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摘要：在对厚钢板焊接现场的环境因素对焊接应力影响的相关因素进行分析的基础上，提出了现场施工过程中如何采用超声波冲击处理工艺来降低焊接应力的策略。
关键词：现场环境；厚钢板；焊接应力；策略
Abstract: in the field of thick plate welding environment factors on the welding stress influence of related factors on the basis of the analysis of, puts forward the process of how to the construction site by ultrasonic shock treatment process to reduce the welding stress strategies.
Key words: the environment; Thick plate; The welding stress; strategy
中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号：
0．引言
随着钢结构技术的飞速发展，厚钢板在钢结构中得到广泛的应用，尤其是在大型的桥梁结构中几乎成为了必须采用的结构形式。厚钢板虽然在焊接的过程中有较大的刚度，但是在焊接时也容易产生较大的残余应力，对钢结构的使用性能产生极为重要的影响。在进行工程质量控制的过程中，应该重视施工现场的环境对焊接质量，尤其是焊接应力造成的影响。对影响焊接应力的相关环境因素进行分析，并针对这些影响因素提出针对性的提出减小残余应力、使得应力均匀分布，是本文接下来主要分析的问题和分析的对象。
1．影响厚钢板焊接应力的若干环境因素
1.1 空气温度对焊接应力的影响
在所有影响厚钢板焊接应力的因素当中，空气是对焊接应力影响最为明显、最为直接，同时也是影响过程最难以控制的一個因素。这主要是因为空气的温度将对焊接过程中的热循环过程、焊接过程中的化学反应过程、焊缝周围金相这种的变化、合金元素的变化以及应力的分布情况等都产生重要的影响，最终对焊接接头的质量与性能等产生直接影响。同时，空气的温度还对焊接设备的工作性能以及工作状态等造成重要影响。
加之在实际的施工过程中，由于孔国旗的对流系数是不断的变化的，它们对焊接结构件热循环与冷却等的变化都有直接影响，导致焊接残余应力在各个钢板的各个部位的分布式不均匀的。但是，在实际的计算和分析过程中，例如在有限元软件分析过程中，一般都是采用设定一个固定的对流系数的方式来进行分析，这将导致分析结果和实际情况存在一定的差异。下面图1是在不同温度条件下(0℃、10℃和20℃)，焊接残余应力的比较结果。
图1 不同温度下焊接残余应力比较
通过对上面的图形来看，在低温条件下对钢板进行焊接时，其产生的参与应力较高温环境下产生的参与应力要大，对钢板构建的性能所产生的影响较大。因此，在实际的施工过程中，应该尽量避免在低温环境之下进行厚钢板的焊接作业，即是不可避免的需要在低温环境下进行焊接，也应该采取针对性的保温措施进行焊接作业。
1.2 湿度对焊接应力的影响分析
从具体的工程施工情况来看，除了空气温度对厚钢板焊接应力的重要影响之外，环境的湿度也是对焊接应力产生重要影响的一个因素之一。空气湿度对焊接质量产生影响的一个重要原因就是由于水分主要是氢氧元素构成的，而氢元素又直接的参与到熔池的冶金化学反应过程中去，其扩散速度和溶解度都会导致焊缝金属处，结晶与组织结构的变化等产生直接的影响。氢元素的分布以及含量等，都将对焊接接头部分的裂纹延迟以及脆性转变等情况的发展造成影响，这是对焊接结构件质量和安全造成极大危害的一个方面。同时，焊接材料通常对空气的湿度也较为敏感。
