磁測法測試鋼結構橋梁的焊接殘余應力

　　摘要：焊接鋼橋越來越廣泛應用，焊接殘余應力、變形是對橋梁結構質量與耐久性影響較大。焊接過程中產生殘余應力可能會降低橋梁的承載能力和疲勞強度甚至誘發裂紋導致災難性事故。磁測法是基于鐵磁材料壓磁效應的應力測量的一種新方法，在熔透焊縫中，平行和垂直焊縫方向都存在著相當大的焊接殘余應力，很多測點應力已經接近鋼材的屈服強度;局部構造設計對于防止焊接應力集中有著重要的意義。

　　關鍵詞：鋼結構橋梁;磁測法;焊接應力

　　隨著我國城市現代化進程的不斷加快，鋼桁梁的發展趨勢之一是“外形簡潔、結構耐久”，在大跨徑鋼結構橋梁中，構件由于受力大采用厚鋼板的情形越來越多;此外構件與構件間的連接接頭以及重要節點的節點板也由于其傳力大，越來越趨于采用厚鋼板，因而橋梁結構中的連接焊縫復雜，焊接完成后在焊縫區域和熱影響區產生的焊接殘余應力問題越來越突出。

　　結構構件在制造過程中留下的殘余應力是產生變形和開裂等工藝缺陷的主要原因，將直接影響到焊接構件的疲勞強度、結構的剛度和穩定承載力。因此在鋼結構橋梁的構件制作和現場安裝過程中，殘余應力的水平、性質及分布情況是設計、制造和使用者共同關心的問題，準確測定出構件的殘余應力就顯得十分重要。

　　電焊論文投稿刊物：《焊接學報》(月刊)創刊于1980年，由中國機械工程學會、中國機械工程學會焊接學會、哈爾濱焊接研究所主辦。主要刊登焊接各專業學科理論研究的專題論文和反映焊接新材料、新工藝方法的專題論文。

　　一、殘余應力的主要測試方法

　　測量焊接殘余應力的方法按其對被檢測對象是否產生損傷分為有損法和無損法兩大類，有損法又稱為機械法測殘余應力，它是采用機械加工的手段，對被測構件進行部分解剖或完全剝離使被測構件上的殘余應力部分釋放或完全釋放，利用電阻應變計測出殘余應力的方法。常用的有盲孔法。無損法按其使用檢測手段不同，分為x射線衍射法、超聲聲彈性法和磁測法等。其中超聲聲彈性法只能測試高值殘余應力，目前還處于試驗研究階段。

　　盲孔法、x射線衍射法、磁測法方法都有測試速度較快，都能用于不均勻的應力場，但x射線衍射法由于儀器設備的復雜性只能用于實驗室，盲孔法和磁測法則因儀器的輕便性可用于實驗室和現場測試。盲孔法是采用在預測工件的表面中心鉆一小孔，使其產生局部應力釋放，再由黏貼在孔周的應變片感受出應變的變化，該應變稱為釋放應變，通過彈性力學公式可得到主應力值和方向角。

　　與盲孔法相比，磁測法在測量殘余應力時，對被檢測對象不造成任何破損，此外它能測出同一點在不同狀態下的應力情況。如超聲波沖擊等工藝處理前后的焊接殘余應力的變化情況，而且它既能測平面光滑試樣的應力又能測復雜形狀部位處(如各構造部件相交部位或角焊縫處等)的焊縫殘余應力。

　　而盲孔法對于復雜部位的開孔則受到限制。在鋼結構橋梁的焊縫中，測試殘余應力的目的是為了了解焊接殘余應力的大小，分布狀況，為后緒將開展的減小和消除殘余應力工藝及技術方案提供依據，并且在減小和消除殘余應力工藝處理后，再次進行測試，以了解焊接殘余應力重新分布的情況，評定工藝處理的效果，確認是否滿足結構受力要求。

　　二、殘余應力的磁測法

　　1、磁測法的測試原理。目前在我國應用的磁測法是一種無損檢測的方法，它的基本原理是，基于鐵磁性材料(如低碳鋼等)的磁致伸縮效應，即鐵磁性材料在磁化時會發生尺寸變化;反過來鐵磁體在應力作用下其磁化狀態(導磁率和磁感應強度等)也會發生變化，因此通過測量磁性變化可以測定鐵磁材料中的應力。當試樣內存在殘余應力時，也會使磁疇的移動和轉向均受阻而使磁化率減小，這種現象稱為磁彈性現象[1]。

