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焊接作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要工藝,是一個(gè)牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)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(shí)熱輸入,在焊接過(guò)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(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能,因此,對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)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(méi)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(wú)外力作用下,焊接過(guò)后存在于焊件內(nèi)部的自平衡的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為焊接殘余應(yīng)力,焊接過(guò)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響
焊接過(guò)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(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能造成以下的影響:
(1)對(duì)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(shí),截面上產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力不僅會(huì)造成構(gòu)件加載過(guò)程中剛度的降低,而且會(huì)導(dǎo)致卸載過(guò)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(wú)法保障。
受外荷載的影響,鋼結(jié)構(gòu)會(huì)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(shí),將會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響
在荷載的循環(huán)作用過(guò)程中,如果存在焊接殘余應(yīng)力,則會(huì)使應(yīng)力循環(huán)的整個(gè)過(guò)程偏移一個(gè)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(huì)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(duì)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(huì)受到來(lái)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(shí)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(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。
(4)對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(chēng)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(cè)方法
目前殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法有多種,可分為破壞性和非破壞性?xún)纱箢?lèi),而超聲以其檢測(cè)無(wú)損、快速精確等優(yōu)勢(shì),在殘余應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。
應(yīng)力超聲波檢測(cè)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(cè)開(kāi)始時(shí)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(wú)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(duì)應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播速度V0,并錄入檢測(cè)系統(tǒng)。
檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)使探頭與被檢構(gòu)件表面穩(wěn)固密實(shí)結(jié)合,耦合接觸力應(yīng)保持恒定且與校準(zhǔn)過(guò)程一致,也可采用手工、磁吸、真空吸盤(pán)或彈簧等方法產(chǎn)生壓緊力。
探頭放置方向應(yīng)與檢測(cè)應(yīng)力方向一致,也可在垂直兩個(gè)方向上分別檢測(cè)出殘余應(yīng)力,然后矢量求和得出主應(yīng)力及其方向;對(duì)于有曲率的焊縫,檢測(cè)焊接殘余應(yīng)力時(shí)宜選擇垂直焊縫方向,同時(shí)應(yīng)兼顧構(gòu)件曲率帶來(lái)的探頭耦合損失。
殘余應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程中,應(yīng)實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)構(gòu)件溫度,并應(yīng)根據(jù)GB/T 32073的規(guī)定,對(duì)溫度變化帶來(lái)的殘余應(yīng)力檢測(cè)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
檢測(cè)時(shí)應(yīng)保證接收信號(hào)中超聲臨界折射縱波穩(wěn)定且清晰可見(jiàn),讀出儀器設(shè)備顯示的殘余應(yīng)力數(shù)值。記錄檢測(cè)儀器參數(shù)和殘余應(yīng)力數(shù)值。
結(jié)語(yǔ)
焊接殘余應(yīng)力是焊接技術(shù)帶來(lái)的一個(gè)幾乎無(wú)法避免的缺陷,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(shí)際工程中應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力控制及檢測(cè)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。
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