二 钢结构厚板冬季焊接(板厚100mm)控制要点 - 图文

一．国家体育场钢结构冬季焊接施工技术

1 概述

1.1工程简介

国家体育场是北京2008年奥运会的主体育场。建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m，屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。钢结构工程结构用钢总量约42000吨，涉及到：Q460E-Z35、Q345GJD、Q345D、Q345C、GS-20Mn5V铸钢件等6种高强钢，且为全焊接结构，造型独特新颖，为双曲面马鞍型结构。

由于钢结构工程量大，施工工期紧，本工程钢结构施工要经历一个冬季施工阶段，北京地区冬季降雪主要集中在11月份~3月份，地表风力集中在3级~6级之间，最低温度平均在-10℃左右。根据施工进展安排，冬季施工涉及钢结构几乎所有的工序：柱脚拼装及吊装，主体结构吊装及焊接、立面次结构吊装及焊接、钢楼梯吊装及焊接等。因此本次冬季施工的施工质量和实际进度将是整个钢结构工程的重中之重，冬施期间的施工质量和进度将直接影响下一步其它工序的及时插入和整个工期。 1.2 冬季焊接部位

整个冬施期间，钢结构工程除肩部及顶面次结构没有涉及外，其他部位全部存在冬季施工，具体冬季低温焊接施工部位和工程量如下表：

序号 施工部位 1 2 3 4 1.3冬季焊接特点

（1）焊接工程量大、难度大，高强度钢材低温焊接没有先例

本工程为全焊接结构，吊装分段多，现场焊缝长度长，加之厚板焊接，高空焊接仰焊多。高强度钢材大量运用，低温焊接没有太多的成熟经验，尤其Q460E钢材是国内建筑用钢上第一次使用，低温焊接更没有先例，使得冬季焊接难度增加。加之高空焊接，焊接的防风、防雪、防低温措施更使得焊接难度增大。 （2）焊工低温操作，工作效率降低

北京地区冬季室外平均气温低，焊工露天作业动作僵化，操作灵活度降低，工效随之降低的同时也增加作业危险性，以及容易出现焊缝质量下降。

桁架柱柱脚 桁架柱 屋面主桁架 立面次结构 工程量（吨） 1000 10000 3000 1500 1

（3）低温下焊机工作性能不稳定

低温下焊接设备的运行稳定性降低，焊接参数会间接受到环境的影响，对焊接的质量会产生直接影响。

3 冬季焊接工艺措施

3.1焊接材料管理

（1）焊工持保温桶领取焊条，焊接过程必须盖好保温桶盖，随用随取，严禁焊材外露受潮，如发现焊材受潮不得再次使用。

（2）冬季焊接应采用冲击韧性好、防低温的低氢焊条，必要时采用高韧性超低氢型焊条。

（3）取用药芯焊丝必须一次性用完，不得出现回库的情况。

（4）气体保护焊采用的二氧化碳，气体纯度不宜低于99.9%（体积比），含水量不得超过0.005%（重量比）。

（5）使用瓶装气体时，瓶内气体压力低于1N/mm2时应停止使用。在负温度下使用时，要检查瓶嘴有无冰冻堵塞现象。

（6）冬期施工时气瓶存放在0℃以上的环境里。 3.2 冬季施焊措施

总体原则：对于与Q460、GS-20Mn5V有关的钢材施焊环境温度高于0℃，Q345及Q235钢材施焊环境温度高于-5℃时，在此温度条件不需要单独设置保暖棚提高焊接环境温度，按常温焊接工艺要求进行焊接，若风速过大或降雪时，仅需采取防风、防雪措施即可。

对于超过此要求的焊接环境温度，必须搭设保暖棚。 3.2.1 Q345GJ及Q345钢材焊接措施

（1）Q345钢材施焊环境温度高于-5℃时，在此温度条件不需要单独设置保暖棚提高焊接环境温度，超出此范围，所有焊接全部在保暖棚内进行，实现正温环境施焊。保暖棚材料必须采用采三防材料，即防风、防火、防水。