　　2、靈敏系數的確定。靈敏系數a可通過單向拉壓或彎曲實驗確定。為消除邊界對測量結果的影響，試樣的寬度需大于3倍探頭的尺寸，試件長寬比取6較適宜，標定試樣，選擇與被測材料同樣的化學成分和同一熱處理狀況的無內應力材料制成，通過標定可得一系列數據。由式可知這些數據滿足線性關系，所以利用最小二乘法計算出直線的斜率即靈敏系數a。

　　3、應力的確定。已知各測點的主應力差和主方向角，用切實力差法分離主應力。

　　4、磁測法的應用情況及測前的準備工作。在大跨徑鋼結構橋梁構件焊接應力的測試中還沒有應用的報道資料。采用磁測法測試前首先要進行靈敏系數的標定�？赏ㄟ^單向拉壓或彎曲實驗確定。正式測試時首先將試件焊縫上的測點經過打磨，然后將測試儀器的一個探頭直接接觸在測點上，另一個探頭則放在預先標定好靈敏系數的鋼板上，探頭底部有兩個磁極，通過測定磁導率的變化來確定一點的應力狀態。對于需進行消除應力工藝處理的焊縫，必須選用同一測點對焊接殘余應力進行測試;以便于確定工藝處理后的效果滿足要求。

　　5、某大橋構件焊縫應力測試

　　某大橋為兩跨連續鋼桁架-桁拱組合結構，橋面結構為箱梁系梁，橫橋向為工字形橫梁與工字形小縱梁組成的格構體系，橋面部分為U型肋與12mm鋼橋面板上鋪SMA瀝青面層。

　　ANSYS計算殘余應力方法，焊接有限元分析計算，采用三維有限元模式，焊接區域內外溫度場不同，冷卻條件不同;而且由于模擬的過程是瞬態的，在時間上溫度梯度場也是不同的。材料的熱一力特性是非線性的，材料的非線性導致計算的非線性;同時還需要考慮時程的積累。外部的熔敷材料的凝結，會改變結構的連接，因而結構的邊界條件也是變化的。材料的狀態變化是逐步的，是顯微變化，逐步積累發生大的變化。因而，采用ANSYS計算焊接過程的殘余應力與應變的計算，一般有兩種方式:一是間接耦合，即根據結構的溫度場，計算結構的溫度應力，將溫度應力轉化為溫度荷載，再計算結構的內力，變形。另外一種就是直接耦合，即采用耦合單元，將溫度作用于耦合單元進行熱-結構分析。

　　(1)邊界條件。采用ANSYS進行焊接溫度-結構分析，結構的邊界條件是一個復雜的過程。為簡化計算同時兼顧模擬的準確，采取的方法是將溫度場的輻射和對流綜合考慮，調整對流系數，焊接熔池、熔寬和焊接最高溫度都有微小影響，但經驗證，影響并不明顯。

　　(2)相變潛熱處理方法。焊接過程中，由于溫度場的變化，焊接過程有鋼結構材料的汽化、熔化、凝固等相變過程，而相變潛熱對溫度場分析會產生一定的影響。計算采取的處理相變潛熱問題，采用的的方法是定義熱焓。

　　由于相變涉及金屬冶金學，比較復雜，為簡化計算，但又要接近實際情況，通過考慮材料在不同溫度條件下的材料特性來替代金屬相變的熱焓。

　　(3)非線性的處理。采用ANSYS進行模擬計算中，由于材料的非線性，導致計算的非線性，采用的計算方式是激活大應變效應，并采用緩慢加載。并采用多子步迭代并進行修正，打開牛頓一拉弗森迭代方法，激活二分法并限制最小時間步長。通過以上措施實現計算結果的準確性，計算驗證表明可使得計算結果接近于實際。

　　通過磁測法為消除焊接殘余應力提供了方便、可行、準確的測試手段，試驗研究表明，該方法具有測試靈敏度高、測試系統簡單等特點，特別是在復雜的節點焊縫測試中，更顯示出它的靈活、快捷、環保以及操作簡便等諸多的優越性，已越來越受到業界的重視，是一種很有發展前景的應力測試方法。

　　參考文獻：

　　[1]王振毅，馬宏程.常見焊接變形的影響因素及預防措施.科技傳播，2016.

　　[2]陳建波，羅宇，龍哲.大型復雜結構焊接變形熱彈塑性有限元分析.焊接學報，2017，29(4).

　　[3]汪建華，陸皓，魏良武.固有應變有限元法預測焊接變形理論及其應用.焊接學報，2016，23(6).

　　作者：陳杰

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