焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼橋面疲勞性能的影響與處理措施

鄭凱鋒,馮霄暘,何曉暉,衡俊霖,李 樂(lè),王洪福

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610036;2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 深圳 518060;3.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,廣東 深圳 518060;4.代爾夫特理工大學(xué) 土木工程與地球科學(xué)學(xué)院,荷蘭 代爾夫特 2628 CN;5.中建五洲工程裝備有限公司,南京 210046)

正交異性鋼橋面是現(xiàn)代鋼橋的重要特征之一,它由頂板與加勁肋通過(guò)焊接形成的縱橫向剛度具有明顯差異的橋面系統(tǒng),已在公路與鐵路大跨度橋梁中廣泛應(yīng)用[1]。然而隨著鋼橋面服役時(shí)間增長(zhǎng),疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象普遍出現(xiàn),其中以頂板與U肋連接焊縫、橫肋與U肋連接焊縫、橫肋開(kāi)孔處疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象尤為突出[2]。因此,如何降低鋼橋面疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)是鋼橋領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。

近年來(lái),從鋼橋面局部構(gòu)造形狀與荷載作用效應(yīng)角度出發(fā),提出了各有特色的改進(jìn)型處理措施。局部構(gòu)造形狀優(yōu)化角度:1)頂板與U肋焊縫,厚邊U肋,U肋雙面焊,熱軋變截面U肋;2)橫肋與U肋焊縫,蝴蝶型開(kāi)孔,U肋內(nèi)測(cè)加肋型,轉(zhuǎn)移應(yīng)力型,獨(dú)立開(kāi)孔型。作用效應(yīng)角度:UHPC鋪裝等。這些處理措施雖然從幾何突變與荷載作用效應(yīng)角度上降低了車(chē)輛荷載所引起的疲勞應(yīng)力幅,但從焊接角度出發(fā)依然存在進(jìn)一步提高鋼橋面疲勞性能的潛力,即消除或降低殘余應(yīng)力所引起的疲勞裂紋萌生與加速擴(kuò)展。

正交異性鋼橋面是大量板件通過(guò)焊縫連接形成的鋼橋面系統(tǒng)。焊接過(guò)程中,金屬材料受到不均勻的加熱與冷卻,最終在其內(nèi)部形成了大小不等,分布不均的焊接殘余應(yīng)力,導(dǎo)致焊縫及其周邊熱影響區(qū)存在殘余拉應(yīng)力、外圍母材存在殘余壓應(yīng)力。此外,鋼橋面焊縫數(shù)量龐大,相應(yīng)的大規(guī)模焊接作業(yè)不可避免地引入可觀且繁雜的殘余應(yīng)力場(chǎng)。現(xiàn)有理論和試驗(yàn)研究表明:焊接殘余應(yīng)力是正交異性鋼橋面連接焊縫疲勞開(kāi)裂的重要因素之一[3]。

船舶與壓力容器領(lǐng)域?qū)附託堄鄳?yīng)力已有深入研究,其目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為:焊接殘余應(yīng)力為自平衡應(yīng)力,在焊縫及周邊為殘余拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力;殘余應(yīng)力不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,其拉應(yīng)力成分還會(huì)加速疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。文獻(xiàn)[4]與相關(guān)的試驗(yàn)[5]研究表明,焊接殘余應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生松弛現(xiàn)象,其程度由材料特性、局部幾何形態(tài)以及外荷載所決定;當(dāng)外荷載與局部殘余應(yīng)力總和超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度,殘余應(yīng)力松弛通常在第一個(gè)加載周期內(nèi)結(jié)束。因此,在考慮焊縫局部應(yīng)力集中的情況下,荷載大小將決定殘余應(yīng)力松弛程度。然而,上述高應(yīng)力狀態(tài)在正交異性鋼橋面的實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中較為罕見(jiàn),車(chē)輛荷載所引起的應(yīng)力幅通常不超過(guò)30 MPa[6]。因此,在工程實(shí)踐中,可偏安全地忽略焊接殘余應(yīng)力松弛現(xiàn)象對(duì)鋼橋面的影響。卞如岡等[7]通過(guò)雙參數(shù)裂紋擴(kuò)展率公式定量計(jì)算分析殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響,結(jié)果表明:殘余應(yīng)力雖未改變裂紋擴(kuò)展趨勢(shì),但顯著加快裂紋擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的顯著縮短。同時(shí),裂紋的不斷擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力發(fā)生重分布,進(jìn)而反過(guò)來(lái)影響裂紋擴(kuò)展。相關(guān)研究[8]表明:當(dāng)表面疲勞開(kāi)裂后,殘余拉應(yīng)力最大值逐漸過(guò)度至裂紋前緣處,且應(yīng)力峰值不斷降低,對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響逐漸降低,此時(shí)外荷載成為裂紋擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。