（2）焊前严格按照预热温度对焊缝进行预热，预热的加热区域应在焊接坡口两侧，宽度应各为焊件施焊处厚度的2倍，且不小于100mm；必要时采用伴随预热的方法，确保预热温度和层间温度。测温采用远红外测温仪，测温点在距坡口边缘75mm处，平行于焊缝中心的两条直线上。具体预热温度要求如下表：

焊缝预热温度表 接头最厚部件的板厚t（mm） 钢材牌号 t＜25 Q235 36℃ 25＜t≤40 36℃ 40＜t≤60 80℃ 60＜t≤80 100℃ t＞80 120℃ 2

Q345 36℃ 80℃ 100℃ 120℃ 160℃ 注：Q345GJ预热温度参照Q345执行。 （3）点焊焊缝预热温度同正式焊缝。

（4）t≤40mm时采用火焰加热，t＞40mm时采用红外电脑控温仪加热。

（5）严格控制焊缝层间温度，如下表所示。测温时采用远红外测温仪，测温点在焊缝坡口内部。

焊缝层间温度控制 接头最厚部件的板厚t（mm） 钢材牌号 40＜t≤60 Q345 100℃ 60＜t≤80 100～200℃ t＞80 140～200℃ （6）在保暖棚中进行的厚钢板焊接完成后，应在焊缝两侧板厚的2-3倍范围内，立即进行焊后热处理，加热温度宜在150~300℃，并宜保持1~2小时。焊缝焊完或焊后热处理完后，应采取保暖措施，并使焊缝缓慢冷却，冷却速度应不大于10℃/min。

（7）后热仍采用电加热的方式，一方面加热均匀、持久，另一方面方便后热温度的控制。

（8）二氧化碳气瓶应倒置24小时后打开阀门把水放尽方可使用，防止冻结。 瓶内气体高压低于1MPa时应停止使用。焊接前要先检查气体压力表上的指示，然后检查气体流量计并调节气体流量。

（9）超声波探伤耦合剂采用环保防冻型，避免气温过低导致冰冻，影响探伤检测。 （10）加强焊接环境保暖、御寒措施，给焊工一个更为舒适的施焊环境，必要时限制焊工工作时间，采取轮班作业制度。 3.2.2 Q460及GS-20Mn5V钢材焊接措施

（1）Q460及GS-20Mn5V钢材在0℃以下不得进行焊接，如必须进行焊接就要搭设保暖棚，保证保暖棚中的环境温度在0℃以上。

（2）Q460钢材焊接应由焊接技能相当过硬并经过专项培训，专项考试合格的焊工才能施焊。

（3）Q460钢材在国内建筑结构中第一次使用，没有低温焊接的应用经验，由于此种钢材的特殊性，要求必须一次性焊接合格。因此在没有切实做好保暖、防风措施之前严禁焊接。

（4）对于涉及Q460及GS-20Mn5V钢材的焊接都要进行预热，预热宽度应为焊件施焊处厚度的2倍，且不小于100mm；在焊接过程中采用伴随预热的方法，确保预热温度和层间温度。测温采用远红外测温仪，测温点在距坡口边缘75mm处，平行于焊缝中心的两条直线上。具体预热温度要求如下表：

焊缝预热温度表 钢材牌号 接头最厚部件的板厚t（mm） 3

t＜25 Q460 - 25＜t≤40 - 40＜t≤60 - 60＜t≤80 - t＞80 ＞180℃ 注：铸钢厚度100~150mm时，预热温度为180~230℃。 （5）严格控制焊缝层间温度，如下表所示。测温时采用远红外测温仪，测温点在焊缝坡口内部。

焊缝层间温度控制 接头最厚部件的板厚t（mm） 钢材牌号 40＜t≤60 Q460 3.3 保暖棚的搭设

保暖棚的搭设是为了保证焊接的环境温度在-5℃（与Q460、GS-20Mn5V有关的0℃）以上，需在保暖棚中放置适当的取暖器或碘钨灯，提高焊接的环境温度。以下是国家体育场钢结构施工不同部位的保暖棚搭设基本原则。 （1）柱脚焊接

柱脚拼装时将在柱脚的外侧满搭架子，在架子外侧挂设三防布或彩钢板（参见图3.3-1）；柱脚安装焊接的保暖棚在基坑底部生根搭设脚手架，脚手架的外围用三防布进行封闭。 （2）桁架柱、主桁架拼装