再次，液体的熔池也容易将氢气等气体吸收进来，尤其是在高温下，融入大量的气体之后会凝固起来而不能够析出，最终导致在焊缝当中形成气孔。还有，弧柱气氛当中的水分、焊接材料、母材表面氧化膜吸附的水分等都是氢元素的重要来源。
1.3 风力对焊接应力的影响
这里的风力主要是指在焊接施工现场局部的空气流速，它对焊接应力的影响主要来自于对对焊接电弧形态的形成、工艺稳定性的影响。同时，风力还可能与温度共同作用，对焊缝的的冷却速度以及热循环造成影响，从而对冶金化学反应的程度、接头处组织的变化以及应力分布情况造成最终的影响。
2．现场消除厚钢板焊缝应力的策略
2.1 超声波冲击原理
利用超声波来减小焊接的应力集中、消除残余应力，对焊缝的应力状态进行改善是一种常用的工艺策略。超声波就是利用超声波发生器，将50Hz的交流电转变成为超声频的20kHz交流，然后用它来激励声学系统的发生器。之后，声学系统将电能在转换成为与自身频率相同的机械振动能量，然后在自重以及外界压力的双重作用下降机械振动能量传递给工件之上的焊缝，使得在焊接区域能够形成一个深度足够的塑性变形层，从而达到有效改善焊缝和母材的过渡区域的表面形成，确保其过渡光滑，有效的降低焊接接头处的应力集中。同时还可以保证焊接接头处一定厚度内的金属得到强化，焊接区域的参与应力场得到一个重新调整，使得分布更加的合理。且在超声冲击的作用下，在冲击表面可以产生一个有利于提高疲劳强度的表面压力，使得处理之后的接头强度更强。
2.2 现场施工焊缝残余应力消除策略
以桥梁钢箱梁的焊接为例，在现场的焊接施工过程中，其截面构件之间的焊缝是属于一个约束状态之下的对接环形缝。在主拱肋与拱上立柱之间、立柱和立柱之间、立柱与帽梁的焊缝也是约束状态下的环行焊缝，这些焊缝都易产生焊接的应力集中。而采用超声波冲击处理可以有效的对残余应力进行均匀化和消除。
下面对在现场施工过程中，就超声冲击的构建部位、焊缝区域、处理工艺以及测点的布置等进行论述。
2.2.1 冲击处理构件的部位
在处理的过程中，主要是针对箱型构建在现场环形焊缝的接头处，主要包括这样几个部分：其一，主拱弦杆的对接焊缝处；其二，在主拱上弦杆和拱上立柱之间的连接焊缝；其三，各个拱上立柱之间的对接焊缝；其四，拱上立柱与帽梁的连接处的焊接部位。
其对应的环型焊缝焊接应力测试点的布置情况，如下图2所示：
图2 环形焊缝焊接应力测试点布置情况
2.2.2 冲击焊缝处理区域
对于环形焊缝而言，其冲击处理部位主要是在焊缝接头(焊趾)的10mm的宽度区域之间，也就是说以焊趾为中心线，分别在母材5mm宽度以及焊缝5mm宽之间的区域进行冲击处理。
2.2.3 所采取的冲击工艺
焊缝的冲击处理主要是针对冲击处理对象，对冲击的相关参数，诸如冲击频率、冲击压痕的深度、冲击范围、输出的振幅以及冲击头的选型等进行选择和确定。
其中，冲击的频率与振幅分别为20KHEZ，振幅要高于30μm；冲击压痕的深度应该尽量控制在0.3～0.5mm之间；冲击范围，主要是指焊缝区的压痕深度应该在0.5～0.7mm之间，且压痕的覆盖率应该在90％以上；压痕形状要尽可能的均匀，各个部位的过渡区应该均匀光滑；冲击头的型号应该选用直径在5~6mm之间的针状冲击钻头。
结语
环境对厚钢板的焊接应力分布的影响时一个动态的过程，这里针对应力分布所采取的改善策略是针对一个具体的施工环境而确定的。但是，却也提供了一个可行的应力改善途径，对提高应力分布的均匀性具有积极作用。
参考文献：
[1] 杨武. 现场环境对厚钢板焊接应力的影响研究[D]. 重庆交通大学. 2010-03.
