Compressive Load-bearing Capacity of Laser-arc Hybrid Welded Corner Joint Members

钢桥是工程学的奇迹，但它们的强度依赖于一种隐形且往往令人头疼的东西：将它们连接在一起的焊缝。当金属板被连接时，焊接产生的高温会导致材料膨胀，并在冷却时收缩。这一过程会留下隐藏的应力，并可能导致金属变形，产生在施工前并不存在的轻微弯曲或扭曲。对于用于桥梁的大型钢构件而言，这些微小的缺陷至容不得忽视。它们会削弱结构承载重载的能力，尤其是在桥梁受到交通重量挤压的时候。工程师们长期以来一直使用标准的电弧焊，这是一种可靠的方法，通过电弧使金属熔化。然而，对于厚钢板，这个过程通常需要多次堆焊，即一次又一次地叠加热量，这可能会积累显著的变形和应力。一种较新的技术——激光-电弧复合焊接，有望解决这一问题，它通过结合激光的深层、聚焦能量与电弧的填隙能力，有望在产生更少热量的同时创造出更强的接头。

来自东京大学、大阪大学和IHI公司的研究小组致力于针对一种用于日本桥梁的高性能钢材（称为SBHS500）来测试这一前景。他们专注于角接头，即两块钢板相遇的L型连接处，这是桥梁建设中的关键部件。研究小组将传统方法（该方法需要四次单独的电弧焊路径才能完全连接厚钢板）与这种旨在单次完成同样工作的混合方法进行了对比。他们制作了数十个这样的钢制角接头，对其进行精确测量，并利用强大的计算机模拟来追踪热量如何在金属中移动以及它是如何改变形状的。他们的目标不仅是观察新方法是否奏效，还要准确理解这种方法如何改变了隐藏的应力和物理形状，以及这些变化是让桥梁构件在压力下变得更强还是更弱。

结果显示了两种方法之间的巨大差异。传统的电弧焊接过程需要巨大的能量，其四次堆焊的总热输入量为每毫米7,652焦耳。相比之下，激光-电弧复合焊接仅使用614焦尔/毫米的能量就实现了相同的钢板完全熔透，且仅需单次焊接，其能量消耗不到十分之一。这种热输入的减少对钢材的物理形状产生了立竿见影且可见的影响。传统的接头发生了显著变形，其一侧弯曲达2.37毫米，另一侧为1.87毫米，偏离了原定的平面。而混合焊接的接头则保持得非常笔直，最大弯曲程度降低了约70%，分别仅为0.67毫米和0.47毫米。研究人员发现，激光强烈且局部的热量创造了一个狭窄、深层的焊缝并快速冷却，从而防止了困扰多层电弧焊法的这种大规模收缩和扭曲。

除了可见的形状之外，研究人员还测量了金属内部捕获的隐形力量，即残余应力。这些是金属在试图收缩但被周围较冷的材料阻挡时所留下的内部压力。在传统的电弧焊角接头中，钢材表面承受着巨大的压应力，水平高达307.8牛顿/平方毫米。混合焊接的角接头表现出更温和的内部状态，最大压应力降低了约50%，降至143.3牛顿/平方毫米。计算机模拟模型通过模拟热流和金属原子的运动，证实了这些发现，并准确再现了在物理实验中观察到的温度变化和由此产生的变形。模拟表明，混合工艺创造了一个更简单、更均匀的热历程，使金属能够进入一个更稳定的形状，减少了内部冲突。

为了理解这些物理和内部变化如何影响桥梁构件的实际强度，研究小组查看了以往压缩测试的数据，在这些测试中，这些类型的接头被挤压直至达到极限。采用混合方法制造的接头更具刚性，其弹性刚度比传统接头高出约24%。这种刚性的增加是由于混合接头更直，且在负载下需要修正的初始弯曲更少。在承载极限方面，混合接头的表现与传统接头持平甚至略好，平均最大载荷为1,343千牛，而电弧焊版本为1,280千牛。研究人员得出结论，虽然混合方法并没有显著提高最终的断裂点，但它显著提高了接头的精度和稳定性。通过减少热输入，混合工艺最大限度地减少了可能削弱结构的翘曲和内部应力，提供了一种在不牺牲承载能力的情况下，构建尺寸更精确、机械性能更可靠的钢桥构件的方法。