钢结构的焊接缺陷对构件动力特征的影响

魏科丰

(长江大学工程技术学院，荆州 434023)

钢结构的焊接缺陷对构件动力特征的影响

魏科丰

(长江大学工程技术学院，荆州 434023)

钢结构焊接损伤即在焊接过程中由于大量的瞬时热量输入，焊后会产生部分焊接缺陷，这些焊接缺陷包括：残余应力、气孔、夹杂、咬边、裂纹等。焊接缺陷将给钢结构的整体受力性能、疲劳强度和稳定性带来不利影响，特别是在地震荷载、冲击荷载等动力荷载作用下影响较明显，使得钢结构的安全性有一定的降低。本文总结了钢结构在焊接过程中可能存在的焊接缺陷问题，专门针对焊接不饱和问题提出通过构件在不同焊接率情况下的动力特性试验来研究不饱和焊接对钢结构构件动力特性的影响，为了分析不同支座对试验结果的影响，对焊接率分别为17.3%、33.3%、40%、65.3%、70%、100%共五种不同焊接长度的钢梁进行模态分析，采集了部分模态数据，并与完全焊接的工字钢梁进行对比分析，得出了不同的焊接率对钢结构构件动力特性的影响结论，为钢结构的设计施工提供了理论和实验依据。

焊接残余应力; 动力特性; 模态分析

钢结构构件在焊接过程中会由于各种原因存在缺陷，焊接缺陷将直接导致焊接接头承载力下降，从而影响到整个钢结构构件的安全使用。焊接缺陷在整个焊缝中都可能存在，一般分为外部缺陷和内部缺陷，常见的焊接缺陷有未焊透、未熔合、气孔、夹渣、焊接裂纹、焊瘤、弧坑等，还有可能出现焊缝外形尺寸和形状不符合设计要求。焊接缺陷对钢结构的整体稳定性、承载力及抗震性、延性等都有很大影响，本文重点考虑了焊缝尺寸缺陷引起的动力特性影响，然后利用模态分析技术对整个试验过程进行了分析，得出了一些有价值的结论，为钢结构优化设计提供了依据。

1 焊接缺陷的分类

1.1 气孔

钢结构在焊接过程中由于坡口边缘不清洁，有油污、锈迹和水分，这些都能导致熔池中的气泡在凝固时不能完全逸出而形成孔穴，这些孔穴称为气孔。此外焊芯锈蚀、未按照规定焙烘焊条、电弧过长，焊接速度过快都可能在焊接过程中形成气孔，气孔使得钢结构构件之间的焊缝有效连接截面变小，降低承载力，气孔过大甚至降低焊缝的强度，破坏焊缝金属的致密性。

1.2 夹渣和咬边

形成夹渣的主要原因是在焊缝金属中残留有非金属杂质，坡口角度或焊接电流太小或焊接速度过快，夹渣会直接降低焊缝的密实性和强度。在实际工程中，使用酸性焊条焊接时由于电流太小以及使用焊条不当容易形成“糊渣”，使用碱性焊条时由于电弧过长或者操作时极性不正确同样会造成夹渣。所谓咬边就是焊接过程中在焊缝边缘留下的凹陷，主要原因是焊接时电流过大，操作焊条的速到过快，电弧拉得太长或在焊接时焊条角度不当等。咬边最大的危害是减小了钢结构接头的工作截面，在承受外荷载时，容易在咬边处形成应力集中，导致结构的破坏，在承受动荷载和重要的结构中一般不允许咬边的存在，或对存在的咬边深度有所限制。

1.3 焊接过程中未焊透、未熔合的问题

所谓未焊透就是在焊接过程中接头部位没有完全熔透的现象，未熔合指焊缝金属间局部未熔透的现象。这两种情况都是比较严重的焊接缺陷，因为会导致焊缝出现不连续或突变，使得焊缝的强度大大降低，严重时甚至引起裂纹。产生的主要原因是焊条直径太大、电流过小、速度太快或者坡口角度太小，同时在焊接过程中焊件坡口表面存在氧化膜、油污、操作焊条时运条手法不当都会造成未焊透、未熔合的问题。

1.4 焊接裂纹

焊接裂纹一般分为热裂纹和冷裂纹，所谓热裂纹就是焊缝金属在由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹，这种裂纹焊接后立即出现，在焊缝中心比较多见，分布主要沿着焊缝长度方向，其裂口大部分贯穿构件表面，裂纹末端近似圆形，主要原因是焊接熔池中部分杂质熔点低，因此结晶凝固比较晚，导致其塑性和强度都较低，硫、铜等杂质在焊条中达到一定含量也会产生热裂纹。冷裂纹和热裂纹不同，它主要出现在冷却过程或冷却以后，出现时间比热裂纹出现要晚，也有可能焊后马上出现，还有可能几天甚至更长时间才出现。产生冷裂纹的主要原因是焊接接头承受有较大的拘束应力，焊缝中存有过量的扩散氢，且具有聚集的条件等。焊接裂纹会对结构的安全产生重要影响，因为钢结构在破坏是多从裂纹处开始，所以在焊接过程中要尽可能地防止出现热裂纹和冷裂纹，在焊接完成后要及时检查有无裂纹，对于可能存在的裂纹要及时修补，避免破坏结构的整体性。