綜上所述,通過(guò)采用焊后處理措施消除殘余應(yīng)力,有望顯著延緩鋼橋面焊縫疲勞裂紋萌生和開(kāi)展。然而,退火處理鋼橋面的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較缺乏,尚待開(kāi)展較為深入的對(duì)比試驗(yàn)研究。本文首先回顧介紹正交異性鋼橋面焊接殘余應(yīng)力的分布,闡述縱橫向殘余應(yīng)力對(duì)鋼橋面疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。其次,總結(jié)國(guó)內(nèi)外消除殘余應(yīng)力的方法。最后,提出針對(duì)鋼橋面的焊后退火處理措施,開(kāi)展退火、未退火試件的殘余應(yīng)力測(cè)試與疲勞對(duì)比試驗(yàn),分析與探討焊后退火處理對(duì)鋼橋面疲勞性能的影響。

1 鋼橋面焊接殘余應(yīng)力的分布

焊接是鋼橋面制造不可或缺的加工工藝,在焊接過(guò)程中金屬材料受到不均勻加熱與冷卻,在其內(nèi)部最終形成大小不等,分布不均的焊接殘余應(yīng)力,如圖1所示。由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性,所形成的焊接殘余應(yīng)力很難單獨(dú)從數(shù)值模擬出發(fā)進(jìn)行定量分析。因此,為準(zhǔn)確把握鋼橋面焊接殘余應(yīng)力的分布模式,本節(jié)將從試驗(yàn)角度對(duì)沿焊縫方向、垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力分布模式進(jìn)行詳細(xì)梳理與總結(jié)。

圖1 焊接殘余應(yīng)力形成原理

鋼橋面頂板與U肋連接焊縫疲勞裂紋往往在頂板焊趾處萌生,隨著加載次數(shù)的增加裂紋沿板厚方向與順焊縫方向擴(kuò)展,因此頂板焊趾處殘余應(yīng)力分布模式對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展起至關(guān)重要的影響。

1.1 垂直焊縫方向殘余應(yīng)力分布

鋼橋面頂板下表面焊趾處垂直焊縫方向的焊接殘余拉應(yīng)力峰值并未達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度,隨著距離的增加殘余拉應(yīng)力逐漸減小,在距離焊趾約25 mm處殘余應(yīng)力趨近于零,如圖2所示。

圖2 垂直焊縫方向殘余應(yīng)力分布

早期日本北田俊行等[9]采用條分法,分別以不同材料(SM50Y、SS41)與不同頂板厚度(12 mm,14 mm)為參量,進(jìn)行了3組足尺模型(包含3個(gè)U肋與2個(gè)橫隔板)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:頂板與U肋連接焊縫焊趾處垂直焊縫方向的殘余拉應(yīng)力為0.6倍的屈服強(qiáng)度,且其與材料的種類(lèi)無(wú)關(guān)。隨后在多多羅大橋設(shè)計(jì)階段大橋治一等[10]同樣采用條分法進(jìn)行了2組足尺模型的殘余應(yīng)力測(cè)試,其中一組包含3個(gè)U肋,頂板厚12 mm,U肋厚6 mm用于疲勞試驗(yàn),另一組包含1個(gè)U肋,頂板厚14 mm,U肋厚8 mm用于壓縮屈曲試驗(yàn),焊腳尺寸均為6 mm,鋼材為SS440,試驗(yàn)結(jié)果表明:垂直焊縫方向最大焊接殘余拉應(yīng)力可達(dá)鋼材屈服強(qiáng)度的0.6倍。

