鋼結構焊接殘余應力的X射線衍射法定量測試

鄢繼煒

摘 要：焊接殘余應力在鋼結構中是普遍存在的，為了保證結構的安全使用，需要對焊接接頭的殘余應力進行定量測試，X射線衍射法作為一種無損分析方法可以很好的解決這個問題，但是在測試時需要對X射線衍射法進行可靠性分析，以及表面處理的程序進行標準化。

關鍵詞：鋼結構；殘余應力；X射線衍射法；定量測試

鋼結構的特點是強度高、自重輕、整體剛性好、變形能力強，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜，而焊接作為鋼結構之間的一種連接方法得到廣泛運用。但是，焊件在焊接過程中由于熱應力、相變應力、加工應力等超過屈服極限，以致冷卻后焊件中留有未能消除的應力，這種焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應力稱為殘余焊接應力[1]。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。殘余應力將影響到腐蝕、開裂、疲勞強度等力學性能，同時也會對材料的物理機械性能產生巨大影響，對結構的強度造成很大危害，歷史上許多災難性破壞事故大多是由結構中的殘余應力引起。殘余應力的測量技術發(fā)展至今可分為機械釋放測量法和非破壞無損傷測量法兩種。機械釋放測量法主要包括鉆孔法、分割切條法釋放法、逐層銑削法等；非破壞性方法，包括X射線衍射法、中子衍射法、磁性法等[2-8]。綜合比較來說，X射線衍射法最為合適，但是在測試時需要對X射線衍射法進行可靠性分析，以及表面處理的程序進行標準化。

1 X射線衍射法定量測試可靠性分析

X射線應力測試儀（XRSA）是X射線衍射法中最為成熟的一種儀器，其定量偏差的校驗實驗設計如下：應用XRSA、電阻應變片（strain gauge，SG）和應變花（strai n rosette，SR）測量等強度梁連續(xù)加載和卸載中的應力變化量，并將兩者的測量結果與理論計算值相比較，分析XRSA的定量偏差。等強度梁的加載重量依次為：0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 kg，最大加載量為5 kg。

XRSA和電阻應變片的測試位置見圖1。XRSA測試前的校準程序為：對標準試樣（零應力的α Fe粉末壓制片）進行測試，測試角度為2θ=156.45°，校準儀器狀態(tài)，直到對標準試樣的測試值在±8 MPa以內。電阻應變片采用半橋連接法，并加溫度補償片。

圖1 XRSA和電阻應變片測試位置示意圖

規(guī)定沿著等強度梁軸方向的應力為σx，方向見圖1。見表1，等強度梁加載過程中的應力σx0通過下列公式計算：

其中，G是加載的重量，h=3.5mm為梁的厚度，α是梁的傾角（tgα=0.0765）。電阻應變片和應變花的應力測量值表示為σx1和σx2，每次載荷的應力值測量10次，并取平均值。應變片和應變花的測量值σx1和σx2之間偏差小于1%。由圖2，等強度梁的理論計算值與應變片、應變花測量值的標準偏差基本都小于3%，且線性較好，說明實驗所用的等強度梁符合要求。XRSA的應力測量值用σx3表示，每次載荷的應力值測量3次，并取平均值，3次測量值之間的偏差在±8MPa以內。儀器的計算結果受所設定的彈性模量和泊松比影響，本實驗中使用等強度梁實際的數值（1Cr13馬氏體不銹鋼，E=216GPa，ν=0.28）與儀器默認的數值（E=211GPa，ν=0.30）應力測量值相差4%，表1中的測量值是采用等強度梁實際彈性模量和泊松比計算的結果。

由于電阻應變片和應變花只能測量應力的變化量，所以將未加載時的等強度梁應力平衡為0，而XRSA可以測等強度梁本身的殘余應力，在后面的加載和卸載中測量的也是梁內部的真實應力值，是初始殘余應力和載荷應力疊加的結果，更接近于梁實際的應力水平。由圖2，XRSA測量的變化趨勢與理論值基本一致。為了將XRSA的測量值與理論值進行對比，將σx3換算為初始應力為0的等效應力σx3′。由于經過校準的儀器的結果誤差在±8Mpa以內，所以當測量值小于30MPa時，測量的標準偏差較大；而對于30MPa以上的應力，儀器的標準偏差基本都小于10%，具有較好的準確度。

實驗表明，XRSA對較大殘余應力（>30MPa）的測量標準偏差基本在10%以內，滿足項目對球罐殘余應力的定量測試要求，但對于較小的殘余應力（<30MPa）的測量由于受儀器本身系統(tǒng)誤差的影響，導致標準偏差較大。

2 表面處理對X射線衍射法定量測試的影響

實驗采用北京萬泰機電技術開發(fā)公司生產的DC-302A型便攜式電解拋光儀，電解質為100%NaCl溶液，采用恒流模式，每拋光1min使用千分尺對鋼板的厚度進行測量，每次測量3次，取平均值。電流為0.8、1和1.2A時對16MnDR鋼板的拋光速率見圖3，并對實驗數據進行線性擬合，算出3種電流對應的拋光速率分別為6.44、7.87和12.39μm/min。表明電流越大，拋光速度越快，但表面粗糙度也越大，因此在綜合考慮速度和粗糙度的情況下，選取的恒定電流為1A。

運用XRSA對為進行去應力熱處理的焊接試板焊縫中心的橫向殘余應力σy進行測量。焊接試板的材料為16MnDR，試板尺寸600×360×58mm，焊縫寬40mm，手工電弧焊。測試前先用砂輪除銹，再用150目的砂紙進行拋光，最后用電解拋光儀進行電解拋光，拋光條件為橫流1A，每隔30s測一次殘余應力。焊縫中心σy的殘余應力與電解拋光時間的關系見圖4，經過200s的電解拋光焊縫的應力測量值開始趨于穩(wěn)定，說明表面應力加工層已經去除完全。

每個測試點的間距為10mm，并用電解拋光儀拋光每隔120s測一次數據，各個測試點殘余應力σx與σy與拋光時間的關系見圖5。每個測試點在拋光4min之后殘余應力值都趨于穩(wěn)定，說明表面加工應力層已經去除完全。并且經過電解拋光之后，殘余應力σx和σy從拉應力變?yōu)閴簯Γ姚襵和σy沿垂直焊縫方向的分布也與理論分析相符。

3 結束語

X射線衍射法可以很好對鋼結構焊接殘余應力進行定量分析，并為焊接接頭的安全評定提供科學依據。通過對X射線衍射法進行可靠性分析，以及表面處理的程序進行標準化，可以保證焊接殘余應力的定量測試精度，具有重要的意義。

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