超聲波沖擊消除焊接殘余應(yīng)力工藝規(guī)程(修改)

1、武漢二七長(zhǎng)江大橋正橋工程鋼梁制造超聲波沖擊調(diào)整焊接殘余應(yīng)力工藝規(guī)程WSD82111L-2300003B1 編制說(shuō)明本工藝規(guī)程根據(jù)招標(biāo)文件、設(shè)計(jì)圖紙及設(shè)計(jì)技術(shù)交底，并結(jié)合相關(guān)橋梁制作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行編制。2 超聲波沖擊調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的目的超聲波沖擊調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的目的：降低焊接殘余應(yīng)力峰值，改善焊接部分的受力性能，提高焊接接頭的疲勞性能，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。3 超聲波沖擊時(shí)機(jī)超聲波沖擊應(yīng)在焊縫變形矯正、外觀檢驗(yàn)及無(wú)損檢驗(yàn)合格后，且在焊縫外形修磨、檢驗(yàn)合格后進(jìn)行。4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與超聲波沖擊調(diào)整焊接殘余應(yīng)力要求4.1 鋼槽梁部分鋼槽梁斷面為開(kāi)口單箱單室斷面，為全焊結(jié)構(gòu)，腹板與頂、底板焊縫為厚板熔透角焊縫，

2、焊接約束度大，焊后有較大焊接殘余應(yīng)力，為改善此部位受力性能，需要采用超聲波沖擊方法調(diào)整焊接殘余應(yīng)力。如圖1中數(shù)字序號(hào)為需要調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的焊縫。圖14.2 結(jié)合梁部分本橋斜拉索錨固采用錨拉板結(jié)構(gòu)形式，此種結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造簡(jiǎn)單。由錨拉板、錨管、錨墊板、錨拉板加勁等組成，錨拉板直接焊接于鋼主梁的上翼板上。圖2錨拉板為直接承受、傳遞吊索索力的結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到大橋的成敗，為此工廠將錨拉板的制造作為關(guān)鍵控制項(xiàng)目。由于錨管、錨拉板為主要受力部件，該處均為厚板焊接，焊后焊接殘余應(yīng)力較大且分布不均勻。殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的殘余變形及殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加均會(huì)影響其結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。為此對(duì)錨拉板與錨管間焊

3、縫、錨拉板與鋼主梁上翼板間焊縫的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，并采用超聲波沖擊方法調(diào)整焊接殘余應(yīng)力，以提高錨拉板的承載質(zhì)量。如圖2中數(shù)字序號(hào)為需要調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的焊縫。5 超聲波沖擊調(diào)整焊接殘余應(yīng)力工藝流程根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了降低、均化上述焊縫殘余應(yīng)力，擬采用超聲波沖擊法調(diào)整焊接殘余應(yīng)力工藝，并進(jìn)行沖擊前后殘余應(yīng)力測(cè)試，以監(jiān)測(cè)其效果，其工藝流程如圖3。圖3應(yīng)力測(cè)試超聲波沖擊應(yīng)力測(cè)試效果評(píng)定6 超聲波沖擊原理、特點(diǎn)及設(shè)備6.1 超聲波沖擊原理：是利用變幅桿的高頻率振蕩來(lái)推動(dòng)沖擊頭以20kHZ以上的頻率撞擊焊縫及其熱影響區(qū)。由于沖擊時(shí)高頻、聚焦下的大能量，使金屬表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，改變焊縫表