隨后周思廷[11]采用盲孔法對(duì)足尺單U肋試件(Q345qD)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試,其中頂板厚度14 mm,U肋厚度8 mm,焊腳尺寸8 mm,在距焊趾10 mm位置處測(cè)的垂直焊縫方向殘余應(yīng)力為92 MPa。鐘雯等[12]采用盲孔法對(duì)足尺雙U肋模型(Q379qE)進(jìn)行測(cè)試,其中頂板厚度16 mm,U肋厚度6 mm,焊腳尺寸8 mm,結(jié)果顯示在焊趾處測(cè)的垂直焊縫方向殘余應(yīng)力為156 MPa。Cui等[13]采用超聲法對(duì)足尺單U肋試件(Q345qD)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試,其中頂板厚度16 mm,U肋厚度8 mm,焊腳尺寸10 mm,超聲探頭尺寸為33 mm×15 mm,在焊趾處測(cè)的垂直焊縫方向殘余應(yīng)力約為150 MPa。

以上研究表明受待測(cè)試件尺寸與測(cè)試方法的影響所測(cè)焊趾處垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力峰值存在較大差異。

1.2 沿焊縫方向殘余應(yīng)力分布

鋼橋面頂板下表面焊趾處沿焊縫方向焊接殘余應(yīng)力峰值與材料屈服強(qiáng)度相當(dāng),隨著距離的增加殘余應(yīng)力逐漸減小,在相鄰兩條焊縫中間區(qū)域則呈現(xiàn)由于殘余拉應(yīng)力引起的壓應(yīng)力,如圖3所示。

圖3 平行焊縫方向殘余應(yīng)力分布

限于條分法的局限性,早期對(duì)鋼橋面頂板與U肋焊縫沿焊縫方向殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示僅為材料屈服強(qiáng)度的0.2～0.35倍。顧穎[14]對(duì)尺寸為2 m×4 m包含3個(gè)U肋的試件進(jìn)行了盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)試,其中U肋尺寸為280 mm×300 mm,焊腳尺寸為13.2 mm。分析結(jié)果顯示沿焊縫方向焊趾處殘余應(yīng)力平均約為314.5 MPa,接近材料的屈服強(qiáng)度,相鄰U肋間由于焊接殘余拉應(yīng)力引起的壓應(yīng)力實(shí)測(cè)值約為-100 MPa。周思廷[11]對(duì)陶瓷襯墊全熔透焊的單U肋試件通過(guò)盲孔法進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示縱橫向殘余應(yīng)力由焊趾處的殘余拉應(yīng)力峰值隨著與焊縫距離的增加逐漸降低至壓應(yīng)力,其中焊趾處殘余拉應(yīng)力峰值為387 MPa,壓應(yīng)力約為-100 MPa。鐘雯等[12]對(duì)包含兩個(gè)U肋的試件進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示焊趾處縱向殘余應(yīng)力約為350 MPa,遠(yuǎn)離焊趾區(qū)域約為-50 MPa。

上述研究測(cè)試結(jié)果表明,在焊趾處存在較大的殘余拉應(yīng)力接近材料的屈服極限,然而在遠(yuǎn)離焊趾區(qū)域存在50～100 MPa壓應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響

2.1 殘余應(yīng)力在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的重分布

裂紋尖端的焊接殘余應(yīng)力在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。Song等[15]通過(guò)有限元模擬緊湊拉伸件裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋尖端的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布現(xiàn)象。Terada[16]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了平板對(duì)接接頭裂紋擴(kuò)展過(guò)程中殘余應(yīng)力的重分布現(xiàn)象,并給出了平板穿透型裂紋殘余應(yīng)力重分布公式。Liljedahl等[17]基于線彈性斷裂力學(xué)采用有限元方法對(duì)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的CT試樣進(jìn)行裂紋擴(kuò)展過(guò)程的計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果顯示殘余應(yīng)力隨著裂紋長(zhǎng)度的增加先逐漸增加,當(dāng)裂紋達(dá)到一定長(zhǎng)度后殘余應(yīng)力逐漸降低。Hensel等[18]通過(guò)試驗(yàn)詳細(xì)研究了對(duì)接焊接接頭殘余應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展之間相互作用的關(guān)系,分析結(jié)果顯示在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中外荷載與殘余應(yīng)力疊加導(dǎo)致裂尖應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)生應(yīng)力松弛。

