焊接殘余應力對鋼結構的影響及焊接殘余應力的檢測

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

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什么是焊接殘余應力？

殘余應力是指在沒有外力或外力矩作用下，以平衡狀態(tài)存在結構內(nèi)部的力。殘余應力是由于物體存在不均勻、不協(xié)調(diào)的變形，而導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、屈服強度等不同而導致的不均勻變形。

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)應力稱為焊接殘余應力，焊接過程中，局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接殘余應為的主要原因。

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焊接殘余應力對鋼結構性能的影響

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

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（1）對結構剛度的影響

在焊接殘余應力的作用下，結構所承受的外荷載有效截面面積能夠大大降低，結構剛度減弱，與此同時，截面上產(chǎn)生的殘余拉伸應力不僅會造成構件加載過程中剛度的降低，而且會導致卸載過程中回彈量的降低，結構變形進一步加大，鋼結構剛度無法保障。

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受外荷載的影響，鋼結構會產(chǎn)生應力，該應力能夠與結構中的殘余應力相互影響、互相作用，當二者所產(chǎn)生的應力至屈服極限時，將會導致殘余應力區(qū)域內(nèi)材料的塑性變形，降低承載外荷載的能力，鋼結構剛度大大降低。

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（2）對結構疲勞強度的影響

在荷載的循環(huán)作用過程中，如果存在焊接殘余應力，則會使應力循環(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系。所以，拉伸焊接殘余應力出現(xiàn)在應力集中的部位，會造成疲勞強度的降低，焊接殘余應力的影響隨著應力集中系數(shù)的增加而提高。

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（3）對焊接構件穩(wěn)定性的影響

基于外荷載影響，處于殘余應力區(qū)截面的受壓焊件將會受到來自荷載應力及殘余應力的雙重疊加作用，其能夠加快截面到達屈服極限，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，對構件的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。

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（4）對應力腐蝕開裂的影響。

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

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殘余應力檢測方法

目前殘余應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，在殘余應力檢測領域得到了極大的發(fā)展。

應力超聲波檢測是利用聲彈性理論，即在材料彈性范圍內(nèi)，殘余應力大小與超聲波傳播速度存在線形關系，壓縮應力使超聲波傳播速度加快，拉伸應力使超聲波傳播速度減慢，以基準零應力試塊內(nèi)的超聲波傳播速度為基準，便可獲得構件內(nèi)部服役應力的拉伸和壓縮狀態(tài)以及數(shù)值。

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在檢測開始時應首先校準零應力，應將探頭穩(wěn)定置于均勻涂抹耦合劑與構件曲率一致的基準零應力試塊或同材質(zhì)無應力區(qū)域上校準，標定出基準零應力狀態(tài)對應的超聲臨界折射縱波傳播速度V0-，并錄入檢測系統(tǒng)。

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

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

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殘余應力檢測過程中，應實時獲取檢測構件溫度，并應根據(jù)GB/T 32073的規(guī)定，對溫度變化帶來的殘余應力檢測誤差進行補償。

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

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結語

焊接殘余應力是焊接技術帶來的一個幾乎無法避免的缺陷，對鋼結構的結構強度、疲勞強度、應力腐蝕開裂、焊件穩(wěn)定性等性能均有著較大的負面影響，因此在實際工程中應采取恰當?shù)臍堄鄳刂萍皺z測方法，最大限度地減少殘余應力，以提高鋼結構的安全性。