4、面下一定深度的應(yīng)力場(chǎng)，從而調(diào)整焊接殘余應(yīng)力。6.2 超聲波沖擊特點(diǎn)：體現(xiàn)在沖擊后對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，大幅度降低焊接殘余應(yīng)力峰值，細(xì)化焊縫表面晶粒。圖4對(duì)于20kHZ頻率、振幅40m的沖擊工藝，其沖擊頭撞擊焊縫的速度約3.4m/s，作用時(shí)間約10-5秒。高沖擊能量主要對(duì)工件表面產(chǎn)生二方面作用，其一，沖擊部位及其附近產(chǎn)生一定層深的微量塑性變形，以大幅降低焊接殘余應(yīng)力；其二，沖擊部位表面溫度急劇上升和急劇冷卻，交變熱循環(huán)和交變外應(yīng)力撞擊作用，使受沖擊部位外表塑性變形層的晶粒細(xì)化。6.3 超聲波沖擊設(shè)備：根據(jù)本橋制造總體安排，對(duì)上述焊縫調(diào)整焊接殘余應(yīng)力處理時(shí),采用型號(hào)為WD2040超聲波沖擊設(shè)備（如

5、圖4所示），其主要參數(shù)如下： 參數(shù)性能額定頻率輸出振幅最大處理速度沖擊頭超聲波沖擊時(shí)效層深WD204020kHZ40m150mm/min針式12mm額定頻率：為沖擊頭沖擊焊縫及熱影響區(qū)的頻率。WD2040型設(shè)備沖擊頻率為20kHZ。輸出振幅：沖擊頭振動(dòng)幅度，WD2040型沖擊振幅為40m。最大處理速度：沖擊頭處理焊縫的行走時(shí)速。沖擊頭：6針式超聲波沖擊時(shí)效層深：指超聲波沖擊波在焊縫厚度方向影響的有效深度，WD2040型設(shè)備的時(shí)效層深為12mm。7 超聲波沖擊部位及工藝7.1 超聲波沖擊部位：鋼槽梁需沖擊的角焊縫為腹板與頂?shù)装彘g角焊縫共計(jì)4條；錨拉板需沖擊的角焊縫為錨拉板與錨管、鋼主梁上翼板間角

6、焊縫共計(jì)3條。見(jiàn)圖1，圖2。圖5沖擊部位包括焊縫、焊趾及與焊趾緊連10mm寬帶的母材熱影響區(qū)，如圖5示意。焊縫殘余應(yīng)力峰值一般在焊縫或焊趾處，角焊縫根部橫向應(yīng)力及表層應(yīng)力遠(yuǎn)大于心部應(yīng)力。母材的熱影響區(qū)（拉應(yīng)力區(qū)）一般與焊縫寬度相當(dāng)，角焊縫高應(yīng)力（殘余拉應(yīng)力）區(qū)在離焊趾10mm的寬度內(nèi)。7.2 超聲波沖擊工藝：超聲波沖擊工藝由以下幾個(gè)參數(shù)確定。沖擊頭選擇：采用針式6沖擊頭。沖擊頻率：選用20kHZ。在沖擊頭重量、沖擊幅度一定時(shí)，頻率決定沖擊能量。輸出振幅：沖擊頭沖擊振幅選定40m。振幅也影響其沖擊能量及塑性變形層深和時(shí)效層深。沖擊方向：沖擊過(guò)程中，沖擊頭與焊縫表面垂直并做一定角度的擺動(dòng)，且應(yīng)沿焊

7、縫來(lái)回移動(dòng)。如圖5。處理速度：對(duì)板厚（=2850mm）的角焊縫，沖擊頭移動(dòng)速度一般在150mm/min左右。7.3 超聲波沖擊部位在沖擊前，應(yīng)涂刷石灰水，石灰水干后形成白色待沖擊帶，超聲波沖擊時(shí)，應(yīng)將此白色待沖擊帶的白色全部沖擊掉。8 應(yīng)力測(cè)試原理、方法及測(cè)點(diǎn)布置8.1 應(yīng)力測(cè)試原理：檢測(cè)所使用的儀器為三維應(yīng)力分布磁測(cè)儀，即磁應(yīng)力應(yīng)變儀。其原理是利用鐵磁材料磁致伸縮的逆效應(yīng)測(cè)定內(nèi)應(yīng)力，由于磁彈相互作用產(chǎn)生磁各向異性，磁導(dǎo)率作為張量和應(yīng)力張量重合，通過(guò)測(cè)定磁導(dǎo)率的變化來(lái)確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀況。傳感器（探頭）和一定的電路將磁導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髁浚ɑ螂妷海┑淖兓?，建立?yīng)力和電流值（或電壓）的函數(shù)關(guān)系從而