2.2 焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響

基于斷裂力學(xué)理論的Paris公式是最初的疲勞裂紋擴(kuò)展模型,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已演變出多種形式。根據(jù)Paris公式,在裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段,疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅在對(duì)數(shù)關(guān)系上呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此,在殘余應(yīng)力下應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化是研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵。

焊接接頭殘余應(yīng)力對(duì)疲勞性能影響的研究可追溯至1939年前后,早期研究表明,殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響與消除殘余應(yīng)力相比可以忽略不計(jì)[19]。隨后,詳細(xì)的研究[20]表明,與原試樣相比,應(yīng)力消除試樣的抗疲勞性能可提高150%。

相關(guān)研究結(jié)果驗(yàn)證了殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭疲勞性能有較大的影響[21],但它們的影響尚未被很好地理解,仍然是一個(gè)存在爭(zhēng)議的問(wèn)題。因此,如何降低焊接殘余應(yīng)力與其對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響是目前研究的重要內(nèi)容。

3 基于殘余應(yīng)力消除的鋼橋面抗疲勞性能提升方法

通過(guò)上述研究表明,鋼橋面疲勞開(kāi)裂不僅僅取決于焊接接頭的構(gòu)造形式,裂紋的萌生與擴(kuò)展也受到焊接殘余應(yīng)力的重要影響。因此,如何降低焊接接頭的殘余應(yīng)力,是提高鋼橋面疲勞性能的重要研究方向。

3.1 機(jī)械錘擊法

機(jī)械錘擊法是一種通過(guò)機(jī)械手段撞擊焊縫焊趾處產(chǎn)生塑性變形從而引入殘余壓應(yīng)力,減小裂紋萌生的方法,通常包含錘擊,噴丸,噴砂等。針對(duì)機(jī)械錘擊法國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。Berg等[22]研究結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)錘擊的試樣表面存在一個(gè)壓縮殘余應(yīng)力場(chǎng)。同時(shí),Tai等[23]的試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)錘擊的試驗(yàn)材料其裂紋萌生與裂紋擴(kuò)展的加載次數(shù)得到較大的提升。Yamada等[24]在對(duì)裂紋進(jìn)行錘擊后發(fā)現(xiàn)形成的壓縮殘余應(yīng)力場(chǎng)不僅會(huì)閉合已經(jīng)形成的裂紋,還能提高其疲勞性能。然而由于鋼橋面構(gòu)造復(fù)雜,焊縫數(shù)量較多,在目前鋼橋面制造加工中很難對(duì)構(gòu)造復(fù)雜處焊縫一一進(jìn)行錘擊處理。該技術(shù)不僅對(duì)操作者的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)要求較高,而且對(duì)錘頭的形狀參數(shù)較為敏感。

3.2 焊后熱處理法

早期為了解決薄壁板件焊接導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形,Michaleris等[25]首次報(bào)道了利用熱效應(yīng)來(lái)緩解焊接前和焊接過(guò)程中的焊接變形和殘余應(yīng)力。焊后熱處理工藝中的退火工藝經(jīng)常用于壓力容器和管道等的制造中,很少用于鋼橋等大型土木工程結(jié)構(gòu),一般將標(biāo)準(zhǔn)單元整體放入大型退火爐中進(jìn)行退火處理[26]。目前焊后熱處理方法按照加熱部位分為局部加熱法與整體加熱法。

