CN111334658A - 一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，具体如下：收集钢桥面焊接过程中的焊接参数和焊接参数值且对正交异性钢桥面的实际焊接过程建立有限元模型并仿真得到焊接完成后钢桥面的焊接残余应力场，进一步对退火处理过程进行有限元模拟得到理论残余应力场；测量钢桥面典型焊缝及其附近区域表层残余应力场得到实际残余应力场；根据实际与理论残余应力场，修正所建立的有限元模型，使得理论残余应力场能够反映实际残余应力场并得到正交异性钢桥面焊接残余应力最小的退火优化参数且输入退火执行终端且摆放上需要退火处理的钢桥面后退火处理；该处理方法能够一次性降低正交异性钢桥面的焊接残余应力，从而增加疲劳强度，延长使用寿命。

Description

一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法
技术领域
本发明涉及桥梁制造技术领域，具体涉及一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法。
背景技术
正交异性钢桥面由顶板、纵肋以及横肋通过焊接形成纵横向刚度具有明显差异的现代化钢桥面结构。焊接是正交异性钢桥面制造不可或缺的加工工艺，但是金属材料在焊接过程中受到不均匀加热与冷却，最终在其内部形成了大小不等，分布不均的焊接残余应力，其中在焊缝及其附近区域形成了残余拉应力，周围金属形成了残余压应力。
正交异性钢桥面是大跨径钢结构桥梁主要的桥面形式，但由于其纵肋与横隔板数量较多且焊接细节复杂、焊缝数量庞大，在焊接过程中不可避免会引入大量的焊接残余应力，导致桥梁实际运营过程中桥面板焊接接头的疲劳开裂现象较为严重。
近年来，我国研究厚边U肋桥面、U肋双面焊桥面以及增设超高性能混凝土结构层桥面取得一定成效，但均存在极限：没能降低正交异性钢桥面的损伤缺陷源头即焊接残余应力。现有的理论和试验研究表明：焊接残余应力是正交异性钢桥面连接焊缝疲劳开裂的重要因素。因此如何降低正交异性钢桥面焊接残余应力已成为制约钢桥面正常服役亟待解决的难题之一。
目前有多种降低正交异性钢桥面的焊接残余应力的处理方法，例如锤击法、喷丸法以及超声冲击法，对于制造工艺简单、外观规则、尺寸不大的焊接结构而言，采用上述方法只能降低各板件表面焊接残余应力，但对于焊接细节复杂、焊缝数量庞大的正交异性钢桥面来说，无法采用上述方法快速降低正交异性钢桥面各板件内部的焊接残余应力。
发明内容
为了降低正交异性钢桥面的焊接残余应力，提高其疲劳强度，从而延长正交异性钢桥面的使用寿命，本发明提供了一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法。
本发明所采用的技术方案为：一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，包括以下步骤：
S1：收集正交异性钢桥面焊接过程中的焊接参数和焊接参数值；
S2：基于步骤S1中收集的焊接参数和焊接参数值对钢桥面的实际焊接过程建立有限元模型并进行有限元仿真，得到焊接完成后钢桥面的焊接残余应力场；
S3：根据步骤S2得到的焊接残余应力场对正交异性钢桥面进行退火处理的有限元模拟，得到理论残余应力场；
S4：测量钢桥面典型焊缝及其附近区域表层残余应力场，得到实际残余应力场；
S5：根据步骤S4得到的实际残余应力场与步骤S3中得到的理论残余应力场，修正步骤S2中所建立的有限元模型，使得理论残余应力场能够反映实际残余应力场，并使用修正过的有限元模型对退火处理参数进行优化，最终得到正交异性钢桥面焊接残余应力最小的退火优化参数；
S6：将步骤S5中的退火优化参数输入退火执行终端且摆放上需要退火处理的正交异性钢桥面；
S7：进行退火处理。
需要说明的是：步骤S4中所述典型焊缝是指：顶板与纵肋之间的连接焊缝，横肋与纵肋之间的连接焊缝、横肋与顶板之间的连接焊缝。
进一步限定，步骤S4中实际残余应力场通过X射线、盲孔法或超声法测量得到。
进一步限定，步骤S4中实际残余应力场的测量包括以下步骤：
S4-1：对焊接方式进行有限元模拟，得到钢桥面内焊接残余应力最大的区域；
S4-2：对焊接残余应力最大的区域内的钢桥面进行除锈打磨；
S4-3：取残余应力最大的区域内的多个测量点进行残余应力测量。
进一步限定，步骤S5中的退火处理参数包括升温速率、降温速率以及保温时间。
进一步限定，步骤S2、S3中的有限元模拟是基于固态相变理论进行的。
进一步限定，所述焊接残余应力由以下公式计算得到：
Δε＝ΔεT+ΔεΔV+Δεtrip；
ΔεT＝α(T)ΔT；
Figure BDA0002441196570000031
fM＝1-EXP[-C(MS-T)]；
Figure BDA0002441196570000032
Figure BDA0002441196570000033
