超声波冲击消除钢结构桥梁焊接残余应力

超声波冲击法是一种减小应力集中、消除焊接残余应力、改善焊缝处应力状态的工艺方法。对于局部构造复杂的部位，采用超声波冲击法消除焊接残余应力，有着操作灵活、不受焊缝位置和构件尺寸大小限制等优点。这种方法由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱等工程项目中得到应用［36］，但在斜拉桥锚拉板区域还没有被应用的文献记录。

超声波冲击消除焊接残余应力工艺，是用高频率冲击头撞击焊缝及热影响区，使以焊趾为中心的一定区域的焊接接头表面产生足够深度的塑变层，从而有效地改善焊缝与母材过渡区（焊趾）的外表形状，降低焊接接头的应力集中程度，重新调整焊接残余应力场。超声波冲击形成的表面压应力将降低、均匀化和消除焊接残余拉应力［34，37］，从而使接头疲劳强度得以提高。

文献［38］以重庆市江津观音岩长江大桥为背景，通过对该桥三个锚拉板与工字梁连接试件相关焊缝进行超声波冲击实验，研究超声波冲击对消除钢结构桥梁焊接残余应力的作用。

7.5.2.1　实验概述

重庆江津观音岩长江大桥是一座主跨436 m的钢结构斜拉桥。该桥的锚拉板直接焊接在主梁（工字梁）上翼缘板上。斜拉索锚拉板与主梁顶板的连接板件包括锚拉板N1（厚度为50 mm和60 mm）、锚拉板加劲肋N2和N3（厚度为30 mm和40 mm）、主梁顶板N4（厚度为50 mm）、主梁底板（厚度为80 mm）和主梁腹板上的加劲肋板N5（厚度为22 mm）。所有板件采用Q370qE钢材。

由于锚拉板与工字梁连接部位的各板材厚度都较大，连接焊缝也较多，同时有的地方焊缝相对集中，焊接后易形成较大的焊接残余应力。为了进行超声波冲击对减小和消除钢结构桥梁焊接残余应力的研究，根据该桥梁各梁段和锚拉板的施工制作工艺情况，以足尺比例制作了三个具有代表性的锚拉板与工字型截面主梁的连接试件。其中1＃和2＃试件为主梁在现场拼接的梁段，3＃试件是标准梁段、非现场拼接的梁段。试件的各组成板件及连接焊缝如图7-67所示。

图7-67　试件构造示意图

试件中的焊缝有3类：第1类为A焊缝，它是工字型截面主梁顶板N4和锚拉板N1连接的焊缝。第2类为B焊缝，它是锚拉板的加劲肋板N2和锚拉板N1连接的焊缝。第3类为丁字型接头焊缝，包括两处：①由N4顶板对接缝和A焊缝垂直相交形成的焊缝为顶板丁字型接头焊缝；②由工字梁底板对接缝和腹板N5连接的焊缝为底板丁字型接头焊缝。其中，A、B类焊缝为熔透角焊缝。

3个构件上分别设置13、9、8个焊接应力测点，具体布置如图7-68～图7-70所示。其中A焊缝测点位于N4板上的焊趾，B焊缝测点位于N2与N1板的连接焊缝上，丁字型接头焊缝位于翼缘和底板的接头焊缝处。

图7-68　1＃试件测试点分布

图7-69　2＃试件测试点分布

图7-70　3＃试件测试点分布

实验选用的超声波冲击设备型号为WD2050，其冲击频率为20 k Hz，冲击振幅为50μm。超声波冲击时压痕覆盖率大于90%，冲击弧坑深度在焊缝处和焊趾处均为（0.8±0.2）mm，在母材处为（0.5±0.2）mm。冲击行走的速度为200 mm/min。实验前对焊缝进行局部打磨，然后对焊缝、焊趾和热影响区进行冲击，并对冲击前后的焊接残余应力进行测试和分析。(www.xing528.com)

焊接残余应力测试采用SC21三维应力分布磁测仪，它是一种快速无损测量铁素体、奥氏体钢系内应力的仪器，其工作电压为（220±22）V，工作频率为1～10 Hz。灵敏系数K≥12 m A/MPa，测试中探头尺寸选用14 mm×14 mm，所测应力层深δ为1.35 mm。在整个实验过程中，对每一测点进行冲击前后应力的测试。实验前对试件的构件材质进行应力测试灵敏系数标定。

7.5.2.2　测试结果分析

1）A焊缝

表7-10给出了3个试件中A焊缝在超声波冲击前后的应力测试结果。表中拉应力为正，压应力为负；X向残余应力Rx为测点垂直焊缝长度方向的应力；Y向残余应力Ry为测点平行焊缝长度方向的应力。

表7-10　超声波冲击前后A焊缝的残余应力

由表7-10可以看出：超声波冲击前，焊缝存在着相当大的焊接残余应力，Y向残余应力大部分在300 MPa以上，远大于X向残余应力，且X向和Y向平均残余应力差达129.1 MPa；经过超声波冲击后，A焊缝各测点X向和Y向的残余应力均大幅降低，平均下降幅度分别达65.3%和69.0%，Y向残余应力均在175 MPa以下，有些测点的残余应力变为负值（压应力），即消除了残余拉应力，此类焊缝在实桥中的工作状态为受拉，残余拉应力的减小和消除使焊缝能更好地发挥其承载能力；相比之下，经超声波冲击后Y向的残余应力下降幅度大，且比较均匀，这说明超声波冲击能在一定程度上均匀化焊接残余应力，改善局部区域焊接应力集中的状况。

2）B焊缝

表7-11给出了试件中B焊缝在超声波冲击前后的应力测试结果。由表可以看出，超声波冲击前，焊缝存在着较大的焊接残余应力，且Y向残余应力大于X向残余应力，但Y向残余应力（均小于300 MPa）及X向和Y向平均残余应力差（99.2 MPa）均较A焊缝小；经过超声波冲击后，B焊缝各测点X向和Y向的残余应力也都明显下降，平均下降幅度分别达44.4%和57.8%，比A焊缝降低幅度小。

表7-11　超声波冲击前后B焊缝残余应力

3）丁字型接头焊缝

表7-12给出了试件中丁字型接头焊缝在超声波冲击前后的应力测试结果。由表可以看出，超声波冲击前，该类焊缝也存在着相当大的焊接残余应力，且Y向残余应力也大于X向残余应力，但两者平均残余应力差仅有73.4 MPa，是3类焊缝中最小的，它的X向残余应力（平均为225.9 MPa）是3类焊缝中最大的；经过超声波冲击后，丁字型接头焊缝各测点X向和Y向的残余应力下降幅度很大，平均下降幅度分别达89.7%和96.5%，是3类焊缝中降低幅度最大的一类。

表7-12　超声波冲击前后丁字型接头焊缝残余应力