文獻(xiàn)[27]研究表明,經(jīng)過(guò)焊后退火處理的焊接接頭殘余應(yīng)力明顯降低。Lin等[28]提出了采用在焊槍兩側(cè)增加兩個(gè)移動(dòng)加熱源對(duì)焊縫附近區(qū)域進(jìn)行加熱,通過(guò)在焊縫融合區(qū)和相鄰母材冷卻過(guò)程中產(chǎn)生均勻溫度場(chǎng)來(lái)減少殘余應(yīng)力的形成,試驗(yàn)結(jié)果表明平行焊縫方向峰值殘余應(yīng)力降低了約21%。Wang等[29]同樣采用平行加熱技術(shù)在焊縫附近區(qū)域?qū)缚p進(jìn)行焊后熱處理,結(jié)果顯示平行焊縫方向焊接殘余應(yīng)力降低了約37%。上述研究表明雖然移動(dòng)的局部加熱裝置可以有效控制焊接翹曲,但試驗(yàn)結(jié)果顯示消除焊接殘余應(yīng)力的效果并不顯著。

2014年,森猛等[30]初步采用線狀加熱裝置在鋼橋面頂面焊縫區(qū)域加熱至625 ℃并保溫3 h,試驗(yàn)結(jié)果顯示焊縫區(qū)域平行焊縫方向殘余應(yīng)力大幅降低。廣畑幹人等[31]采用片狀陶瓷加熱裝置對(duì)單U肋試件加熱至600 ℃并保溫1 h,同樣驗(yàn)證了熱處理可以大幅降低頂板與U肋焊縫處的焊接殘余應(yīng)力。為了研究經(jīng)過(guò)加熱和冷卻過(guò)程對(duì)橋梁用鋼力學(xué)性能的影響,進(jìn)一步開(kāi)展了一系列試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化[32]。Hirohata等[33]采用高頻感應(yīng)加熱裝置對(duì)焊接接頭焊趾處局部加熱,殘余應(yīng)力降低了88%,疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示相同應(yīng)力幅作用下,疲勞壽命可提高2～5倍。

由上述研究結(jié)果可知,焊后熱處理法作為消除焊接殘余應(yīng)力效果較為明顯、技術(shù)較為成熟、較易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的技術(shù)手段,其對(duì)鋼橋面關(guān)鍵焊縫的消除效果與疲勞性能的影響缺少相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 新型退火鋼橋面的探索

上述文獻(xiàn)研究結(jié)果表明鋼橋面疲勞裂紋萌生不僅與焊縫處幾何形狀有關(guān),還與焊接殘余應(yīng)力關(guān)系密切。由于焊接殘余應(yīng)力的存在,在殘余應(yīng)力與外荷載應(yīng)力作用下沒(méi)有超出材料屈服強(qiáng)度時(shí),將會(huì)加速疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)顯示鋼橋面采用局部熱處理法不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)而且工藝復(fù)雜。本文借鑒壓力容器制造方法,在鋼橋面制造過(guò)程中引入焊后退火處理以消除焊接殘余應(yīng)力提升鋼橋面抗疲勞性能。為了進(jìn)一步研究焊后熱處理工藝對(duì)鋼橋面疲勞性能的影響,一共制作了16個(gè)局部足尺單U肋試件,其中6個(gè)試件(3個(gè)進(jìn)行退火處理,3個(gè)未進(jìn)行退火處理)采用盲孔法對(duì)頂板與U肋焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試,以驗(yàn)證退火處理對(duì)頂板與U肋焊縫殘余應(yīng)力的消除效果;10個(gè)試件(6個(gè)進(jìn)行退火處理,4個(gè)未進(jìn)行退火處理)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),以驗(yàn)證退火處理對(duì)鋼橋面疲勞性能的影響。

4.1 試件制備

根據(jù)已有的鋼橋面疲勞試驗(yàn)研究成果,頂板與U肋焊縫疲勞開(kāi)裂后果最為嚴(yán)重[1]。因此,本次試驗(yàn)選取頂板與U肋連接焊縫為研究對(duì)象,對(duì)比其在熱處理工藝前后疲勞強(qiáng)度的變化,上述16個(gè)試件的模型尺寸與構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖4所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯廨喞叽鐬?00 mm×1 000 mm×296 mm(長(zhǎng)×寬×高),制作材料采用Q345qD。其中,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的未退火處理試件編號(hào)為AW1～AW4,退火處理試件編號(hào)為PT1～PT6。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c局部構(gòu)造

