射线法与应力释放法测量焊接应力的对比研究

2016-03-14 11:36:00

合肥工业大学孙明如

原创

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摘要：在工程机械中焊接结构件的重量约占整机重量的60%--75%，则于焊接接头中的高残余应力会引起钢结构的变形、脆性断裂，疲劳破坏和应力腐蚀开裂等，所以了解焊接结构中的残余应力分布，确保焊接钢结构的质量的安全可靠是极为重要的。

在工程机械中焊接结构件的重量约占整机重量的60%--75%，则于焊接接头中的高残余应力会引起钢结构的变形、脆性断裂，疲劳破坏和应力腐蚀开裂等，所以了解焊接结构中的残余应力分布，确保焊接钢结构的质量的安全可靠是极为重要的。

常用的焊接结构残余内应力的测试方法，按其原理可分为两大类：应力释放机械测量法和无损的物理测量法。由于电阴应变片电测法与机械法的配合使用，大大降低了机械法对构件的破坏性；物理法中比较常用的是X光射线衍射测量法。本文对两种测量测量方法测量结果的曲同点作了比较详细的对比讨论，并从理论上进行了解释。

1 实验过程

母材为500MPa级的15MnVN正火低合金高强度钢，厚度20mm，采用半自动CO2气体保护焊，焊丝用H04Mn2SiTiA。接头尺寸如图1所示。接头是在点因定位焊拘束状态下进行的焊接的，在各测量点研磨、电解抛光后用XYL--75型X射线应力测定仪测量残余应力，然后在同一点再用应力释放法（双栅应变花）测量应力。测量位置分别是如图1的示的焊缝纵向中心线，熔合线和垂直于焊缝的B线。

2 结果用分析

实验结果表示在图2中，平行于焊缝纵向的应力用σL表示，垂直于焊缝的横向应力用σT表示。从图2（a）和（b）可以看出，除焊缝用热影响区外，用两种方法测得的残余应力的颁是相当吻合的。这说明用X射线衍射法测量应力的精度与应力释放法是在同一水平上的。而在焊缝和熔合线上，两种方法的测量结果存在明显的差别，如图2（c）（d）所示。在焊缝纵向除两端及其附近外，用应力释放法测故里和残余应力的数值近似等于屈服极限，而用X射线法测得的应力数值没有达到屈服极限。

出现这种现象的原因是：在焊后的冷却过程中不均匀温度场分布引起的焊缝及热影响区的拉伸塑性变形，此时金属由铁素体相α和珠光体相θ级成，而珠光体的屈服极限和杨式模量均高于铁素体，此时焊缝中的每个相都发生变形，原理如图3所示。因为铁素体是基体，而用X射线测量应力是通过测量晶面间距的变化来确定应力数值的，所以用X射线法测得的应力值仅是对应铁素体相和珠光体相的加权平均值。由于这一原因，用两种方法在焊缝和热影响区测得的玩世不恭八应力值不一致致。

必须注意，用X射线法测量的应力不是钢中的应力而是铁素体相的应力。若基板并未发生塑性变形的话，则射线法，没得的应力可以看作是钢中的的应力。焊接区中的残余应力值可从X射线法测得的应力值作适当的修正来计算。

3 结论

用X射线法在焊接接头母材上测量的残余应力与用机械法测量的结果有很好的一致性，而用两种方法在焊接区测得的残余应力值存在一些差距，这一矛盾现象可解释为钢中的基线应力是铁素体和珠光体处于平衡状态下的应力。

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