大型焊接构件特别是建筑钢结构需不需要和能不能进行时效工艺是人们关心的问题；时效工艺在机床、起重、运输、港口、通用、能源、化工设备制造等方面已获得较广泛应用的同时，人们很难见到其在大型焊接构件特别是建筑钢结构上的应用，原因有三：

1）不知：一些设计人员对残余应力和时效的概念不了解，对我国的时效工艺标准也不了解；这种不知而导致的“不用”与按技术标准而确定的“不用”，有原则的区别；

2）不敢：由于建筑钢结构比较大，无法使用整体热时效工艺，而现场局部热时效由于施工上的困难及风险，一般也不考虑。在必须采用时效工艺时，只采用技术成熟的热时效工艺，如金贸大厦的受力转换柱就采用零件整体热时效后现场拼焊的工艺。而振动时效和振动（调制）焊接工艺由于缺少试验及技术标准不敢采用。

3）不能：施工单位拘束于设计图纸，对应该采用时效工艺构件不能追加时效工艺。

 

      大型焊接构件、建筑钢结构其焊接方法与一般的焊接构件无明显的差别，故同样存在焊接残余应力。以上海安亭蕴藻浜大桥为例，钢号为Q345B ，σ_s=345MPa。先在工厂进行分段焊接，然后在现场进行环焊缝拼接；然而放置在桥墩的分段，由于体积过大，无法运输，不得不制成左右两个大桥箱形梁半分段，在现场先进行两个半分段的( 焊接后如图1 )，然后再进行环焊缝拼接。采用盲孔法对纵向拼焊残余应力进行测量，结果如表1：

 

      表1结果表面：下表面焊缝为先焊焊缝，残余应力水平比较低，但上表面焊缝的应力水平则很高，个别值接近母材σ_s，平均值接近或超过σ_s/2水平，下文表2、3、4的数据也可以证实这种状况。

      焊接构件，由于存在高的拉伸残余应力，且焊缝部位存在热影响区、焊趾缺陷、接头应力集中，形成构件上组织和力学的薄弱部位，有可能导致构件运行时的变形以及前期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂。因此，在可能的情况下采用适合的时效工艺以改善组织性能及消除残余应力，将可有效地提高构件的稳定性和安全性。

      实际上一些高要求的大型焊接钢结构上已采用了时效工艺，包括有技术标准支持的热时效、振动时效和TIG重熔工艺：

      大型焊接钢结构常采用重要接点构件整体热时效后的现场拼焊工艺：上海金茂大厦的骨架采用全焊接结构，在工厂完成零构件制造、且对受力构件－转换柱先进行整体热时效，然后运现场拼焊。江阴输电铁塔也采用类似的工艺。采用盲孔法对热时效工艺效果的评定结果见表2：热时效前、后的残余应力测量，评估了热时效工艺消除焊接残余应力的效果，数据如下：

表2： 金茂大厦、江阴铁塔应用热时效工艺消除焊接残余应力测算数据 

工程	残余应力（MPa）	σmax	σmin	σX	σY
上海金茂大厦转换柱(Q235)	热处理前平均值	135	51	58	128
	热处理后平均值	79	16	30	64
	热处理前后差值	56	35	28	62
	变化率（%）	41	68	48	50
江阴铁塔对接试板（Q345）	热处理前平均值	185	63	146	101
	热处理后平均值	87	21	71	37
	热处理前后差值	95	42	75	64
	变化率（%）	53	67	52	64

      一般认为热时效的消应力效果为40－80％，表2的结果符合这个规律；然而拼焊而产生的残余应力将依然存在于钢结构中；

      一般说来，TIG焊能改善焊缝区的横向残余应力，以及降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象。研究表明，修整焊缝趾部能延长疲劳寿命。除去这种小的业已存在的缺陷，或者使其尖锐的开口变钝。用TIG方法修整，重建了裂纹起裂前的状态，因而延长了疲劳寿命。效果良好的焊缝横断面形状减轻了几何形状的应力集中，因而也提高了整个接头疲劳裂纹的抗力。当这些业已存在的趾部缺陷垂直于施加的应力时，延长疲劳寿命的方法最能收效。上海宝冶工程技术公司进行重型门式起重机大梁维修，对其拘束模拟焊接试板焊缝TIG重熔前后的残余应力进行了两次测量，通过X射线方法测定其应力变化如下列图表：

表3： 重熔前后残余应力均值对比（材料：Q345） 

编号	纵向残余应力（MPa）		下降量 （％）	横向残余应力（MPa）		下降量 （％）
	重熔前均值	重熔后均值		重熔前均值	重熔后均值
1	209	1989	5.0	56	57	-2.3
2	206	240	-16.4	59	64	-8.0
3	236	2130	9.6	-57	29	-150.9
4	265	245	7.7	259	84	67.5
5	189	201	-6.4	206	114	44.6
6	221	219	0.7	105	70	33.4

 