采用臺(tái)車(chē)式電天然氣爐對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼橋面單元進(jìn)行退火處理,該爐長(zhǎng)37 m,寬8.5 m,高9 m,可同時(shí)容納800 t以上的正交異性鋼橋面板單元,并采用熱電偶自動(dòng)記錄爐內(nèi)溫度,如圖5所示。表1給出了現(xiàn)行規(guī)范中板件通用焊后熱處理程序[34],在板件溫度高于400 ℃時(shí),升溫速度不應(yīng)超過(guò)(5 500/δ)℃/h或者220 ℃/h,降溫速速不應(yīng)超過(guò)(7 000/δ)℃/h或者280 ℃/h,相應(yīng)的保溫時(shí)間至少為δ/25 h或者15 min,其中δ為板件厚度。為了驗(yàn)證在熱處理過(guò)程中,板件溫度處于可控安全區(qū)間內(nèi),在待處理試件上布置了熱電偶得到了在整個(gè)熱處理過(guò)程中溫度-時(shí)間關(guān)系曲線,如圖6所示。

表1 焊后熱處理工藝

圖5 鋼橋面板單元退火處理

圖6 實(shí)測(cè)鋼橋面溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

4.2 加載與測(cè)試方案

4.2.1 疲勞加載與測(cè)試方案

為了研究鋼橋面頂板與U肋連接焊縫在車(chē)輛荷載作用下的疲勞性能,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎孟鹉z墊支撐于剛性試驗(yàn)臺(tái)座上,剛性試驗(yàn)臺(tái)座與地腳螺栓相連,模型加載與約束如圖7所示。

圖7 模型加載

在圖示加載工況作用下,作動(dòng)器所施加荷載通過(guò)加載橡膠墊傳遞至試件頂板頂面,模擬車(chē)輛荷載作用效應(yīng),其后荷載通過(guò)邊界橡膠墊傳遞至剛性臺(tái)座,其中作動(dòng)器與試件之間設(shè)置200 mm×180 mm×45 mm的橡膠支座。為了使左側(cè)頂板與U肋焊縫出現(xiàn)較大垂直焊縫方向的應(yīng)力幅并出現(xiàn)疲勞裂紋,加載位置中心點(diǎn)位于試件中心向左偏移45 mm處。

為了準(zhǔn)確捕捉試件在荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng)、識(shí)別應(yīng)力峰值,根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑陉P(guān)注區(qū)域頂板與U肋焊縫頂板焊趾處粘貼應(yīng)變片,應(yīng)變片布置如圖8所示。應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)分別距離頂板焊趾8 mm(0.5t)與24 mm(1.5t),其中t為頂板厚度。距離焊趾1.5t處的應(yīng)變片作為該焊縫的名義應(yīng)力測(cè)點(diǎn),熱點(diǎn)應(yīng)力則根據(jù)國(guó)際焊協(xié)(IIW)所推薦的“0515準(zhǔn)則”進(jìn)行計(jì)算。加載設(shè)備采用MTS進(jìn)行正弦波常幅循環(huán)加載,同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中各試件的應(yīng)力響應(yīng)確定加載荷載幅見(jiàn)表2,其中ΔF=Fmax-Fmin。

表2 各試件荷載幅值

4.2.2 殘余應(yīng)力測(cè)試方案

由于在焊接過(guò)程中,焊縫附近受到不均勻加熱與冷卻的影響相對(duì)于其他地方更大,所以頂板焊趾處熱影響區(qū)為殘余應(yīng)力測(cè)試的關(guān)注區(qū)域?？紤]到機(jī)械打磨會(huì)對(duì)表面殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生不利影響,因此在焊縫附近區(qū)域采用化學(xué)拋光方法進(jìn)行打磨以去除表面銹蝕,拋光出長(zhǎng)300 mm、寬50 mm的光滑面后,在距離焊縫0～20 mm之間粘貼應(yīng)變片,測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。根據(jù)《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定鉆孔應(yīng)變法》(GB/T 31310—2014)[35]與《殘余應(yīng)力測(cè)試方法 鉆孔應(yīng)變釋放法》(CB/T 3395—2013)[36]規(guī)定,采用直徑為2 mm的麻花鉆頭,鉆孔深度為1.2D(即2.4 mm)進(jìn)行鉆孔。

