武汉二七长江大桥正桥工程钢梁制造 超声波冲击调整焊接 WSD82111L-2300003B 残余应力工艺规程 共 1 页 第 1 页 WSD82111L-2300003B 共 2 页 第 2 页 1 编制说明 本工艺规程根据招标文件、设计图纸及《设计技术交底》，并结合相关桥梁制作经验进行编制。 2 超声波冲击调整焊接残余应力的目的 超声波冲击调整焊接残余应力的目的：降低焊接残余应力峰值，改善焊接部分的受力性能，提高焊接接头的疲劳性能，延长桥梁的使用寿命。 3 超声波冲击时机 超声波冲击应在焊缝变形矫正、外观检验及无损检验合格后，且在焊缝外形修磨、检验合格后进行。 4 结构特点与超声波冲击调整焊接残余应力要求 4.1 钢槽梁部分 钢槽梁断面为开口单箱单室断面，为全焊结构，腹板与顶、底板焊缝为厚板熔透角焊缝，焊接约束度大，焊后有较大焊接残余应力，为改善此部位受力性能，需要采用超声波冲击方法调整焊接残余应力。如图1中数字序号为需要调整焊接残余应力的焊缝。 1423图1 WSD82111L-2300003B 共 3 页 第 3 页 4.2 结合梁部分 本桥斜拉索锚固采用锚拉板结构形式，此种结构细节构造简单。由锚拉板、锚管、锚垫板、锚拉板加劲等组成，锚拉板直接焊接于钢主梁的上翼板上。 锚拉板为直接承受、传递吊索索力的结构，其质量的好坏直接关系到大桥的成败，为此工厂将锚拉板的制造作为关键控制项目。由于锚管、锚拉板为主要受力部件，该处均为厚板焊接，焊后焊接残余应力较大且分布不均匀。残余应力所产生的残余变形及残余应力与工作应力叠加均会影响其结构刚度和疲劳强度。为此对锚拉板与锚管间焊缝、锚拉板与钢主梁上翼板间焊缝的焊接残余应力进行检测，并采用超声波冲击方法调整焊接残余应力，以提高锚拉板的承载质量。如图2中数字序号为需要调整焊接残余应力的焊缝。 5 超声波冲击调整焊接残余应力工艺流程 根据本桥的结构特点，为了降低、均化上述焊缝残余应力，拟采用超声波冲击法调整焊接残余应力工艺，并进行冲击前后残余应力测试，以监测其效果，其工艺流程如图3。 图2 锚管锚拉板钢主梁123 应力测试 超声波冲击 应力测试 效果评定 图3 6 超声波冲击原理、特点及设备 6.1 超声波冲击原理：是利用变幅杆的高频率振荡来推动冲击头以20kHZ WSD82111L-2300003B 共 4 页 第 4 页 以上的频率撞击焊缝及其热影响区。由于冲击时高频、聚焦下的大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形，改变焊缝表面下一定深度的应力场，从而调整焊接残余应力。 6.2 超声波冲击特点：体现在冲击后对焊接残余应力的影响，大幅度降低焊接残余应力峰值，细化焊缝表面晶粒。 对于20kHZ频率、振幅40μm的冲击工艺，其冲击头撞击焊缝的速度约3.4m/s，作用时间约10-5秒。高冲击能量主要对工件表面产生二方面作用，其一，冲击部位及其附近产生一定层深的微量塑性变形，以大幅降低焊接残余应力；其二，冲击部位表面温度急剧上升和急剧冷却，交变热循环和交变外应力撞击作用，使受冲击部位外表塑性变形层的晶粒细化。 6.3 超声波冲击设备：根据本桥制造总体安排，对上述焊缝调整焊接残余应力处理时,采用型号为WD2040超声波冲击设备（如图4所示），其主要参数如下： 参数 额定频率 输出振幅 最大处理速度 性能 WD2040 图4 冲击头 针式 超声波冲击时效层深 12mm 20kHZ 40μm 150mm/min 额定频率：为冲击头冲击焊缝及热影响区的频率。WD2040型设备冲击频率为20kHZ。 输出振幅：冲击头振动幅度，WD2040型冲击振幅为40μm。 最大处理速度：冲击头处理焊缝的行走时速。 冲击头：￠6针式 WSD82111L-2300003B 共 5 页 第 5 页 超声波冲击时效层深：指超声波冲击波在焊缝厚度方向影响的有效深度，WD2040型设备的时效层深为12mm。 7 超声波冲击部位及工艺 7.1 超声波冲击部位：钢槽梁需冲击的角焊缝为腹板与顶底板间角焊缝共计4条；锚拉板需冲击的角焊缝为锚拉板与锚管、钢主梁上翼板间角焊缝共计3条。见图1，图2。 冲击部位包括焊缝、焊趾及与焊趾紧连10mm宽带的母材热影响区，如图5示意。 焊缝母材冲击头方向虚线以内为超声波冲击区域母材图5 焊缝残余应力峰值一般在焊缝或焊趾处，角焊缝根部横向应力及表层应力远大于心部应力。