测量焊接接头残余应力的方法优化

焊接结构中存在的拉伸残余应力会使其实际承受的平均外加应力增加，严重影响结构承载能力，特别是降低结构的疲劳强度。但构件焊接完毕后残余应力究竟有多大？需不需要进行去应力处理？要想回答这些问题就有必要对焊接结构进行残余应力测量。人们对焊接结构残余应力的测试方法进行了大量的研究，发展至今形成了十几种测量方法。残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和非破坏无损测量方法两大类[37]。机械释放测量法是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，然后测量其应变的变化求出残余应力。它主要包括切条法、钻孔法、逐层铣削法等。其优点是测量的精度较高，但对构件的损伤较大。非破坏性方法包括X 射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法、电子散斑干涉法等。它对被测构件无损害，但成本较高。目前，国内外常用测定焊接残余应力的方法和原理如下。

（1）切条法。

将需要测定焊接残余应力的构件先划分成几个区域，在各区的待测点上贴上应变片或加工引伸计所需的标距孔，然后测定它们的原始数据。如图4-41所示对接接头，按照图4-41（b）在靠近测点处将构件沿垂直于焊缝方向切断，然后在各测点间切出几个梳状切口，使焊接残余应力得以释放。再测出释放应力后各应变片或各对标距孔的读数，求出应变量。按照式（4-9）计算焊接残余应力。

图4-41　切条法测定残余应力

若为双轴受力情况，则可以沿着两个主应力方向贴应变片，分别测出其应变量，按照式（4-10）和式（4-11）求出焊接残余应力。

该方法必须将焊件的整体或某一局部彻底破坏，测量后的焊件一般不能再用，所以，该方法不宜对工程实际结构进行测量。然而，这种测量方法有严密的理论依据，数据可靠，测量技术易于掌握，因此，该方法被广泛用来作为试验验证手段，是校核其他测量方法的可靠基础[58]。

（2）盲孔法。

盲孔法是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变释放，再利用弹性力学原理就可以得出盲孔处的焊接残余应力大小，残余应力的计算公式如下：

ε1、ε2、ε3分别是沿焊缝方向，与焊缝成135°和90°的释放应变量，单位为μm，θ 为最大主应力角；σ1σ2为最大和最小主应力，单位为MPa；应变释放系数A、B 是先由拉伸标定试验再由理论公式计算而来的，孔径大小和深度是影响它的主要因素。盲孔法近年来在测量原理、实测中的各种工艺因素影响、误差来源的深入全面解析都取得了成熟的发展[59]。

（3）套孔法。

本方法采用套料钻孔加工环形孔来释放应力。如果先在环形孔内部贴上应变片或加工标距孔，则可测出释放后的应变量（Aε ，Bε 与Cε 互成45°），根据式（4-13）、（4-14）、（4-15）计算主应力及其方向。

一般情况下，环形孔的深度只要达到（0.6～0.8）D，应力即可基本释放，本方法的破坏性较小。(www.xing528.com)

（4）X 射线衍射法。

在各种无损测定残余应力的方法之中，X 射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它的原理成熟，方法完善，经历了80 余年的进程，在国内外广泛应用于实验室和现场焊接结构的残余应力测定。金属材料都是由按一定点阵排列的晶体组成的，而晶体内某一取向的晶面之间的距离是一定的。晶体在应力作用下原子的晶面间距将发生变化，其变化与应力成正比。若能测量出自由状态（无应力状态）下的晶面间距与在某一应力作用下的晶面间距的差值，就能计算出作用应力的大小。X 射线衍射法就是以晶面间距作为应变测量的基长（标距），通过测量晶面间距的变化来确定应力数值[60]。当X 射线以角θ 入射到晶面上时，如能满足公式（4-16），则X 射线在反射角方向上将因干涉而加强。

式中，d 为晶面间的距离，λ 为X 射线的波长，n 为任意一整数。根据这一原理可以求出d 值。用X 射线以不同的角度入射构件表面，则可测出不同方向的d 值，从而求得表面焊接残余应力。本方法的最大优点是非破坏性，但只能测得焊件表面的残余应力，而且对被测表面要求较高，要求避免由局部塑性变形而引起的干扰，另外，其测试仪器比较昂贵。

（5）中子衍射法。

中子衍射和X 射线衍射十分相似，当中子波以掠射角θ 射向晶面，在相邻两晶面上反射的中子波，程差为2dsinθ 与X 射线一样，当2dsinθ 等于中子波长的整数倍时，这两支反射波相干而加强，由许多层的相干作用，出现明显的衍射峰。中子衍射的布喇格公式与式（4-16）一样，只不过此时λ 为中子衍射的波长。中子衍射是一种测量构件内部残余应力的常用方法。通过研究衍射束的峰值位置和强度，可获应力或应变的数据。相比X 射线法，中子法具有以下特点：

① 与X 射线由电子壳层散射的情况不同，中子是由原子核散射的，一般说来中子比X 射线具有高得多的穿透性，因而也更适用于板厚较大的焊接结构。可以用来测量焊接构件沿层深的残余应力，其测量深度对于钢材可达30 mm，对于铝合金可达300 mm；

② 对同一元素，中子能区别不同的同位素，这使得中子衍射在某些方面，特别在利用氢-氘的差别来标记、研究有机分子方面有其特殊的优越性；

③ 中子衍射的主要缺点是需要特殊的强中子源，并且由于源强不足而常需较大的样品和较长的数据收集时间；

④ 中子具有磁矩，能与原子磁矩相互作用而产生中子特有的磁衍射，通过磁衍射的分析可以定出磁性材料点阵中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁结构的极为重要的手段；

⑤ 由于材料中参与反射的区域较大，故中子衍射法可测定很大区域内基体中平均残余应力[61]。

（6）磁性法。

磁测法是通过测定磁铁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化来确定残余应力的大小和方向。当应力变化时，由于物体的伸缩引起磁路中磁通的变化，并使感应器线圈的感应电流发生变化，由此变化可以测出应力的变化[62]。它的最大特点是测量速度快，非接触测量，适合现场，但测试结果受很多因素影响，可靠性和精度差，量值标定困难。众所周知，铁磁材料具有磁畴结构，其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为张量与应力张量相似。本方法通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过特定残余应力软件的计算，得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。磁性法对材质较敏感，且仅能用于铁磁材料，需要外部激励磁场来工作，因此带来了磁化不均匀、设备笨重、消耗能源、剩磁和磁污染等问题。HC21B型磁测法残余应力检测仪的工作原理如图4-42 所示。

图4-42　HC21B 型磁测法残余应力检测仪的测试原理图

（7）冲击压痕法。

冲击压痕法是一种新型无损残余应力测量方法[63-65]，该方法和应力释放法相反，它是通过叠加一个附加应力场，根据叠加应力场引起的应变增量计算原始残余应力。它的主要试验规律是，相同尺寸的压痕在残余应力场中产生的应变增量（沿主应力方向）与残余弹性应变成正比。该方法操作简单，适用范围广，表面残余应力测量精度高，基本无损（深度一般为0.2 mm）。目前已有商品化出售的整套测量设备，适合硬度在50HRC 以内且有无损要求的焊接件焊缝或轴对称类工件轴向和切向残余应力的测定。在实际测试中测试步骤和方法须严格规范，特别要保证压痕直径尺寸（1.0～1.2 mm）。对高残余应力状态下，如焊缝、淬火后状态的零件，测定的灵敏度更好些。采用冲击压痕法测定残余应力时，如果是没有标定过的材料必须先进行材料标定，标定试板的组织状态应与实测工件的组织状态相同。