工程节点残余应力检测及消除方法

某工程部分节点是多根杆件焊接相连，节点结构复杂，自重约100kg，采用壁厚约10mmQ345B钢板拼焊而成，内有筋板加固，整体构件体积小，刚度大。其中节点牛腿内翼板与中间板采用全熔透焊缝，节点牛腿的主焊缝采用部分熔透焊缝，节点中间劲板与外翼缘板的焊缝及中间劲板与牛腿腹板的焊缝采用部分熔透焊缝，因此在节点部位存在焊接残余应力。本文采用盲孔法对节点进行残余应力检测，同时采用振动时效工艺消除节点残余应力，研究振动时效工艺的有效性。

盲孔法残余应力检测步骤

盲孔法测残余应力分两步，第一步进行释放系数的标定，第二部进行构件残余应力检测。本次仪器采用聚航科技生产的JHMK残余应力检测仪，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组合而成，软件式操作，数据实时显示，实时保存。

释放系数的标定

1. 将应变片粘贴在被测位置，连接应变仪，将试件装在材料试验机中并进行调整，施加初载P0，加载到P，读取各应变读数，重复加卸载三次，取平均值得钻孔前ε₁、ε₂、ε₃。

2. 从试验机上卸下试件，钻孔。

3. 将钻孔后试件重新装到试验机上，施加初载P0，加载到P，读数，重复三次，取平均值得钻孔后得ε₁、ε₂、ε₃。

4. 计算出释放系数值A=0.4443με/MPa，B=0.3271με/MPa。

残余应力检测

在测得释放系数后即可进行构件残余应力检测，根据构件焊缝分布情况布置测点，测点主要布置在焊缝位置以及焊缝热影响区，每个相似点布置两个应变片，振前钻孔测试一点，振后再钻孔测试一点。本次实验仅对1号和2号杆件与节点相连区域的残余应力进行了测试，共有9个测点。

振动时效工艺

本次实验采用了振动平台处理的方法，平台尺寸为800*800mm。设备采用聚航科技生产的JH-700A振动时效设备，采用高速变频伺服电机，激振力大，效果好。

由于节点形状复杂，此次试验根据激振器在平台上的装夹位置分两次振动进行，第一次振动进行了15min。平台由四个专用橡胶垫沿四边居中四点支撑，橡胶垫的所产生弹性悬浮和储能效应，保证了构件共振和亚共振的形成。可保证振动工艺的执行。采用1%的偏心距，找到共振点后振动15min。第二次振动是为了使节点产生不同的振型，调整激振器位置，其他保持不变。找到共振点后振动10min。这2次振动，在工艺后期都出现比较明显的振幅上升，或下降的现象，按GB/T25713-2010标准进行效果评估，表明振动时效工艺是有效的。

残余应力检测结果分析

表1给出了振动前后1、2杆件与节点板焊接位置的残余应力。

从表中数据可以看出，在焊缝位置残余应力最大，其次是靠近焊缝位置的热影响区，最大残余应力为453.7MPa，其中2号杆件与节点焊接位置的残余应力小于1号杆件与节点焊接位置的残余应力。从表中振前和振后残余应力比较可以发现，测点1和测点2的第一主应力在振前和振后发生了变号现象，而且第一主应力的绝对值有所增加，其余测点则大多表现为振前和振后主应力同号，且应力的绝对值大幅下降，从表中可以看出，消除应力效果比较明显，平均可消除40%以上的残余应力，部分位置可消除50%的残余应力。振动后最大与最小残余应力的差值小于振动前的差值。从以上两点，根据GB/T25713-2010标准可以判定此次振动时效工艺是有效的。

结论

1. 本次实验发现，对于多次焊接的结构，焊接残余应力不容忽视，焊缝和焊缝热影响区部位的残余应力甚至超过了钢材的屈服强度，因此对于复杂的焊接结构，有必要进行残余应力的分析，以此来评价节点的实际受力性能；

2. 盲孔法进行焊接残余应力检测，孔之间的位置以及孔的深度对测试结果影响较大，本次试验中部分残余应力实测结果远远超过钢材的抗拉强度，主要由于钻孔时孔边必然形成应力集中，孔边将进入局部塑性，应力重新分布，应变片感受的释放应变将不同于弹性情况，包含有塑形应变，使测量的释放应变偏大，因此测量的应力结果总是偏高。

3. 振动时效工艺是一种操作方便、经济实用的方法，本次实验表明振动前后大部分残余应力得以消除，实际工程中可以采用该种方式进行残余应力消除。