的试件进行残余应力测试,评估超声波时效效果。

磁测法残余应力检测

本次残余应力检测方法采用磁测法,此方法属于无损检测方法,能测出同一点在不同状态下的应力情况,既能测平面光滑试样的应力又能测复杂形状部位处的焊缝残余应力。仪器采用聚航科技生产的JH-60三维应力磁测系统。

磁测法前期准备工作

磁测法测试前应先进行灵敏系数的标定。可通过单向拉压或4点弯曲实验确定。正式测试时,应先打磨试件焊缝上的测点,然后将测试仪器的一个探头直接接触在测点上,另一个探头放置在预先标定好灵敏系数的钢板上,探头底部有两个磁极,通过测定磁导率的变化来确定一点的应力状态。

想要确定超声波去应力的效果是否满足要求,必须选用同一测点进行处理前后的焊接残余应力检测。

大桥构件焊接残余应力检测

某大桥为大跨径钢结构斜拉桥,其主桥跨径组合为35.5m+186m+436m+186m+35.5m,主桥长度为879m。斜拉索在钢梁上的锚固采用了锚拉板结构形式。锚拉板焊接在主梁上翼缘顶板上,锚管嵌于锚拉板上部的中间,两侧与锚拉板焊接连接,中部除开孔安装锚具外,还需连接上下两部分。为了补偿开孔部分对锚拉板截面的削弱,以及提高其横向的刚度,在板的两侧焊接了加强板,并和主梁上翼缘板连接。这种锚固方式有传力途径明确,构造简单,工地施工作业方便等特点。钢材采用Q37qE。

在锚拉板与主梁的这种接头形式中,锚拉板焊缝与主梁顶板急剧过渡,接头在外力作用下力线扭曲很大,易造成应力分布不均匀,焊缝处载荷应力和焊接残余应力集中程度较大,当焊缝根部或过渡处存在缺陷时,经过长时间的疲劳应力影响会产生疲劳断裂。此外,由于各板件厚度大焊缝多,焊接过程中的焊接残余应力问题比较突出。

为了研究此类构件接头区域焊接残余应力的大小及分布情况,专门制作了3个足尺比例试验构件,通过对这3个试件的钢锚拉板与工字梁连接区域焊缝残余应力测试,以及超声波冲击后焊接残余应力变化情况的试验研究,以确定焊后残余应力的大小及分布规律,明确超声冲击方法对焊接残余应力的消除的作用及效果。

众所周知,焊接应力是一种无载荷作用下的内应力,因此会在焊接内部自相平衡,在焊缝及热影响区产生拉应力,而在距焊缝稍远区段的母材内产生与之相平衡的残余压应力。焊缝的拉应力对焊缝的疲劳将产生非常不利的影响,这是本次研究的对象,而残余压应力对焊缝没有不利的影响,此次测试以焊缝的残余拉应力为主要对象。测试采用磁测法。3个试件编号分别为CJ1、CJ2、CJ3。

3个研究试件中共设置43个焊接应力测试点,其中A焊缝为锚拉板与钢主梁上翼缘的连接焊缝,构件上对应的测点编号为A1、A2,......,A10。B焊缝为锚拉板与其加强板之间的连接焊缝,对应的测点编号为B1、B2、......、B7。

试验结果分析

钢结构桥梁.png

从焊接残余应力检测结果中可以看出横向应力σx与主应力σ2、纵向应力σy与主应力σ1,在大多数测点上较为接近,若只考虑平面则纵向、横向应力的方向就近似为主应力的方向。

从图1可以看出,各试件的A焊缝在位于端部处残余应力值较小,然后大幅增长,距离焊缝端部400-450mm后焊接应力值波动较小,在较高的应力水平上基本稳定,形成了一个高残余应力平台段。例如,试件CJ1的A3-A10段,CJ2的A4-A7段及CJ3的A3-A6段。3个试件的平台段纵向焊接残余应力平均值分别为338、349、347MPa,均达到了Q370qE钢材屈服强度的90%以上。由资料可知平台段的长度是随着焊缝的长度同步增长,而残余应力上升段根据不同的板厚在达到一定数值后将不再继续增长。因此A焊缝除去两端部小部分的焊接应力较小段和上升段外,大部分区段的纵向残余应力都处于屈服强度的90%左右的水平,这将对焊接接头性能与构件的疲劳强度产生很大的不利影响。

B焊缝的纵向残余应力分布规律与焊缝相同,但焊接残余应力水平明显低于A焊缝。这是因为连接B焊缝的两块钢板较A焊缝的薄。3个试件焊缝的残余应力升高段为距焊缝端部为250-300mm,距端部300mm后形成高残余应力平台段,比A焊缝平台段纵向残余应力平均降低了18%。

除了焊缝的分布特点外,节点的局部构造情况对焊缝应力也有明显的影响。在试件主梁上翼缘与锚拉板局部连接处,是截面突变的地方,也是内力变化最大的地方,最容易产生应力集中。由于结构设计的综合考虑,锚拉板截面在此做了曲线型的平滑过渡,大大的降低了应力集中的影响。图1中的3个试件A1点的平均应力为168MPa,是上述3个试件平台段平均应力的48.7%,表明锚拉板在这里的局部构造非常重要,曲线型的平滑过渡对降低焊接残余应力起到非常重要的作用。

此次实验研究采用了超声波冲击工艺消除焊接残余应力,经过超声冲击后,A、B焊缝的大部分测点σy方向平均应力下降65%,不少测点的焊接残余应力从拉应力变为了压应力。由此可见,超声冲击可大幅度削减残余应力的峰值,并能使焊接应力分布更趋合理化,从根本上改善焊缝及结构连接的受力状态。


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