圖9 盲孔法測(cè)點(diǎn)布置

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.3.1 殘余應(yīng)力對(duì)比分析

焊接殘余應(yīng)力的影響因素較多且隨機(jī)性較大,將距離焊趾相同位置的殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)值進(jìn)行平均處理,退火處理與未退火處理試件的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖10、11所示。圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)代表距離焊趾相同位置處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值,淺色條帶代表該處所測(cè)數(shù)據(jù)的最大值與最小值。

圖11 實(shí)測(cè)橫向殘余應(yīng)力分布

盲孔法的測(cè)試結(jié)果顯示,未經(jīng)退火處理試件的縱橫向殘余應(yīng)力在焊縫處達(dá)到峰值,達(dá)到驚人的480.1 MPa,這可能是由于盲孔法在標(biāo)定A、B常數(shù)時(shí)所引入的誤差。一般在進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時(shí),其標(biāo)定應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)材料屈服強(qiáng)度,在殘余應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度時(shí),鉆孔附近塑性變形明顯將引入不可忽視的誤差[14]。同時(shí),傳統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)中板件材料為母材金屬,焊縫金屬與母材金屬存在較大差異,因此焊縫的殘余應(yīng)力不繪制在圖中。頂板與U肋焊縫疲勞裂紋常萌生于焊趾處,未退火試件在頂板下表面距離焊趾2 mm處的縱橫向平均殘余應(yīng)力分別為283.0 MPa與60.9 MPa,隨著測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離焊趾,在頂板下表面距離焊趾20 mm處的縱橫向平均殘余應(yīng)力逐漸降低至12.5 MPa與9.6 MPa。橫向殘余應(yīng)力峰值明顯低于縱向殘余應(yīng)力,這是由于焊接時(shí)約束和剛度在兩個(gè)方向上的顯著各向異性導(dǎo)致的[37]。相比之下,經(jīng)過(guò)退火處理試件的焊接殘余應(yīng)力分布發(fā)生了明顯的變化。退火處理后試件縱橫向焊接殘余應(yīng)力平均值從焊趾附近的44.4 MPa與14.4 MPa分別降至距離焊趾20 mm處的7.2 MPa與8.2 MPa。

試驗(yàn)結(jié)果表明,退火處理后試件的縱橫向焊接殘余應(yīng)力明顯減小,其中橫向焊接殘余應(yīng)力峰值平均值比原始狀態(tài)降低了76.4%,然而縱向殘余應(yīng)力降低更為明顯(即84.3%)。原始狀態(tài)下試件焊接殘余應(yīng)力在熱影響區(qū)分布不均勻,而經(jīng)過(guò)退火處理后的試件在焊趾附近殘余應(yīng)力分布均勻且趨近于零。同時(shí),隨著測(cè)點(diǎn)距焊趾距離的增加,原始狀態(tài)下的試件與經(jīng)過(guò)退火處理后的試件焊接殘余應(yīng)力逐漸趨于一致,表明殘余應(yīng)力隨距離的增加而減小。

4.3.2 疲勞性能對(duì)比分析

試件AW1在循環(huán)荷載作用下,其荷載響應(yīng)在加載墊兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰分布特征,其峰值處的應(yīng)變片為關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),如圖12所示。根據(jù)試件破壞結(jié)果可知,疲勞裂紋萌生于頂板與U肋焊縫頂板焊趾應(yīng)力幅值最大處,隨著加載次數(shù)的增加裂紋沿著頂板厚度方向與焊縫方向逐漸擴(kuò)展,這與文獻(xiàn)[38-39]研究結(jié)果一致,典型疲勞破壞如圖13所示。經(jīng)過(guò)退火處理與未經(jīng)過(guò)退火處理試件的應(yīng)力-壽命結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。為了便于各個(gè)試件在不同應(yīng)力幅作用下疲勞壽命的對(duì)比,式σm·N=C(其中,σ為應(yīng)力幅,N為疲勞壽命,C為材料常數(shù))中m取3,將各個(gè)試件的實(shí)測(cè)應(yīng)力幅換算為200萬(wàn)次所對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力幅,該等效應(yīng)力幅記為等效疲勞強(qiáng)度。