      由此可见：TIG重熔对于焊缝接头处的纵向残余应力改善不明显，残余应力绝对值下降不大，但对于纵向残余应力的均匀分布有一定效果；TIG重熔对于试板焊缝的横向残余应力有明显的改善效果，残余应力绝对值下降明显而且分布趋于均匀；残余应力趋向均匀减少了焊件在使用中的应力集中，提高了焊接件的使用寿命。

      振动时效是对构件施加交变应力，与构件上的残余应力叠加达到材料的屈服应力，发生局部的塑性变形；这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处，使这里的约束变形得以释放，达到降低和均化残余应力的作用。

      对上海振华港口机械有限公司生产的卷筒体（直径1400、长13800、壁厚50）进行VSR消除焊接残余应力，测量VSR前后的残余应力对比见表4：

表4：卷筒体振动时效前后的应力变化 

位置	残余应力（MPa）	σmax	σmin	σX	σY
卷筒环焊缝	热处理前平均值	272	－1	176	95
	热处理后平均值	119	19	112	26
	热处理前后差值	153	－20	64	69
	变化率（%）	56	－2061	36	72
卷筒腹板角焊缝	热处理前平均值	127	12	106	33
	热处理后平均值	89	33	83	39
	热处理前后差值	38	－21	23	－6
	变化率（%）	30	－175	21	－18

一般认为振动时效的消应力效果为20－50％，表4的结果符合这个规律；然而区别于热时效，其最小主应力以缓和最大主应力呈上升趋势；但其消应力效果恰是整体的效果。

      这三种目前常用的大型焊接构件残余应力消除的方法都具备较为明显的应力消除效果，但对于不同的焊接结构、焊接工艺和材料不同的消应力措施具有不同的效果，经济代价也不一。热时效方法消应力效果良好，但构件尺寸受限于热处理炉的空间大小；TIG重熔可以明显降低横向应力，且改善接头的应力集中，但对纵向应力消除效果不明显，且工作效率较低；VSR方法简单快捷，效果也很显著，且已渗入到核工业（核反应堆内构件、核聚变设备）、磁悬浮交通、宇航等高尖领域，但其不具备热时效的去氢和恢复塑性的功能。此外锤击工艺也曾成功地应用在宝钢转炉和东方电机厂造大型水轮最终焊道的消应力处理上。由于母材、焊材、焊接工艺及运行条件的千差万别，因此必须根据材料及构件的运行要求，且按技术标准正确地选择消应力工艺。

　　振动焊接又称振动调制焊接，其可提高焊缝的质量，是目前国内外正在研发的新技术。振动焊接是指在焊接过程中根据不同构件施加不同参数的机械振动，即在振动条件下进行的焊接。在焊接过程中，对焊件一定频率范围内的轻微振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用：

对90mm厚板的振动焊接残余应力测量结果见图2；振动焊接从焊接过程开始就起到细化晶粒的作用，接着，在热状态下通过热塑性变形来调整应变而降低残余应力，这样可有效防止焊接裂纹的形成和工件的畸变，提高构件的疲劳寿命，增强焊缝的力学性能。对Q235钢的初步试验表明，振动焊接可获得如下效果：

      国内外的研究和实验都表明振动焊接在提高焊缝质量方面有着良好的应用前景。由于振动焊接工艺简便，特别是可以在大型焊接钢结构上应用，有可能取代传统热时效和振动时效等消应力工艺，能降低生产成本，缩短了生产周期，十分符合我国国情。基于振动焊接的优点，在我国重大工程中，对一些采用热时效工艺有困难的结构，已开始考虑试验振动焊接工艺，包括核聚变装置、大厚壁炉体、大直径阀体等。特建议在尚未采用时效工艺的大型焊接钢结构上进行振动焊接工艺的探索，其有可能使长期影响产品质量的问题获得有效的解决。

 

图2：90mm厚板的振动焊接残余应力测量结果

 

应用束状冲头，在超声频率（>16KHz）对焊趾和焊缝表面进行冲击：

      1.超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，对2～4mm深度层消应力效果可达34～55％，达到JB/T5926-91标准的要求；对电渣焊和

      2.埋弧焊的冲击效果见图3、4。

      3.采用焊趾冲击法，可以修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19％，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。

      4.冲击可导致表面硬度有一定上升，但平均值不超过HRC10，仍处在低硬度状况。

      5.冲击工艺是一种伴随一定的“体效应”超声振动时效效果，以点冲击接触、压应力屈服为主要特征的“面效应”型消应力工艺，比较适合高拘束状态短焊缝的局部处理。如局部的焊接修复、大构件的组配焊接以及在厚壁结构上焊小构件，其焊缝处承受较大的拘束应力，且焊后易产生延迟冷裂纹等情况。

      6.由于冲击工艺处理的特点，其工作效率偏低，约为1200mm²/min。对一个4M长的立柱估计需10～11小时的处理时间；故不易用于大型多焊缝构件的消应力处理；