基于振动时效工艺的正交异性钢桥面板残余应力调控

陈 利

(中铁十八局集团第二工程有限公司工程管理部,河北省唐山市丰润区光华道28号 064000)

正交异性钢桥面板具有自重轻、整体性好、承载力大、施工速度快等优点,已成为现代钢桥桥面结构的主要形式[1-2]。正交异性钢桥面板由面板、纵肋、横肋等部件组成,这些部件常通过焊接连接在一起。焊接是一个不均匀的加热与冷却过程,焊接冷却后,工件在焊缝区存在高达材料屈服强度的残余应力[3],该应力称之为“焊接残余应力”。焊接残余应力对正交异性钢桥面板的疲劳性能、耐应力腐蚀性能及尺寸稳定性等都有不利的影响。如正交异性钢桥面板的典型疲劳裂纹多发生于焊接残余应力较大、应力集中的焊缝位置[4-5]。因此,有必要对正交异性钢桥面焊接残余应力进行调整。

目前,用于桥梁钢结构焊接残余应力调整的措施有锤击、喷丸(砂)及超声冲击等。锤击是通过小锤轻击焊缝来调整残余应力。喷丸(砂)通过高速粒子冲击来降低焊缝处较高的表面残余拉应力。锤击与喷丸在桥梁工程中主要是为了除锈,较少用于残余应力调控,也缺少对调整效果的定量评价。超声冲击是通过高频超声产生的冲击来调整焊缝残余应力。该方法对材料表面的残余应力的调整效果较好,但冲击需要沿焊缝各部位逐点进行,容易受操作空间的限制,该方法仅用于桥梁特殊位置的焊缝处理。如粉房湾长江大桥纵梁锚拉板和弦杆翼缘板焊缝的处理[6],西堠门大桥的箱梁U肋及锚箱区域焊缝的处理[7]。

除上述方法外,理论上可用于桥梁钢结构焊接残余应力调整的工艺还有振动时效。该工艺通过振动产生附加应力,当附加应力与残余应力之和达到或超过材料屈服强度时,就会发生宏观或微观的塑性变形,从而减小和均匀化残余应力[8]。振动时效工艺具有费用低、耗时短、操作简单等优点,已广泛地用于压力容器、航空航天、铸件设备等残余应力的调整[9],但鲜有在桥梁中的应用实例。因此,为降低正交异性钢桥面板的焊接残余应力,同时为检验振动时效工艺的有效性,文中基于足尺模型,尝试采用振动时效工艺对焊接残余应力进行了调整,并用盲孔法残余应力测试对振动时效的效果进行了评定。

1 振动时效试验

1.1 试验模型

正交异性钢桥面板模型为足尺模型,如图1所示,模型宽2.05m,长4m,由1块面板、2块横隔板、3个U肋组成,面板、横隔板厚14mm,U肋厚8mm,材质均为Q345。

图1 正交异性钢桥面板模型尺寸Fig.1 Model dimension of orthotropic steel bridge deck

1.2 振动时效设备

该试验所采用的振动时效设备为济南博纳机电全自动振动时效仪。该设备的电机功率为1.2kw、调速范围1000～8000r·min-1、最大激振力15kN、可测加速度0～2000m·s-2。该设备主要由激振器、拾振器、控制器三部件组成,如图2所示。

图2 振动时效设备Fig.2 Apparatus of VSR

激振器是施加激振力的设备,应布置在使工件获得最佳激振效果的位置,但激振源与工件耦合振动下的最佳效果位置难以准确定位。实际操作中,常依据国标GB/T 25712-2010的规定[10],将激振器布置在“端角或边缘”等振幅较大的位置。结合模型特点,激振器安装在模型端部与U肋相接的面板上。拾振器是测试振动加速度的元件,应布置在远离激振点的位置,该试验拾振器安装在远离激振点的面板另一端。激振器与拾振器都连接在控制器上。控制器是对振动时效工艺参数进行控制的仪器。

1.3 振动时效工艺参数

振动时效工艺参数,包括激振频率、激振荷载幅值以及激振力等,对残余应力的调整效果具有显著的影响。

激振频率越接近工件固有频率,振动时效对残余应力的调控效果越好。为获得最佳调控效果,按照国标GB/T 25712-2010的推荐方法,从设备能激发的最小频率到最大频率全程范围内进行扫频,将能激发最大振幅的共振频率作为激振频率。经现场多次测试,该试验激振频率确定为59.2Hz。激振荷载幅值越大,残余应力降低的效果越好,但过大的激振荷载有可能引发工件的疲劳损伤。综合考虑,该试验激振荷载幅值取为0.3MPa。激振力的选取与工件材料有关,对于焊接钢材工件,激振力一般为68.65～98.07MPa[11]。在此范围内,该试验激振力取为0.25倍材料屈服强度,为86.25MPa。

按循环荷载的波形,激励荷载可分为正弦波、三角波及脉冲波等类型。由于工程中正弦波最容易施加,加之激励类型对应力调控的影响较小,故文中采用最容易施加的正弦波进行激振。该试验振动时效工艺参数见表1。

表1 振动时效工艺参数

为防止模型在振动过程中出现跳动,该试验在2块横隔板的角点位置放置了4个橡胶隔震块。这些隔震块不仅为模型提供了稳定的支撑,还确保了模型在振动时不会与地面发生碰撞。

1.4 振动时效效果评定

1.4.1 评定方法

根据GB/T 25712-2010[10],振动时效效果评定方法有3种:参数曲线观测法、工件尺寸稳定性检测法和残余应力检测法。参数曲线观测法是根据振幅时间曲线或振幅频率曲线来评定;工件尺寸稳定性检测法是通过比较振动时效前、后工件尺寸的稳定性来评定;残余应力检测法用工件残余应力在振动前、后的变化来评定。由于残余应力检测法可直接反映振动时效工艺对焊接残余应力的影响,所以该试验选用此方法来检验振动时效效果。