1.5 其它焊接缺陷

其它焊接缺陷主要是焊瘤、弧坑，还有可能出现焊缝外形尺寸和形状不符合设计要求，如果在焊接过程中操作焊条不当，造成熔池温度过高，这会导致部分液态金属凝固而缓慢下坠，在焊缝表面形成焊瘤，熄弧时间过短，或焊接突然中断，或焊接薄板时电流过大等都会产生弧坑，在弧坑周围常有裂纹和气孔，这会使得钢结构焊接强度大大降低。

2 不同焊缝率钢梁试验的模态分析

2.1 模态分析理论

根据模态分析过程中所采用的手段和方法不同，模态分析分为计算模态分析和试验模态分析，模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标和解耦方程组，使之成为一组用模态坐标及模态参数来描述的方程，然后求出系统的模态参数。计算模态分析是从结构的几何特性和材料特性两个方面出发，采用有限元法形成系统的离散数学模型，从而形成质量矩阵和刚度矩阵，最后求解特征值来确定系统的模态参数。试验模态分析刚好相反，其核心是模态参数识别，主要基于系统响应和激振力的动态测试，由系统输入(激振力)和输出(响应)数据，经信号处理和参数识别确定系统的模态参数。

2.2 模态分析参数识别方法

模态分析从本质上说是一种参数识别方法，模态试验就是通过采集数据然后对其处理和分析，从而寻求“模态参数”的过程。通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数，振动测试就是通过传感器、放大仪器来测量工程结构在外界激励或运行工况中其重要部位的位移、速度、加速度等运动量，从而了解结构的工作状态，本试验采用的模态参数识别方法为频域识别法。

2.3 模态测试系统及试验仪器

振动测试系统由激振部分、分析软件、显示仪器、记录部分共同组成，数据采集的目的是为了将一个连续的、变化的模拟量信号在时间域上离散化，将时间离散但幅值连续的信号转变为幅值域离散的数字信号。从采样信号的频谱中取出原始信号频谱这样做是为了使采样过程不丢失信息。本试验采用DASP-V10多通道信号采集处理分析软件和与此软件配套的INV3018C型动态信号采集处理分析仪器，试验用仪器具体参数如表1所示。

表1 仪器参数

3 试验方案

3.1 试验目的及所用材料几何尺寸

本试验主要是对不同焊接率的焊接钢梁进行模态试验，采用上面介绍的试验模态分析方法对结构进行系统识别，从而确定其模态参数，为研究结构振动特性与焊缝长度及焊接率的关系打下基础。本文选取了不同焊接率的同规格截面钢梁来进行模态分析，考虑焊接变形焊接钢梁采用两块10号槽钢，双面焊接。该槽钢腹板高度H=100mm，其截面如图1、图2所示，槽钢材料为A3钢，弹性模量为E=2.1×1010N/m2，泊松比ν=0.3，密度ρp=7.8×103kg/m3，钢梁单位长度密度ρL=14.3kg/m。

图1 焊接钢梁截面尺寸图

图2 不同焊缝长度焊接钢梁试件

3.2 简支梁模型

本试验钢梁长度为3 000mm，支座间中心距离2 600mm，沿长度方向每200mm划分一个单元，共分为14个结点和13个单元，其模型如图3所示。

3.3 焊接钢梁焊缝布置模型图

焊缝焊接图如图4所示，实际焊接率如表2所示。

3.4 试件的支承及试验布置简图

试验构件可以采用两端铰支、固定支座等，本试验采用两端铰支，主要原因是可以减少支座对试验试件固有频率的影响，能达到试验的预期目的，如果采用固定支座必然要求进行焊接，但前面介绍过焊接会产生残余应力，残余应力会对本试验产生干扰，影响试验结果。

本试验构件总长3 000mm，简支间构件长度为2 600mm。在试验开始之前将板划分为13个单元，每个单元长度为200mm。本试验采用的是多点激励单点响应的方法，试验构件选取14个激励点，1个响应点。将响应点布置在构件的第7点即构件中心，这也是为了方便信息采集和数据处理，其实验布置简图如图5所示。

4 试验结果分析

通过采集数据并进行分析，然后进行数据曲线拟合，各组曲线走势明确，数据拟合较好，由此得出的试验数据较为稳定，离散型不大。然后对同组数据进行同阶数据取平均值，得到不同焊接率钢梁频率分布图如图6所示。

