管道焊接残余应力测量技术概述

罗凌虹，张双双，徐 序，程 亮

(景德镇陶瓷大学 材料科学与工程学院；江西省燃料电池材料及器件重点实验室，江西 景德镇 333403)

0 引 言

残余应力是指消除外力载荷或不均匀的温度场等作用后仍存在于材料构件内部的自相平衡的内应力。为了对结构完整性进行合理的评价，需要对构件内部的应力进行分类。根据形成原因可以将残余应力分为一次应力和二次应力。一次应力来自于结构的宏观机械载荷，通常是符合结构设计即结构能够承受的载荷，没有自限性，随外力载荷的增加而增加。二次应力来自各种源，如残余应力和热应力。这类残余应力在不施加外部机械载荷的情况下仍然存在于物体中[1]，具有自限性。无论何种起源，在一个更基本的层面上，残余应力来自于物质的不同区域之间的应变[2]。这种应变的规模影响残余应力的波长。因此，残余应力按其波长范围可以划分为I型、II型和III型残余应力。I型残余应力也被称为宏观应力，其波长范围从微米级到米级，从微观结构到宏观结构距离；II型残余应力源于多晶材料中不同晶粒间的不同取向的热、弹特性，其波长随材料晶粒尺寸不同而变化，通常在晶粒尺寸的3-10倍范围内；III残余应力在原子尺度范围内是有效的，波长小于或等于材料的晶粒尺寸。工程应用中通常侧重于宏观水平上连续变化的I型残余应力的分析，忽略残余应力的微观结构效应[3]。同时，了解材料微观结构如何影响构件中的残余应力也是很重要的。

材料构件中的残余应力可以通过多种方式产生，比如锻造和轧制等制造过程在元件中引入的残余应力，又如通过焊接等技术将当多个组分结合在一起形成更大的结构时在组件连接处形成的残余应力。焊接是能源、交通、建筑及过程设备制造等领域中不可缺少的管道连接方法。金属的电弧焊接需要输入局部的、强烈的热，用于将熔融的填充金属在两个部件之间进行沉积，形成焊接材料与母材的熔合。这种情况下，焊料周围的材料将产生弹性、塑性和蠕变变形[4]。当焊接区冷却时，在其周围会产生残余应力场。这是由于材料结构的约束、母体和焊接材料的收缩差以及不同材料的晶粒间的不匹配[5]造成的。

管道焊接残余应力场的大小和性质取决于许多因素，如焊接接头的几何设计(如坡口槽、V型槽和J型槽等)和焊接参数。焊接参数影响连接材料的加热和冷却。金属所经历的加热和冷却循环、每一次焊接的路径、焊料填充的数量和速度、输入的热量以及焊料化学成分的变化等，这些都会影响焊接接头的微观结构变化。因此，评估焊接接头的结构性能是一个非常复杂的过程[6]。

在材料科学中，残余应力的测试和分析是一个非常重要的研究方向，因为残余应力会影响构件的性能和寿命。某些情况下，残余应力可以提高材料的性能，如可以在构件的外表面引入压残余应力，使表面缺陷受到压应力的作用，以对抗力学负载下的裂纹扩展[2]，典型的应用实例为金属的喷砂和用于制造钢化玻璃的热处理。但大多数情况下，残余应力会对部件的性能造成不利影响。在钢质管道焊接中，焊接残余应力可以达到母材屈服应力的水平。这些二次应力可以与一次应力结合在一起，增加了构件对疲劳、开裂的敏感性[7]。拉伸残余应力尤其能与力学负载引起的一次应力结合，加速裂纹的产生和扩展，从而导致部件过早的失效[3]。因此，对管道焊接残余应力场的大小和轮廓特征，以及其对裂纹产生和扩展的影响的分析，对于准确和可靠的结构完整性评估是非常必要的。为了对焊接结构中的残余应力场进行量化，研究者开发了一系列的残余应力测量技术。本文简要介绍了其中几种方法，尤其着重介绍了衍射技术和深孔钻(Deep Hole Drilling，DHD)技术。

1 残余应力测量技术

1.1 钻孔法

钻孔法是一种应变机械测量技术，能够测量构件表面的残余应力。其测试原理是在一个构件的表面钻一个孔，造成周围材料的弹性应变释放，由残余应力测试仪将这种释放量测出并通过计算得出该部位的残余应力大小和方向。应变的释放通过弹性方程与局部残余应力场相关联，应变与应力间的关系可以由Kirsch公示确定。该方法是应用最为普遍的应变机械测量技术，但也有其局限性：如果孔的深度超过其直径或残余应力大于50%的屈服强度时，将导致在孔周围产生材料的局部屈服，可能造成测量结果的不准确[8]。