[2] 邹德辉. 武钢桥梁用14MnNbq50～60mm超厚钢板实物性能[J]，钢结构. 2005-2．
[3] 余昌莲．焊接结构的残余应力研究[D]．武汉理工大学，2006-4．
关键词：现场环境；厚钢板；焊接应力；策略
Abstract: in the field of thick plate welding environment factors on the welding stress influence of related factors on the basis of the analysis of, puts forward the process of how to the construction site by ultrasonic shock treatment process to reduce the welding stress strategies.
Key words: the environment; Thick plate; The welding stress; strategy
中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号：
0．引言
随着钢结构技术的飞速发展，厚钢板在钢结构中得到广泛的应用，尤其是在大型的桥梁结构中几乎成为了必须采用的结构形式。厚钢板虽然在焊接的过程中有较大的刚度，但是在焊接时也容易产生较大的残余应力，对钢结构的使用性能产生极为重要的影响。在进行工程质量控制的过程中，应该重视施工现场的环境对焊接质量，尤其是焊接应力造成的影响。对影响焊接应力的相关环境因素进行分析，并针对这些影响因素提出针对性的提出减小残余应力、使得应力均匀分布，是本文接下来主要分析的问题和分析的对象。
1．影响厚钢板焊接应力的若干环境因素
1.1 空气温度对焊接应力的影响
在所有影响厚钢板焊接应力的因素当中，空气是对焊接应力影响最为明显、最为直接，同时也是影响过程最难以控制的一個因素。这主要是因为空气的温度将对焊接过程中的热循环过程、焊接过程中的化学反应过程、焊缝周围金相这种的变化、合金元素的变化以及应力的分布情况等都产生重要的影响，最终对焊接接头的质量与性能等产生直接影响。同时，空气的温度还对焊接设备的工作性能以及工作状态等造成重要影响。
加之在实际的施工过程中，由于孔国旗的对流系数是不断的变化的，它们对焊接结构件热循环与冷却等的变化都有直接影响，导致焊接残余应力在各个钢板的各个部位的分布式不均匀的。但是，在实际的计算和分析过程中，例如在有限元软件分析过程中，一般都是采用设定一个固定的对流系数的方式来进行分析，这将导致分析结果和实际情况存在一定的差异。下面图1是在不同温度条件下(0℃、10℃和20℃)，焊接残余应力的比较结果。
图1 不同温度下焊接残余应力比较
通过对上面的图形来看，在低温条件下对钢板进行焊接时，其产生的参与应力较高温环境下产生的参与应力要大，对钢板构建的性能所产生的影响较大。因此，在实际的施工过程中，应该尽量避免在低温环境之下进行厚钢板的焊接作业，即是不可避免的需要在低温环境下进行焊接，也应该采取针对性的保温措施进行焊接作业。
1.2 湿度对焊接应力的影响分析
从具体的工程施工情况来看，除了空气温度对厚钢板焊接应力的重要影响之外，环境的湿度也是对焊接应力产生重要影响的一个因素之一。空气湿度对焊接质量产生影响的一个重要原因就是由于水分主要是氢氧元素构成的，而氢元素又直接的参与到熔池的冶金化学反应过程中去，其扩散速度和溶解度都会导致焊缝金属处，结晶与组织结构的变化等产生直接的影响。氢元素的分布以及含量等，都将对焊接接头部分的裂纹延迟以及脆性转变等情况的发展造成影响，这是对焊接结构件质量和安全造成极大危害的一个方面。同时，焊接材料通常对空气的湿度也较为敏感。