8、確定內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)力和電流（或電壓）之間不存在單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但平面應(yīng)力狀態(tài)下，主應(yīng)力方向輸出的電流差和主應(yīng)力差有單值的線性關(guān)系，其表達(dá)式如下：（I2-I1）=K（1-2） 式中，1最大主應(yīng)力Mpa； 2最小主應(yīng)力Mpa； I1最大主應(yīng)力方向電流輸出值mA； I2最小主應(yīng)力方向電流輸出值mA； K靈敏系數(shù)mA/Mpa；主應(yīng)力方向未知時(shí)，可用下式確定主應(yīng)力方向角和主應(yīng)力差；=1/2tg-1（2I45-I0-I90）/（I0-I90） （1-2）= （I90-I0）/Kcos2 式中：最大主應(yīng)力方向和X軸夾角：（X向?yàn)榇怪焙缚p的直線方向）；I0、I45、I90分別為探頭磁場(chǎng)方向與X方向成0°

9、、45°、90°三方向所測(cè)量的電流值（mA）。已知各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力差和主力向角，用切應(yīng)力差法分離主應(yīng)力，從而確定每一測(cè)點(diǎn)的x、y、。8.2 應(yīng)力測(cè)試方法：應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均在焊趾處，探頭所選用尺寸為14×14mm2,所測(cè)應(yīng)力為層深（）1.96mm處的平均應(yīng)力。超聲波沖擊前后均對(duì)同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。應(yīng)力測(cè)試靈敏系數(shù)選用K0.012mA/Mpa。8.3 測(cè)點(diǎn)布置：應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)布置在焊縫的焊趾處。8.3.1 鋼槽梁部分，每一制造輪次中選取一個(gè)梁段，分別對(duì)腹板與底板及頂板各一條角焊縫進(jìn)行沖擊前后的應(yīng)力測(cè)量；測(cè)點(diǎn)間距不得大于3000。梁段長(zhǎng)度L6000時(shí)，測(cè)3點(diǎn)；梁段長(zhǎng)度6000L9

10、000時(shí)，測(cè)4點(diǎn)；梁段長(zhǎng)度9000L12000時(shí)，測(cè)5點(diǎn)。以上測(cè)量點(diǎn)不含母材測(cè)量點(diǎn)，所選梁段母材測(cè)量1點(diǎn)，選在所選焊縫底板上的適當(dāng)位置，且距腹板與底板角焊縫焊趾6080mm。第一輪選取C3梁段，第二輪選取J1梁段，第三輪選取P2梁段，第四輪選取P1梁段，第五輪選取J2梁段，第六輪選取C2梁段，進(jìn)行超聲波沖擊前后的應(yīng)力測(cè)量。兩端測(cè)點(diǎn)離焊縫端頭500mm，中間按測(cè)點(diǎn)數(shù)量均布。8.3.2 鋼主梁部分，每個(gè)錨拉板結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行沖擊前后的應(yīng)力測(cè)量；每個(gè)錨拉板構(gòu)件整體測(cè)量6點(diǎn)（含母材一個(gè)測(cè)量點(diǎn)）。圖68.3.4 檢測(cè)設(shè)備：采用SC21三維應(yīng)力分布測(cè)試儀（如右圖6所示）。對(duì)各測(cè)點(diǎn)超聲波沖擊前后的應(yīng)力值進(jìn)行測(cè)量。9 超聲波沖擊去應(yīng)力效果評(píng)定超聲波沖擊效果取決于其工藝及設(shè)備性能參數(shù)選擇。其效果評(píng)定依據(jù)沖擊后殘余應(yīng)力大小