母材的热影响区（拉应力区）一般与焊缝宽度相当，角焊缝高应力（残余拉应力）区在离焊趾10mm的宽度内。 7.2 超声波冲击工艺：超声波冲击工艺由以下几个参数确定。 冲击头选择：采用针式￠6冲击头。 冲击频率：选用20kHZ。在冲击头重量、冲击幅度一定时，频率决定冲击能量。 输出振幅：冲击头冲击振幅选定40μm。振幅也影响其冲击能量及塑性变形层深和时效层深。 WSD82111L-2300003B 共 6 页 第 6 页 冲击方向：冲击过程中，冲击头与焊缝表面垂直并做一定角度的摆动，且应沿焊缝来回移动。如图5。 处理速度：对板厚（δ=28～50mm）的角焊缝，冲击头移动速度一般在150mm/min左右。 7.3 超声波冲击部位在冲击前，应涂刷石灰水，石灰水干后形成白色待冲击带，超声波冲击时，应将此白色待冲击带的白色全部冲击掉。 8 应力测试原理、方法及测点布置 8.1 应力测试原理：检测所使用的仪器为三维应力分布磁测仪，即磁应力应变仪。其原理是利用铁磁材料磁致伸缩的逆效应测定内应力，由于磁弹相互作用产生磁各向异性，磁导率作为张量和应力张量重合，通过测定磁导率的变化来确定一点的应力状况。传感器（探头）和一定的电路将磁导率变化转变为电流量（或电压）的变化，建立应力和电流值（或电压）的函数关系从而确定内应力。应力和电流（或电压）之间不存在单值的对应关系，但平面应力状态下，主应力方向输出的电流差和主应力差有单值的线性关系，其表达式如下： （I2-I1）=K（σ1-σ2） ………………………………① 式中，σ1—最大主应力Mpa； σ2—最小主应力Mpa； I1—最大主应力方向电流输出值mA； I2—最小主应力方向电流输出值mA； K—灵敏系数mA/Mpa； 主应力方向未知时，可用下式确定主应力方向角和主应力差； WSD82111L-2300003B 共 7 页 第 7 页 θ=1/2tg-1[（2I45-I0-I90）/（I0-I90）] …………② （σ1-σ2）= （I90-I0）/Kcos2θ …………………③ 式中：θ—最大主应力方向和X轴夹角：（X向为垂直焊缝的直线方向）； I0、I45、I90—分别为探头磁场方向与X方向成0°、45°、90°三方向所测量的电流值（mA）。 已知各测点的主应力差和主力向角，用切应力差法分离主应力，从而确定每一测点的σx、σy、θ。 8.2 应力测试方法：应力测点均在焊趾处，探头所选用尺寸为14×14mm2,所测应力为层深（δ）1.96mm处的平均应力。超声波冲击前后均对同一测点进行应力测试。应力测试灵敏系数选用K≥0.012mA/Mpa。 8.3 测点布置：应力测量点布置在焊缝的焊趾处。 8.3.1 钢槽梁部分，每一制造轮次中选取一个梁段，分别对腹板与底板及顶板各一条角焊缝进行冲击前后的应力测量；测点间距不得大于3000㎜。梁段长度L≤6000㎜时，测3点；梁段长度6000＜L≤9000㎜时，测4点；梁段长度9000＜L≤12000㎜时，测5点。以上测量点不含母材测量点，所选梁段母材测量1点，选在所选焊缝底板上的适当位置，且距腹板与底板角焊缝焊趾60～80mm。 第一轮选取C3梁段，第二轮选取J1梁段，第三轮选取P2梁段，第四轮选取P1梁段，第五轮选取J2梁段，第六轮选取C2梁段，进行超声波冲击前后的应力测量。两端测点离焊缝端头500mm，中间按测点数量均布。 8.3.2 钢主梁部分，每个锚拉板结构均应进行冲击前后的应力测量；每个 WSD82111L-2300003B 共 8 页 第 8 页 锚拉板构件整体测量6点（含母材一个测量点）。 8.3.4 检测设备：采用SC21三维应力分布测试仪（如右图6所示）。对各测点超声波冲击前后的应力值进行测量。 9 超声波冲击去应力效果评定 超声波冲击效果取决于其工艺及设备性能 参数选择。其效果评定依据冲击后残余应力大小、降低幅值等因素确定，其评定标准如下。 图6 9.1 钢槽梁和锚拉板整体内应力消降率（降低幅值）≥70%。整体内应力即指几个测点的平均应力，降低幅值为（冲击前内应力—冲击后内应力）／冲击前内应力。 9.2 测点应力σ（≤（1/3）σs。σs为测点所在的板厚材质为Q370qDXσY）的屈服极限。 9.3 主应力方向角（θ）分散度，冲击后方向有所分散。