式中：Δε为焊接残余应力场；ΔεT为热弹性应变；ΔεΔV为体积应变；Δεtrip为相变塑性应变；fA与fM分别为奥氏体体积分数与马氏体体积分数，T为当前温度，AC1为奥氏体转变温度，AC3为奥氏体转变结束温度，A与D为材料相关的系数，MS为马氏体转变温度，C为材料常数，ΔfK为第K相的体积分数，
Figure BDA0002441196570000041
为完全相变时的体积应变，K为trip系数，S为偏应力，ζ为相变率；α(T)为温度相关的线膨胀系数，ΔT为温度变化幅度，f′(ζ)为饱和函数的导数。
进一步限定，所述正交异性钢桥面包括钢顶板，与钢顶板的下表面焊接的纵肋，纵肋的数量为多个，纵肋沿钢顶板的纵向方向设置，纵肋与钢顶板之间设置有多个横肋，纵肋沿钢顶板的横向方向设置，纵肋和钢顶板均与横肋焊接。
进一步限定，所述钢顶板的厚度为14～24mm，纵肋的厚度为8～12mm，横肋的厚度为10～16mm，任意相邻横肋之间的距离为3～5m。
本发明与现有技术相比，有以下有益效果：
1.经过退火工艺处理的正交异性钢桥面能够一次性降低其焊接残余应力，从而增加疲劳强度，延长使用寿命，同时减少钢材的浪费，节约了钢材，而钢材的冶炼耗能大，减小钢材浪费即能节能环保，桥梁是公共基础设施，当然也属于国家利益以及公共利益。
2.直接从源头减少了损伤缺陷，即降低焊接残余应力。
3.退火处理不仅只降低正交异性钢桥面各板件表面的焊接残余应力，还降低了各板件内部的残余应力，具有降低效率高，易操作的优势。
4.本发明克服了传统退火处理操作中存在的仅凭借经验控制退火参数的问题，可以通过对退火相关参数进行参数化分析，得到最优的退火参数和退火参数值，本发明具有针对性强，可以定量预测，降低效果好等优势。
附图说明
图1是正交异性钢桥面的一个视角的结构示意图；
图2是正交异性钢桥面的另一个视角的结构示意图；
图3是疲劳试验结果图；
其中：1-钢顶板；2-纵肋；3-横肋。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明既适用于制造工艺简单、外观规则以及尺寸不大的钢桥面，也特别适合于焊接细节复杂、焊缝数量庞大的钢桥面，对于复杂结构的钢桥面，能够明显地降低正交异性钢桥面自身的表层焊接残余应力和其内部的残余应力。
实施例1
本实施例以典型的正交异性钢桥面为例来说明本发明所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，正交异性钢桥面的纵向刚度和横向刚度存在显著差异，如图1和图2所示，正交异性钢桥面包括钢顶板1，与钢顶板1的下表面焊接的纵肋2，纵肋2的数量为2个，纵肋2沿钢顶板1的横向方向设置；纵肋2与钢顶板1之间设置有5个横肋3，横肋3沿钢顶板1的纵向方向设置，纵肋2和钢顶板1均与横肋3焊接；钢顶板1的厚度为14～24mm，纵肋2的厚度为8～12mm，横肋3的厚度为10～16mm，任意相邻横肋3之间的距离为3～5m。
一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，包括以下步骤：
S1：钢顶板1为工厂流水线化制造，对钢顶板1的表面锈层打磨干净，使用X射线衍射法对其所有焊缝及其附近区域的表层残余应力场进行测试，获得实测表层残余应力场数据；
S2：收集焊接过程中的电流电压与焊接速度等焊接参数，焊接过程应连续稳定的施焊，线能量一般在35kJ/cm～40kJ/cm；
S3：建立正交异性桥面板的焊接仿真模型，对步骤S2中的施焊过程在Abaqus有限元程序中基于固态相变理论进行焊接残余应力场的仿真计算，仿真计算的公式如下：
Δε＝ΔεT+ΔεΔV+Δεtrip；
ΔεT＝α(T)ΔT；
Figure BDA0002441196570000061
fM＝1-EXP[-C(MS-T)]；
Figure BDA0002441196570000062
Figure BDA0002441196570000063
式中：Δε为焊接残余应力场；ΔεT为热弹性应变；ΔεΔV为体积应变；Δεtrip为相变塑性应变；fA与fM分别为奥氏体体积分数与马氏体体积分数，T为当前温度，AC1为奥氏体转变温度，AC3为奥氏体转变结束温度，A与D为材料相关的系数，MS为马氏体转变温度，C为材料常数，ΔfK为第K相的体积分数，
Figure BDA0002441196570000064
为完全相变时的体积应变，K为trip系数，S为偏应力，ζ为相变率；α(T)为温度相关的线膨胀系数，ΔT为温度变化幅度，f′(ζ)为饱和函数的导数。
并且参考施焊过程以及边界条件，建立几何模型并对其分配材料属性，划分网格以及施加边界条件。在有限元分析中考虑固态相变导致的附加应变分量，参考步骤S1中的表层残余应力场实测值，修正有限元模型，最终可得到可以准确反映正交异性钢桥面残余应力分布的有限元模型，同时也得到了焊接残余应力的分布规律；