再次，液体的熔池也容易将氢气等气体吸收进来，尤其是在高温下，融入大量的气体之后会凝固起来而不能够析出，最终导致在焊缝当中形成气孔。还有，弧柱气氛当中的水分、焊接材料、母材表面氧化膜吸附的水分等都是氢元素的重要来源。
1.3 风力对焊接应力的影响
这里的风力主要是指在焊接施工现场局部的空气流速，它对焊接应力的影响主要来自于对对焊接电弧形态的形成、工艺稳定性的影响。同时，风力还可能与温度共同作用，对焊缝的的冷却速度以及热循环造成影响，从而对冶金化学反应的程度、接头处组织的变化以及应力分布情况造成最终的影响。
2．现场消除厚钢板焊缝应力的策略
2.1 超声波冲击原理
利用超声波来减小焊接的应力集中、消除残余应力，对焊缝的应力状态进行改善是一种常用的工艺策略。超声波就是利用超声波发生器，将50Hz的交流电转变成为超声频的20kHz交流，然后用它来激励声学系统的发生器。之后，声学系统将电能在转换成为与自身频率相同的机械振动能量，然后在自重以及外界压力的双重作用下降机械振动能量传递给工件之上的焊缝，使得在焊接区域能够形成一个深度足够的塑性变形层，从而达到有效改善焊缝和母材的过渡区域的表面形成，确保其过渡光滑，有效的降低焊接接头处的应力集中。同时还可以保证焊接接头处一定厚度内的金属得到强化，焊接区域的参与应力场得到一个重新调整，使得分布更加的合理。且在超声冲击的作用下，在冲击表面可以产生一个有利于提高疲劳强度的表面压力，使得处理之后的接头强度更强。
2.2 现场施工焊缝残余应力消除策略
以桥梁钢箱梁的焊接为例，在现场的焊接施工过程中，其截面构件之间的焊缝是属于一个约束状态之下的对接环形缝。在主拱肋与拱上立柱之间、立柱和立柱之间、立柱与帽梁的焊缝也是约束状态下的环行焊缝，这些焊缝都易产生焊接的应力集中。而采用超声波冲击处理可以有效的对残余应力进行均匀化和消除。
下面对在现场施工过程中，就超声冲击的构建部位、焊缝区域、处理工艺以及测点的布置等进行论述。
2.2.1 冲击处理构件的部位
在处理的过程中，主要是针对箱型构建在现场环形焊缝的接头处，主要包括这样几个部分：其一，主拱弦杆的对接焊缝处；其二，在主拱上弦杆和拱上立柱之间的连接焊缝；其三，各个拱上立柱之间的对接焊缝；其四，拱上立柱与帽梁的连接处的焊接部位。
其对应的环型焊缝焊接应力测试点的布置情况，如下图2所示：
图2 环形焊缝焊接应力测试点布置情况
2.2.2 冲击焊缝处理区域
对于环形焊缝而言，其冲击处理部位主要是在焊缝接头(焊趾)的10mm的宽度区域之间，也就是说以焊趾为中心线，分别在母材5mm宽度以及焊缝5mm宽之间的区域进行冲击处理。
2.2.3 所采取的冲击工艺
焊缝的冲击处理主要是针对冲击处理对象，对冲击的相关参数，诸如冲击频率、冲击压痕的深度、冲击范围、输出的振幅以及冲击头的选型等进行选择和确定。
其中，冲击的频率与振幅分别为20KHEZ，振幅要高于30μm；冲击压痕的深度应该尽量控制在0.3～0.5mm之间；冲击范围，主要是指焊缝区的压痕深度应该在0.5～0.7mm之间，且压痕的覆盖率应该在90％以上；压痕形状要尽可能的均匀，各个部位的过渡区应该均匀光滑；冲击头的型号应该选用直径在5~6mm之间的针状冲击钻头。
结语
环境对厚钢板的焊接应力分布的影响时一个动态的过程，这里针对应力分布所采取的改善策略是针对一个具体的施工环境而确定的。但是，却也提供了一个可行的应力改善途径，对提高应力分布的均匀性具有积极作用。
参考文献：
[1] 杨武. 现场环境对厚钢板焊接应力的影响研究[D]. 重庆交通大学. 2010-03.
[2] 邹德辉. 武钢桥梁用14MnNbq50～60mm超厚钢板实物性能[J]，钢结构. 2005-2．
[3] 余昌莲．焊接结构的残余应力研究[D]．武汉理工大学，2006-4．