由于桁架柱、主桁架拼装的构件尺寸太大，如搭设全封闭的保暖棚困难太大。根据实际情况在焊接部位搭设局部封闭的保暖棚（参见图3.3-2），外侧挂设三防布。

彩钢板顶棚透气窗口脚手架60＜t≤80 - t＞80 150～200℃ - 拼装胎架

图3.3-1 图3.3-2

（3）桁架柱安装焊接

桁架柱安装共有两个焊接断面位置，一个是下节柱与柱脚的焊接，保暖棚的搭设可以在

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地面搭设钢管架子，外挂三防布；另一个是下节柱与上节柱之间的焊接，保暖棚的搭设参见图3.3-3，同时将保暖棚的上部封闭，在钢管架子的内侧安装彩钢板和三防布。 （4）主桁架安装焊接

主桁架在高空焊接主要有两个焊接断面位置，一个是下弦杆件的焊接接口，保暖棚可以依靠支撑塔架进行钢管架的塔设（参见图3.3-4），在钢管架子的外侧满挂三防布；另一个是上弦杆件的焊接接口，保暖棚采用钢管抱上弦杆的方法塔架子（参见图3.3-4），在架子的外侧满挂三防布。

防风屏现场焊缝现场焊缝A15001500AC主桁架下弦杆600~800临时支撑顶角钢500临时支撑顶下1米钢跳板钢管操作平台临时外支撑轮廓线爬梯横杆临时支撑顶下3.8米施工通道500临时支撑外边缘钢柱458045151010150060170800 B10004020252030φ17钻孔430409006060φ17钻孔120φ17钻孔61554050050050A-A5050

图3.3-3 图3.3-4

（5）立面次结、腹杆焊接

由于立面次结构相互交错，焊接节点复杂，腹杆操作空间较小，在高空搭设保暖棚的难度较大，同时立面次结构和腹杆的板材都比较薄（大多在20mm左右），焊接量相对较少，所以立面次结构和腹杆焊接可安排在冬施临界环境温度以上施工，在不出现特殊要求的前提下暂不考虑搭设保暖棚。 3.4 焊后保温

冬季环境温度较低，为了保证焊接完成的焊缝冷却速度较慢，不产生焊接缺陷（如裂纹），对于所有在冬季焊接的焊缝都要进行保温，板厚50mm以下的要采用保温岩棉进行保温缓冷，板厚50mm以上要进行后热保温后再缓冷。焊缝保温的主要措施用保温材料将其覆盖，保温材料采用岩棉并用铁丝将岩棉绑扎严密，岩棉的覆盖范围应在焊缝周围800mm，覆盖时间为2~3小时。 3.5 焊工冬季施工的防护

在焊接过程中焊工自身多方面因素决定着焊接的质量，不仅有焊工的技能、焊工的体能、焊工的情绪等，从这些方面看技能和体能是比较稳定的，而焊工的情绪则是波动的，在冬季施工过程中影响焊工情绪的一个重要因素就是外界环境，焊接大多数是露天作业，而冬季焊接过程中环境温度都很低，要保证工人在长时间的焊接过程中有个好状态主要措施就是加强

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对工人保暖防护。针对此采取了以下防护措施：

（1）发放订做的“三防”焊接服装，同时配有护膝和保暖小棉袄，皮棉鞋，皮手套（较薄），防寒帽等，重点保护焊工的手和脚；

（2）对于有条件的操作面设法让焊工人座姿焊接，以减少焊工体能消耗。

4 结语

通过低温焊接试验得出了相关的低温焊接工艺参数和相应的焊接保护措施。根据试验结果并结合工程实际情况，对冬季焊接施工进行了统一规定和采取了不同的针对性焊接保护措施。应用结果表明，冬季焊接质量满足设计和规范要求，焊缝检测一次合格率达到99.9%。 可以为今后类似工程的冬季焊接施工提供借鉴。

