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焊接残余应力对钢结构的影响及焊接残余应力的检测

焊接残余应力对钢结构的影响及焊接残余应力的检测
时间:2023.06.28
作者:中钢国检
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摘要: 焊接作为钢结构中的重要工艺,是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。由于高度集中的瞬时热输入,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和残余变形。焊接残余应力会严重影响结构的使用性能,因此,对焊接残余应力进行检测具有重要意义。   什么是焊接残余应力? 残余应力是指在没有外力或外力矩作用下,以平衡状态存在结构内部的力。残余应力是由于物体存在不均匀、不协调的变形,而导致物体自身为保持平衡而产生的力,如物体的不同部分因膨胀系数、刚度、屈服强度等不同而导致的不均匀变形。 在无外力作用下,焊接过后存在于焊件内部的自平衡的内应力称为焊接残余应力,焊接过程中,局部不均匀热输入是产生焊接残余应为的主要原因。   焊接残余应力对钢结构性能的影响 焊接过程中产生的二次变形和应力重分布,是由于焊接残余应力和工作荷载叠加的结果,在温度和介质的共同影响下,残余应力会对结构性能造成以下的影响:   (1)对结构刚度的影响 在焊接残余应力的作用下,结构所承受的外荷载有效截面面积能够大大降低,结构刚度减弱,与此同时,截...
焊接残余应力对钢结构的影响及焊接残余应力的检测

(图:焊接残余应力对钢结构的影响及焊接残余应力的检测)

焊接作为钢结构中的重要工艺,是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。由于高度集中的瞬时热输入,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和残余变形。焊接残余应力会严重影响结构的使用性能,因此,对焊接残余应力进行检测具有重要意义。

 

什么是焊接残余应力?

残余应力是指在没有外力或外力矩作用下,以平衡状态存在结构内部的力。残余应力是由于物体存在不均匀、不协调的变形,而导致物体自身为保持平衡而产生的力,如物体的不同部分因膨胀系数、刚度、屈服强度等不同而导致的不均匀变形。

在无外力作用下,焊接过后存在于焊件内部的自平衡的内应力称为焊接残余应力,焊接过程中,局部不均匀热输入是产生焊接残余应为的主要原因。

 

焊接残余应力对钢结构性能的影响

焊接过程中产生的二次变形和应力重分布,是由于焊接残余应力和工作荷载叠加的结果,在温度和介质的共同影响下,残余应力会对结构性能造成以下的影响:

 

(1)对结构刚度的影响

在焊接残余应力的作用下,结构所承受的外荷载有效截面面积能够大大降低,结构刚度减弱,与此同时,截面上产生的残余拉伸应力不仅会造成构件加载过程中刚度的降低,而且会导致卸载过程中回弹量的降低,结构变形进一步加大,钢结构刚度无法保障。

 

受外荷载的影响,钢结构会产生应力,该应力能够与结构中的残余应力相互影响、互相作用,当二者所产生的应力至屈服极限时,将会导致残余应力区域内材料的塑性变形,降低承载外荷载的能力,钢结构刚度大大降低。

 

焊缝1

 

(2)对结构疲劳强度的影响

在荷载的循环作用过程中,如果存在焊接残余应力,则会使应力循环的整个过程偏移一个值,使得其平均值发生变化,而幅值不发生变化,而我们知道,平均值和极限值之间为反比关系。所以,拉伸焊接残余应力出现在应力集中的部位,会造成疲劳强度的降低,焊接残余应力的影响随着应力集中系数的增加而提高。

 

(3)对焊接构件稳定性的影响

基于外荷载影响,处于残余应力区截面的受压焊件将会受到来自荷载应力及残余应力的双重叠加作用,其能够加快截面到达屈服极限,呈现塑性状态,此时其外荷载承载力完全丧失,降低了截面承受外荷载的有效界面,对构件的稳定性产生极大的影响。

 

(4)对应力腐蚀开裂的影响。

出现在一定的介质材料组合中,拉应力和腐蚀介质共同作用下产生裂缝称为应力腐蚀开裂。拉应力的存在使得金属表面的腐蚀钝化膜破坏加大,而残余拉应力和拉应力产生叠加的效果,使得拉应力加大,腐蚀断裂加速。

 

残余应力检测方法

目前残余应力的检测方法有多种,可分为破坏性和非破坏性两大类,而超声以其检测无损、快速精确等优势,在残余应力检测领域得到了极大的发展。

应力超声波检测是利用声弹性理论,即在材料弹性范围内,残余应力大小与超声波传播速度存在线形关系,压缩应力使超声波传播速度加快,拉伸应力使超声波传播速度减慢,以基准零应力试块内的超声波传播速度为基准,便可获得构件内部服役应力的拉伸和压缩状态以及数值。

 

在检测开始时应首先校准零应力,应将探头稳定置于均匀涂抹耦合剂与构件曲率一致的基准零应力试块或同材质无应力区域上校准,标定出基准零应力状态对应的超声临界折射纵波传播速度V0­,并录入检测系统。

 

焊缝3

 

检测过程中应使探头与被检构件表面稳固密实结合,耦合接触力应保持恒定且与校准过程一致,也可采用手工、磁吸、真空吸盘或弹簧等方法产生压紧力。

 

探头放置方向应与检测应力方向一致,也可在垂直两个方向上分别检测出残余应力,然后矢量求和得出主应力及其方向;对于有曲率的焊缝,检测焊接残余应力时宜选择垂直焊缝方向,同时应兼顾构件曲率带来的探头耦合损失。

 

残余应力检测过程中,应实时获取检测构件温度,并应根据GB/T 32073的规定,对温度变化带来的残余应力检测误差进行补偿。

 

检测时应保证接收信号中超声临界折射纵波稳定且清晰可见,读出仪器设备显示的残余应力数值。记录检测仪器参数和残余应力数值。

 

结语

焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷,对钢结构的结构强度、疲劳强度、应力腐蚀开裂、焊件稳定性等性能均有着较大的负面影响,因此在实际工程中应采取恰当的残余应力控制及检测方法,最大限度地减少残余应力,以提高钢结构的安全性。

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