盲孔法[11]具有对工件的损伤小、操作简单、测试成本低等优点,该试验选用盲孔法来测试残余应力。盲孔法先在材料表面粘贴应变计,如图3所示,然后以O点为中心进行钻孔。若材料为各向同性,且钻孔前、后都处于线弹性范围,则根据G.Kirsch公式[12],测点位置的残余应力可表示为:

(1)

图3 盲孔法测试用应变计[11]Fig.3 The strain gauge for blind-hole method[11]

式中,σ1、σ2为主应力;β为主应力方向角;A、B为应变释放系数;ε1、ε2、ε3为测试应变。

由式(1)可以看出,除测试应变外,σ1、σ2主要由A、B确定。对于平面应力状态,若材料处于线弹性范围,A、B系数可参考文献[12],由公式求出;若材料发生了塑性变形,A、B系数可参考文献[13],通过不同应力水平下A、B系数的分级标定来确定。

(2)

(3)

应力消除率Rsr反映振动时效对残余应力大小的影响程度,其表达式为:

(4)

应力均化率Rsl用于表征振动时效对残余应力的均匀化程度,其表达式为:

(5)

式中:D为残余应力离散度,根据式(6)计算。

(6)

1.4.2 测试区域

测试区域应根据焊接残余应力的分布特征来设置。焊接残余应力在垂直焊缝方向的分布如图4所示,图中σz为沿焊缝方向的应力,称为焊接纵向残余应力,该方向的应力也是焊接残余应力的主要表现形式。

图4 σz沿垂直焊缝方向的典型分布Fig.4 Typical distribution of σz along with the weld vertical direction

从图4可以看出:在焊缝区,σz为梯度很大的拉应力,但拉应力宽度很小,不超过5cm;在远离焊缝的区域,σz为大小较均匀,约40MPa的压应力。因此,根据此特点,为检验振动时效对远离焊缝区域焊接残余应力的影响,设置测试区域Zone 1,如图5(a)所示。Zone 1位于面板上表面,振动时效前、后的测点个数均为10个。

(a)Zone 1

焊缝区σz的应力梯度较大,而GB/T 25712-2010规定[10]检测点在10倍盲孔直径范围内的应力梯度不应太大,所以不能像Zone 1那样沿垂直焊缝方向布置测点,来检验振动时效的效果。不过,由于长焊缝中段(除起弧、熄弧段)的焊接残余应力具有均匀化的特征,所以根据此特征,在焊接线上设置测试区域Zone 2,如图5(b)所示,以检验振动时效对焊缝区焊接残余应力的影响。此区域同样位于面板上,振动时效前、后的测点数量均为10个。

为直观地评定振动时效对焊缝上残余应力的影响,根据长焊缝中段焊接残余应力的均匀化特点,设置测试区域Zone 3,如图5(c)所示。该区域位于角焊缝表面,振动时效前、后的应力测点均为7个。

需要说明的是,图5中Zone 1～3所示测点包含了部分失效的测点,如出现钻孔偏心过大、应变测试异常等测点,但前述测点数量不包含失效测点。

1.4.3 残余应力测试设备

该试验残余应力测试采用BSF120-1.5CA-T应变片;钻孔选用RSD-1钻孔仪;应变测量选用ASM2-30应变仪。

2 试验结果与分析

振动时效处理前、处理后,测试区域Zone 1～3的残余应力变化如表2、表3所示。

表2 振动时效前后测试区域残余应力变化(MPa)Tab.2 Variation of residual stresses in measurement zones before and after vibrating(MPa)

表3 振动时效效果评定参数

综合分析Zone 1、Zone 2的应力变化可以发现,振后焊缝区的应力峰值均有显著的降低,而远离焊缝区的应力反而略有增加。由图4可知,焊缝区的σz应力为拉应力,远离焊缝区的σz应力为压应力。产生此现象的原因可能是振后焊缝区的拉应力宽度变大,尽管其峰值减小,但拉应力的合力增大,所以为了保持残余应力的自平衡,在应力重分布作用下,远离焊缝区的应力发生了增大。

综上所述,正交异性钢桥面板焊缝区的残余应力较大,焊缝区的应力达到或超过材料的屈服强度。振动时效后,焊缝区的应力均减小到屈服强度以下,且应力分布也更加均匀。由此可见,振动时效工艺能有效地减小焊缝区较大的残余拉应力,在桥梁钢结构中具有一定的应用潜力。

3 结语

1)正交异性钢桥面板焊缝区的残余应力较大,达到或超过材料的屈服强度。振动时效后,面板焊缝区及焊缝表面的残余应力均降低到屈服强度以下,也变得更加均匀,且应力水平越高,振动时效的效果越好。振动时效后,远离焊缝区的应力有少量的增加,但仍保持在较低的应力水平。

2)由于盲孔法只能测试材料表面的残余应力,所以该试验未研究振动时效对材料内部应力的减小效果。不过已有大量文献指出此工艺对材料内部应力的处理也有效[8],这个优势是桥梁工程中采用的超声冲击工艺所不能比拟的,因为超声冲击只能降低材料表面的残余应力。因此,鉴于振动时效可以大幅降低焊缝区较大的残余拉应力,结合该工艺本身的经济性、便捷性及对材料内部应力处理的有效性,建议可将其应用于桥梁钢结构的焊接残余应力调整中。