二．中央电视台新址高强度钢材厚板焊接难点及对策

一．工程概况

中央电视台新台址工程位于北京市朝阳路和东三环路交界处的CBD中央商务区内，总建筑面积约55万平方米。主体结构为全钢结构，呈立体分布，地下3层，地上52层，建筑高度234m，水平投影响面积为162.5m×162.6m，其主楼位于场地的西南部，采用双向倾斜、“L”形大体量悬臂（结构最大外伸长度75m，高度55m）空中对接的独特结构形式，分成塔楼1、塔楼2、裙楼、悬臂部分及屋盖五个部分。

本工程使用的钢板厚度基本以60mm、80mm为主，相当部分为100mm。钢材等级以Q390D级为主体，相当部分为Q420D、Q460E级。

图6-7-42 CCTV新台址主楼钢结构建筑效果图

二．难点及对策

（1）.构件焊接残余应力与变形大

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本工程主体结构使用钢材均为厚板、超厚板，钢材截面占构件截面比例高，构件内有效空间十分狭小，大部分焊缝不得不采用外侧单面坡口施焊工艺，导致结构焊接时填充焊材熔敷金属量大（焊接熔敷金属量比例普遍>8%，相当部分超出12%），焊接时间长，热输入总量高，构件施焊时焊缝拘束度高，焊后残余应力和变形很大。加之结构复杂，各单体结构均属“复合型”构件，焊接应力方向不一致，纵、横、上、下立体交叉，互相影响极易造成构件综合变形。而对超厚板焊接结构而言，若焊接变形得不到有效控制，将会直接导致构件的外形尺寸精度严重超差，不仅构件质量达不到设计与规范要求，还会给安装带来难以想象的难度。

（2）.焊缝裂纹的发生可能性大

由于厚板焊接时拘束度大，节点复杂，焊接残余应力大，焊缝单面施焊熔敷金属量大，施焊作业时间长，在焊接施焊过程中，稍有不慎易产生热裂纹与冷裂纹，有的甚至在焊后几天才出现（延迟裂纹）。本工程中出现大量厚板“T”形焊于薄板的情况，对于两者厚度相差较大，如60厚Q390厚板焊于30厚Q345薄板的情形，由于焊缝质量难以保证，必须采取相应的特殊工艺措施进行处理。

（3）.层状撕裂倾向性大

由于构件在板厚方向焊接拘束刚度大，加之厚板焊接容敷金属量大，易产生钢板厚度方向的层状撕裂；另外，厚板焊接连接部位的母材也容易产生层状撕裂，直接导致构件报废。从焊接理论与焊接实践中证实，层状撕裂缺陷最易产生在钢板厚度方向的“十字角接和T形角接”接头上，而此类接头在本工程中比比皆是。如何采取有效的工艺措施，预防控制焊缝裂纹与母材层状撕裂的发生并确保不利连接形式的焊缝质量，是本工程钢结构制作的一大难点。

对策：针对高强、超厚板焊接过程中的特点与难点，本公司制定了全面的构件加工焊接工艺措施，从坡口控制、温度控制、过程控制、变形控制、残余应力消除等方面进行针对性的控制。 三．关键技术 1）.坡口控制

在号料、切割过程中，对厚板焊接坡口形式的选择尤为重要，厚板的坡口一般应避开板的中心区域。此时主要采取的措施有：

（1）.在满足设计要求焊透深度的前提下，坡口角度和间隙尽量小；在不增加坡口角度的情况下尽可能增大焊脚尺寸，以增加焊缝受力面积，降低板厚方向的应力值，即“小坡口”措施。

（2）.在角接接头中采用对称坡口或偏向于侧板的坡口，使焊缝收缩产生的拉应力与板厚方向成一角度，尤其当特厚板时，侧板坡口面角度应超过板厚中心，可减小层状撕裂倾向，见图43。

图6-7-43 角接焊缝防层状撕裂坡口示意

（3）.同一条焊缝中若存在全熔透与半熔透二个区域，则其相交部位以保持焊缝坡口最大宽度不变，深度与间隙渐变过渡为原则进行处理；以立柱翼板与腹板的角接焊缝为例来说明，如图44所示。

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半熔透区全熔透区过 渡 区(L=150-250)80t600～1a20136.5a0～1aa8a 图4.2-6坡口过渡区图6-7-44 坡口过渡区角接焊缝