S4：基于步骤S3的理论焊接残余应力场，对有限元模型进行整体升温，以150℃/h的速度升温至650℃，保温3h后，再以150℃/h的速度进行降温，即可得到退火处理后的正交异性钢桥面的残余应力场；
S5：对步骤S4的退火参数进行多次优化，可以得到一定资源消耗前提下残余应力场最小的最优参数；
S6：将步骤S5中的退火参数输入退火执行终端且摆放上需要退火处理的钢桥面进行退火。
S7：对经过步骤S6处理后得到的正交异性钢桥面的疲劳试验，结果如图3所示，由图3可以得出：经过退火处理的正交异性钢桥面比未经过退火处理的正交异性钢桥面的疲劳强度高。
此实施例需具体说明的是：需要说明的是①纵肋与横肋数量并不做固定，应与实际情况而定；②横肋高度仅作为结构部件示例位置关系，并不能代表其真实尺寸；③钢顶板1的横向方向与桥梁的横向方向一致，即与车辆行驶方向垂直，钢顶板1的纵向方向与桥梁的纵向方向一致，即与车辆行驶方向一致。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：收集正交异性钢桥面焊接过程中的焊接参数和焊接参数值；
S2：基于步骤S1中收集的焊接参数和焊接参数值对钢桥面的实际焊接过程建立有限元模型并进行有限元仿真，得到焊接完成后钢桥面的焊接残余应力场；
S3：根据步骤S2得到的焊接残余应力场对正交异性钢桥面进行退火处理的有限元模拟，得到理论残余应力场；
S4：测量钢桥面典型焊缝及其附近区域表层残余应力场，得到实际残余应力场；
S5：根据步骤S4得到的实际残余应力场与步骤S3中得到的理论残余应力场，修正步骤S2中所建立的有限元模型，使得理论残余应力场能够反映实际残余应力场，并使用修正过的有限元模型对退火处理参数进行优化，最终得到正交异性钢桥面焊接残余应力最小的退火优化参数；
S6：将步骤S5中的退火优化参数输入退火执行终端且摆放上需要退火处理的正交异性钢桥面；
S7：进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，步骤S4中实际残余应力场通过X射线、盲孔法或超声法等方法测量得到。
3.根据权利要求1所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，步骤S4中实际残余应力场的测量包括以下步骤：
S4-1：对焊接方式进行有限元模拟，得到钢桥面内焊接残余应力最大的区域；
S4-2：对焊接残余应力最大区域内的钢桥面进行除锈打磨；
S4-3：取残余应力最大的区域内的多个测量点进行残余应力测量。
4.根据权利要求1-3任一项所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，步骤S5中的退火处理参数包括升温速率、降温速率以及保温时间。
5.根据权利要求1-3任一项所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，步骤S2、S3中的有限元模拟是基于固态相变理论进行的。
6.根据权利要求5所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，所述焊接残余应力由以下公式计算得到：Δε＝ΔεT+ΔεΔV+Δεtrip；
ΔεT＝α(T)ΔT；
Figure FDA0002441196560000021
fM＝1-EXP[-C(MS-T)]；
Figure FDA0002441196560000022
Figure FDA0002441196560000023
式中：Δε为焊接残余应力场；ΔεT为热弹性应变；ΔεΔV为体积应变；Δεtrip为相变塑性应变；fA与fM分别为奥氏体体积分数与马氏体体积分数，T为当前温度，AC1为奥氏体转变温度，AC3为奥氏体转变结束温度，A与D为材料相关的系数，MS为马氏体转变温度，C为材料常数，ΔfK为第K相的体积分数，
Figure FDA0002441196560000024
为完全相变时的体积应变，K为trip系数，S为偏应力，ζ为相变率；α(T)为温度相关的线膨胀系数，ΔT为温度变化幅度，f′(ζ)为饱和函数的导数。
7.根据权利要求6所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，所述正交异性钢桥面包括钢顶板，与钢顶板的下表面焊接的纵肋，纵肋的数量为多个，纵肋沿钢顶板的纵向方向设置，纵肋与钢顶板之间设置有多个横肋，纵肋沿钢顶板的横向方向设置，纵肋和钢顶板均与横肋焊接。
8.根据权利要求7所述的降低正交异性钢桥面焊接残余应力的方法，其特征在于，所述钢顶板的厚度为14～24mm，纵肋的厚度为8～12mm，横肋的厚度为10～16mm，任意相邻横肋之间的距离为3～5m。
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