钢结构焊接残余应力的X射线衍射法定量测试

鄢继炜

摘 要：焊接残余应力在钢结构中是普遍存在的，为了保证结构的安全使用，需要对焊接接头的残余应力进行定量测试，X射线衍射法作为一种无损分析方法可以很好的解决这个问题，但是在测试时需要对X射线衍射法进行可靠性分析，以及表面处理的程序进行标准化。

关键词：钢结构；残余应力；X射线衍射法；定量测试

钢结构的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜，而焊接作为钢结构之间的一种连接方法得到广泛运用。但是，焊件在焊接过程中由于热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力，这种焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力[1]。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能，同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响，对结构的强度造成很大危害，历史上许多灾难性破坏事故大多是由结构中的残余应力引起。残余应力的测量技术发展至今可分为机械释放测量法和非破坏无损伤测量法两种。机械释放测量法主要包括钻孔法、分割切条法释放法、逐层铣削法等；非破坏性方法，包括X射线衍射法、中子衍射法、磁性法等[2-8]。综合比较来说，X射线衍射法最为合适，但是在测试时需要对X射线衍射法进行可靠性分析，以及表面处理的程序进行标准化。

1 X射线衍射法定量测试可靠性分析

X射线应力测试仪（XRSA）是X射线衍射法中最为成熟的一种仪器，其定量偏差的校验实验设计如下：应用XRSA、电阻应变片（strain gauge，SG）和应变花（strai n rosette，SR）测量等强度梁连续加载和卸载中的应力变化量，并将两者的测量结果与理论计算值相比较，分析XRSA的定量偏差。等强度梁的加载重量依次为：0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 kg，最大加载量为5 kg。

XRSA和电阻应变片的测试位置见图1。XRSA测试前的校准程序为：对标准试样（零应力的α Fe粉末压制片）进行测试，测试角度为2θ=156.45°，校准仪器状态，直到对标准试样的测试值在±8 MPa以内。电阻应变片采用半桥连接法，并加温度补偿片。

图1 XRSA和电阻应变片测试位置示意图

规定沿着等强度梁轴方向的应力为σx，方向见图1。见表1，等强度梁加载过程中的应力σx0通过下列公式计算：

其中，G是加载的重量，h=3.5mm为梁的厚度，α是梁的倾角（tgα=0.0765）。电阻应变片和应变花的应力测量值表示为σx1和σx2，每次载荷的应力值测量10次，并取平均值。应变片和应变花的测量值σx1和σx2之间偏差小于1%。由图2，等强度梁的理论计算值与应变片、应变花测量值的标准偏差基本都小于3%，且线性较好，说明实验所用的等强度梁符合要求。XRSA的应力测量值用σx3表示，每次载荷的应力值测量3次，并取平均值，3次测量值之间的偏差在±8MPa以内。仪器的计算结果受所设定的弹性模量和泊松比影响，本实验中使用等强度梁实际的数值（1Cr13马氏体不锈钢，E=216GPa，ν=0.28）与仪器默认的数值（E=211GPa，ν=0.30）应力测量值相差4%，表1中的测量值是采用等强度梁实际弹性模量和泊松比计算的结果。

由于电阻应變片和应变花只能测量应力的变化量，所以将未加载时的等强度梁应力平衡为0，而XRSA可以测等强度梁本身的残余应力，在后面的加载和卸载中测量的也是梁内部的真实应力值，是初始残余应力和载荷应力叠加的结果，更接近于梁实际的应力水平。由图2，XRSA测量的变化趋势与理论值基本一致。为了将XRSA的测量值与理论值进行对比，将σx3换算为初始应力为0的等效应力σx3′。由于经过校准的仪器的结果误差在±8Mpa以内，所以当测量值小于30MPa时，测量的标准偏差较大；而对于30MPa以上的应力，仪器的标准偏差基本都小于10%，具有较好的准确度。

实验表明，XRSA对较大残余应力（>30MPa）的测量标准偏差基本在10%以内，满足项目对球罐残余应力的定量测试要求，但对于较小的残余应力（<30MPa）的测量由于受仪器本身系统误差的影响，导致标准偏差较大。

2 表面处理对X射线衍射法定量测试的影响

实验采用北京万泰机电技术开发公司生产的DC-302A型便携式电解抛光仪，电解质为100%NaCl溶液，采用恒流模式，每抛光1min使用千分尺对钢板的厚度进行测量，每次测量3次，取平均值。电流为0.8、1和1.2A时对16MnDR钢板的抛光速率见图3，并对实验数据进行线性拟合，算出3种电流对应的抛光速率分别为6.44、7.87和12.39μm/min。表明电流越大，抛光速度越快，但表面粗糙度也越大，因此在综合考虑速度和粗糙度的情况下，选取的恒定电流为1A。

运用XRSA对为进行去应力热处理的焊接试板焊缝中心的横向残余应力σy进行测量。焊接试板的材料为16MnDR，试板尺寸600×360×58mm，焊缝宽40mm，手工电弧焊。测试前先用砂轮除锈，再用150目的砂纸进行抛光，最后用电解抛光仪进行电解抛光，抛光条件为横流1A，每隔30s测一次残余应力。焊缝中心σy的残余应力与电解抛光时间的关系见图4，经过200s的电解抛光焊缝的应力测量值开始趋于稳定，说明表面应力加工层已经去除完全。

每个测试点的间距为10mm，并用电解抛光仪抛光每隔120s测一次数据，各个测试点残余应力σx与σy与抛光时间的关系见图5。每个测试点在抛光4min之后残余应力值都趋于稳定，说明表面加工应力层已经去除完全。并且经过电解抛光之后，残余应力σx和σy从拉应力变为压应力，而且σx和σy沿垂直焊缝方向的分布也与理论分析相符。

3 结束语

X射线衍射法可以很好对钢结构焊接残余应力进行定量分析，并为焊接接头的安全评定提供科学依据。通过对X射线衍射法进行可靠性分析，以及表面处理的程序进行标准化，可以保证焊接残余应力的定量测试精度，具有重要的意义。

参考文献

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