（4）.不同厚度的钢板对接，当t1-t2>3mm时即对厚板进行削斜过渡，保证对接削斜区延长尺寸，如图45所示。

t25(t1-t2)t1 图6-7-45 不同厚度钢板对接

在组焊过程中注意采取上述坡口控制措施，基本可使焊缝连接强度平稳过渡，避免连接强度突变而造成应力集中、构件破坏；除可减小层状撕裂倾向外，还有利于钢板连接处的自

动焊施焊以及焊接质量的提高。

2）. 温度控制 厚板在焊接前，钢板的板温较低，施焊时电弧的高温度导致厚板在板温冷热骤变的情况下温度分布不均，焊缝热影响区容易产生淬硬，焊缝金属变脆从而产生冷裂纹。为避免此类情况发生，厚板焊前必须进行预热，加热时母材的最小预热温度按板材的不同厚度进行。

（1）.预热时，焊接部位的表面用电加热均匀加热，加热区域为被焊接头中较厚板的两倍板厚范围，并不小于100mm区域。加热点应尽可能在施焊部位的背面。

（2）.当环境温度（母材表面温度）低于0℃（当板厚大于30mm时可为5℃），不需预热的焊接接头应将接头区域的母材预热至大于21℃，焊接期间应保持工艺规定的最低预热温度以上。

（3）.厚板焊接时，因板温的冷却速度较快，造成温度下降，为了使焊接的层间温度一直保持在200-230℃之间，本工程除了采用数显自动温控箱来调节红外线加热板加热温度外，同时采用数显测温仪，随时对焊接点的前后方向、侧面进行测温。

（4）.厚板对接焊后，应立即对焊缝及其两侧的局部母材进行红外线电加热，并用石棉铺盖保温2～6小时后空冷。这样的后热处理可使因焊前因故渗入熔池的扩散氢迅速逸出，防止焊缝及热影响区内出现氢致裂纹。 3）.过程控制

（1）.定位焊：由于厚板在定位焊时，定位焊处的温度被周围的“冷却介质”很快冷却，造成局部过大的应力集中，引起裂纹的产生，对材质造成损坏。解决的措施是厚板在定位焊时，提高预加热温度，加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。

（2）.多层多道焊：在厚板焊接过程中，应坚持多层多道焊，严禁摆宽道。由于母材对焊缝拘束应力大，焊缝强度相对较弱，摆宽道焊接容易引起焊缝开裂或延迟裂纹的发生。而多层多道焊，前一道焊缝对后一道焊缝来说是一个“预热”的过程；后一道焊缝对前一道焊缝相当于一个“后热处理”的过程，有效地改善了焊接过程中应力分布状态，保证焊接质量。 （3）.焊接过程中的检查：厚板焊接不同于中薄板，需要几个小时乃至几十小时才能施焊完成一个构件，为便于及时发现并处理问题，必须加强对焊接过程的中间检查。

（4）.焊后检测：对于厚钢的超声波检测，应在焊后48小时或更长时间进行，如进度允

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许，也可在构件出厂前再次进行检测，以确保构件合格，避免延迟裂纹对工件的破坏。

Q460E钢焊接工艺参数(以110mm为例)

层次 打底 中间 盖面 打底 中间 盖面 打底 中间 盖面 焊接 方法 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 CO2焊 CO2焊 CO2焊 手工焊 手工焊 手工焊 焊丝直径（mm） φ4 φ4 φ4 保护气流 量（1/min） / / / 15-20 15-20 15-20 / / / 电流 （A） 550-600 600-650 600-650 200-230 200-230 200-220 90-130 150-180 150-180 电压 （V） 27-34 32-36 32-36 32-34 32-34 32-34 23-26 23-26 23-26 焊接速度 （m/h） 27-33 27-33 27-33 27-30 27-30 27-30 13.3-15 13.3-15 13.3-15 焊丝、焊条 CJ.GNH-1+SJ105 TWE-81K2 CHE557 预热温度（℃） 150-170 φ1.2 φ1.2 φ1.2 层间温度（℃） 150-200 预热温度（℃） 150-170 φ3.2 φ4 φ4 层间温度（℃） 150-180 预热温度（℃） 150-170 层间温度（℃） 150-180 注：手工焊或CO2气保焊在焊接时应采用多层多道焊，严禁摆宽道。