不同焊接率的影响下试件频率变化表如表3所示：

由图6及表3试验数据结果分析可以得出如下结论：焊接在钢梁中产生的残余应力最大值在焊缝两端，其次在焊缝中部。通过分析发现：温度场分布极不均匀，产生了应力集中现象，故此处的残余应力呈最大化。因此可以看出，焊接应力集中必会导致受力构件的内力变化，受力特性改变。随着焊接率的增大，焊接钢梁频率有所提高。焊接率对焊接钢梁的前二阶频率影响不大，随着分析模态阶数增加而变化越明显。试验结果的单组数据虽然不能明确说明焊接缺陷对钢梁模态的影响规律，但是通过多组数据的对比分析可以清楚的看到焊接率增长前后的模态变化。

表2 焊接钢梁焊接率

图3 试验模型

焊接率对试件动力特性的影响，通过试验数据分析结果表明：

(1)对试件固有频率的影响，焊接钢梁随着焊接率的增加，其固有模态频率随之增大；

(2)对试件振型的影响，焊接钢梁的振型前三阶与理论计算较为吻合，其后阶数振型轨迹图显示焊接对振型的影响较大；

(3)对试件阻尼比的影响，由于自制简支支座的影响，焊接钢梁的阻尼比在本实验中横向与纵向对比都较为混乱，如采用悬挂支座可能有利于阻尼比数据的采集。

图4 焊接焊缝图

模态阶次测试内容理论计算焊接率%17.30%33.30%40%65.30%70%100%1频率(Hz)45.846.046.246.446.646.8相对变化率(%)2.151.711.390.850.4302频率(Hz)160.2165.4166.0166.7165.4167.8相对变化率(%)4.491.441.070.661.4103频率(Hz)244.1271.2264.3293.6294.8300.1相对变化率(%)18.689.6311.932.161.7704频率(Hz)287.8381.9386.3390.4388.0391.0相对变化率(%)26.382.311.190.130.7505频率(Hz)320.5532.3572.6619.9622.3635.3相对变化率(%)49.5516.219.872.432.0506频率(Hz)413.0604.0755.7817.3818.6827.4相对变化率(%)50.0926.998.661.211.0607频率(Hz)479.9768.8838.1839.5890.8853.0相对变化率(%)43.749.861.751.584.4408频率(Hz)621.5826.2899.3875.6935.1948.4相对变化率(%)34.4612.885.187.671.4109频率(Hz)764.3927.2953.5940.31005.81074.4相对变化率(%)28.8613.7011.2612.486.38010频率(Hz)935.01002.61010.41024.51209.61207.6相对变化率(%)22.5716.9716.3315.160.170

图5 焊接钢梁试验布置简图

图6 不同焊接率构件频率

5 结论与展望

本试验主要是分析焊接率对钢结构试件动力特征的影响，将理论分析和实验数据结合起来进行了研究，随着焊接率的增加，焊接钢梁的固有模态频率随之增大，焊接构件后面阶数振型受焊接因素影响较大，本文对焊接钢梁焊缝周围残余应力分布作了准确的分析，探讨了钢梁的模态频率、质量、振型和刚度的关系，说明了试验支座对焊接钢梁频率、振型产生的不同影响。由于实验室各方面条件的限制，本试验存在一些问题和不足之处，主要表现在如何利用有限元模型来与试验结果进行对比分析，发现不足，其次在进行有限元分析时如何将复杂的焊接形式进行模拟，因此准确的有限元模型和试验模型进行对比研究是十分必要的。为了使研究结果更具有说服力，需要对多种支座系统进行模态试验，而试验计算时做了理想假设，这些假设可能不符合实际情况，这是存在的一个问题。因此，如何构造更多、更合理的支座系统，减少试验误差也是今后研究的重点和难点。

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Effect of Welding Defects in the Steel Structure on the Dynamic Character

Wei Kefeng

(CollegeofTechnology&Engineering,YangtzeUniversity,Jingzhou434020,China)

Steel structure welding damage is a result of a large number of instantaneous heat input in the process of welding. Welding produces some welding defects including residual stress cracks, porosity, inclusions and bite edge. Weld defects bring adverse effect to the steel structure including overall mechanical properties, fatigue strength and stability, especially the seismic load and impact load under dynamic load effect,which reduces the security of the steel structure. The paper summarizes the possible welding steel structure in the process of welding defects, specifically for the welding problem of unsaturated by components in the different welding rate of dynamic characteristic test to study the dynamic characteristics of the unsaturated welding of steel structures. To analyze the impact of different support on the test results, it analyzes five different welding length of steel beams on the modal analysis with welding rates of 17.3%, 33.3%, 40%, 33.3%, 70%, 100%, collects modal data and compares different welding rates of steel structures .The influence of different welding rates on the dynamic charateristics of steel structures is analysed as the conclusion, which provides theoretical and experimental basis for the design and construction of steel structures.

Welding Residual Stress; Dynamic Characteristics; Modal Analysis

魏科丰(1981-),男,汉族，硕士,讲师。主要从事土木工程专业的教学与科研工作。

TU311.3;TU391:TU758.11

A

1674-7461(2015)02-0113-05