表3 各試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖12 各測(cè)點(diǎn)荷載作用下應(yīng)力幅

圖13 典型疲勞開(kāi)裂模式

試驗(yàn)結(jié)果顯示,采用200萬(wàn)次等效疲勞強(qiáng)度進(jìn)行定量比較(以下簡(jiǎn)稱為疲勞強(qiáng)度):在名義應(yīng)力法下,經(jīng)過(guò)退火處理試件的平均疲勞強(qiáng)度(117 MPa)比未經(jīng)退火處理試件(95 MPa)高23%;在熱點(diǎn)應(yīng)力下,經(jīng)過(guò)退火處理試件的平均疲勞強(qiáng)度(148 MPa)比未經(jīng)退火處理試件(111 MPa)高33%;換算為設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度70 MPa時(shí),其疲勞壽命分別提高86%與135%。在名義應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力中,經(jīng)過(guò)退火處理試件的平均等效疲勞強(qiáng)度均明顯高于原始試件。

5 結(jié) 論

本文首先系統(tǒng)性地回顧和探討鋼橋面焊縫的焊接殘余應(yīng)力分布模式,就殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋發(fā)展的影響開(kāi)展調(diào)研和分析。隨后,在歸納和總結(jié)國(guó)內(nèi)外主流降低焊接殘余應(yīng)力方法的基礎(chǔ)上,提出對(duì)鋼橋面采用焊后退火工藝處理。通過(guò)對(duì)退火處理與未退火處理的16件足尺單U肋試件開(kāi)展殘余應(yīng)力測(cè)試和疲勞試驗(yàn),初步研究了退火處理對(duì)鋼橋面頂板與U肋連接焊縫殘余應(yīng)力分布與其對(duì)疲勞性能的影響?；谏鲜鲅芯?得到如下主要結(jié)論:

1)鋼橋面頂板與U肋連接焊縫在沿焊縫方向與垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力分布模式類(lèi)似,均在焊趾處出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力峰值,且隨著距離的增加而快速減小;兩個(gè)方向上的焊接殘余應(yīng)力峰值存在較大差異,其中沿焊縫方向殘余應(yīng)力峰值接近材料屈服強(qiáng)度,垂直焊縫方向殘余應(yīng)力峰值約為材料屈服強(qiáng)度的0.2～0.5倍。

2)焊接殘余拉應(yīng)力引起應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加,進(jìn)而加速裂紋擴(kuò)展。但同時(shí),隨裂紋的逐漸擴(kuò)展,殘余應(yīng)力發(fā)生重分布,應(yīng)力強(qiáng)度因子相應(yīng)減小,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率降低。

3)焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致構(gòu)件疲勞性能退化的重要因素,可通過(guò)機(jī)械錘擊法與焊后熱處理法處理。其中,焊后退火處理可以工業(yè)化調(diào)控鋼橋面焊接殘余應(yīng)力,且材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度均無(wú)明顯改變。

4)基于試件模型的殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)表明,焊后退火處理可大幅降低鋼橋面頂板與U肋連接焊縫的焊接殘余應(yīng)力:垂直焊縫方向的平均焊接殘余應(yīng)力降低76.4%,沿焊縫方向的平均焊接殘余應(yīng)力降低84.3%。

5)疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示,退火處理后的鋼橋面頂板與U肋連接焊縫疲勞強(qiáng)度大幅提高,以200萬(wàn)次等效疲勞強(qiáng)度計(jì),名義應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力下退火處理試件的平均疲勞強(qiáng)度分別提高23%和33%。