4）.变形控制

厚板、超厚板的角接、对接焊缝，坡口大，焊接填充熔敷金属量大，焊接热输入量高，变形亦大。对于超厚板焊接结构而言，若焊接变形得不到有效控制，将会直接导致构件的外形尺寸精度严重超差，构件质量达不到设计、规范要求。控制焊接变形的主要措施有： （1）.厚板对接焊后的角变形控制。为控制变形，必须对每条焊缝正反两面分阶段反复施焊，或同一条焊缝分两个时段施焊。施焊时注意随时观察其角变形情况，准备翻身焊接，以尽可能减少焊接变形及焊缝内应力。对异形厚板结构，可设置胎模夹具，对构件进行约束来控制变形。由于本工程厚板异形结构造型奇特，断面、截面尺寸各异，在自由状态下施焊，尺寸精度难以保证；根据构件的形状，制作胎模夹具，将构件处于固定状态下进行装配、定位，焊接，进而控制焊接变形。

（2）.合理的焊接顺序

选择与控制合理的焊接顺序，既是防止焊接应力的有效措施，也是防止焊接变形的最有效的方法之一。根据不同的焊接方法，制定不同的焊接顺序，埋弧焊一般采用逆向法、退步法；CO2气体保护焊及手工焊采用对称法、分散均匀法；编制合理的焊接顺序的方针是“分散、对称、均匀、减小拘束度”。

（3）.采取反变形措施 由于本工程中钢板超厚，全熔透焊缝范围大，焊接后上下翼缘板外伸部分会产生较大的角变形。厚板的角变形往往不易校正，为减少校正工作量，可在板件拼装前将上下翼缘板先预设反变形；由于焊接角变形效应，构件焊后基本可以使翼板回复至平直状态，如图46示。反变形角度通过对焊缝焊接过程中热输入量的计算及以往工程中的实践经验综合予以确定。

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图6-7-46 反变形设置示意

（4）.对结构进行优化设计

结构中节点设计的合理性对构件的焊接变形影响关系很大，深化设计时应考虑的因素包括：构件分段易于切分；焊缝强度等级要求合理，易于施工；节点刚度分配合理，易于减少焊缝焊接时的拘束度等。 5）.残余应力消除

对本工程中刚性大、板材厚的构件（如封闭的“日”字、“目”字形多向柱及蝶形节点等），焊接应力相当集中。若构件内积蓄的大量焊接残余应力无处释放，将会极大降低构件的承载能力和抗疲劳强度，造成结构脆性断裂。另外，在结构受载、内力均匀化的过程中，残余应力的存在往往会在未有裂纹产生的情况下导致构件失稳、变形甚至破坏。因本工程构件的特殊性，尽管采取了上述多项措施来控制焊接应力与变形，焊接完工后构件中依然存在相当大的残余应力；加工时，主要从以下几个方面来采取措施进一步予以消除：

（1）.工件整平。在整平过程中，通过加大对工件切割边缘的反复碾压，可以有效消除收缩应力。

（2）.局部烘烤。控制加热温度范围，在构件完工后对其焊缝背部或两侧进行烘烤，对消除残余应力非常有效（尤其对于“T”形连接）。

（3）.超声波震动。经过对650×650×80箱柱进行超声波震动效应测试，此种方法对消除焊接残余应力极为有效，消除率达75%以上；厂内超声冲击如图47、48所示。

击

图6-7-47 箱体纵缝超声冲击 图6-7-48 电渣焊点超声冲

（4）.振动时效。振动时效法不受工件尺寸、形状、重量等限制，对消除工件应力有明显效果。

（5）.冲砂除锈。冲砂除锈时，利用喷出的高压铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀地冲击，不仅可以除锈，也可以消除构件部分残余应力。

按上述措施对构件消除焊接残余应力后，为测得实际的消除效果并采取有效控制措施，

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采用盲孔法进行残余应力的检测，测量点主要选择电渣焊和埋弧焊焊缝，如图49所示。

图6-7-49 残余应力的检测

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vd0t.html