1.2 超声波技术

该方法也叫声弹性法。Palanichamy等[9]解释了声弹性原理，提出可以利用超声波在材料中的应力依赖关系来量化组件表面和组件内部的残余应力。通过变频器将频率范围在2-3 MHz的超声波引入材料，得到一种无应变材料的声弹性系数，与应变材料中声波的速度相比，可以推导出残余应力。该方法的主要优点是可以测量非透明材料中的应力，特别是金属内部的应力，已可用来测量钢、铝等材料的声弹性系数以及晶粒大小带来的影响。然而，这种技术仅限于靠近材料表面的残余应力测量，因为该技术在多轴应力场[8]中尚无法准确测量残余应力。

1.3 透射电子显微镜(TEM)

通过TEM对材料微观结构缺陷的观察，可以间接的对组件中的残余应力进行定性分析。如Roy等[10]用透射电子显微镜(TEM)测量金属材料中的位错密度。较高的位错浓度与较高的残余应力有关。例如，与母体材料相比，在一个焊缝的热应力影响区域中发现了高的位错浓度，在那里通常会发现高残余应力。然而，这种残余应力测量技术的使用是有限的，因为它不定量测量残余应力，也不指明它的作用方向。

1.4 正电子湮没光谱(PAS)

Roy等[11]将PAS描述为一种非破坏性的方法，在这种方法中，一个样本会被伽马射线照射，从而导致样本内的放射性衰变。其中一个衰变产物是正电子，当电子在样本中被发射时，它被湮没在中子存在的地方，形成两个光子。高光子数表明存在空穴；低光子数则显示了晶格的无缺陷区域。空穴的密度反映了样品中特定区域的缺陷浓度，对应着该区域的应力水平。然而，Roy等人指出，该技术不能区分拉伸和压缩残余应力，只能将应力值作为整个样本的平均值，没有任何迹象能够表明应力的作用方向。

1.5 轮廓法

轮廓法即等高线法，是一种破坏性的残余应力测试技术。该技术分为3个步骤。首先，对一个包含残余应力的样本进行切割，需要特别注意的是切割过程中不能引入新的应力，例如可以采用电火花加工法等。根据残余应力的水平和分布，切割面将在一定程度上发生应力释放，即局部切割面将被自由表面所取代；然后，用高精度轮廓仪测量绘制切割面轮廓图；最后，将这些测量数据应用于有限元模型，将自由表面还原为切割前的轮廓[12]，同时采用数值模型计算出产生相应等高线所需要的应力。计算出的应力在大小上与样本中的应力是相同的，但在方向上是相反的。

该法具有成本低、运行简便、检测速度快、可操作性强的特点。它能够测量一个样品中残余应力的完全横截面轮廓。然而，轮廓法具有破坏性，阻碍了该技术在工程建设中的应用。

1.6 衍射技术

晶体结构的衍射表征技术由W．H． Bragg和W． L．Bragg(1913)首创[13]。他们提出，X射线衍射可用于研究晶体粉末和固态块体材料(颗粒)的结构。其衍射示意图如图1所示。当波长为λ的单色的、平行的相干电磁波光束以一定的入射角θ投射到两个平行的晶面上(为了清晰起见，只展示了两个分别为1和2的入射光束)，即图中的x -x' 和y-y'晶面，晶面上的原子对这两条射线产生的散射作用在考虑相干衍射时可以整体上看作是镜面反射作用，那么光束2比光束1传播的路径更远。两束光束的光程差即为图中AB和BC距离的加和。如果路径ABC等于波长的n倍(n为整数)，即nλ=AB + BC时，光束1和2的反射波就产生相长干涉。

上述光程差可以用晶面间距dhkl来表示，如式(1)

上式即著名的布拉格衍射公式。

图1 晶体结构的电磁波衍射示意图Fig.1 Diffraction schematic diagram of crystal structure

衍射光束的相长干涉在衍射强度与入射角的关系图上，形成一系列的峰值。每一个峰值都与材料中特定的晶面有关。在衍射实验中，衍射角是固定的，入射光束的波长是已知的或可以测量的，根据衍射峰的与衍射角的对应关系即可求得材料中特定晶面的间距。当材料内部存在残余应力，其对应的应变引起了特定晶面间距的相应变化。测量一个含残余应力的构件的晶面间距d的同时，测量同一材料没有残余应力的情况下的晶面间距d0，进行比较和计算，可以对材料中的残余应力进行定量分析。这时的应变ε可以用式(2)来表示[14]：

主应变方向由对称参数推导得出，需要进行三个应变方向的测量，然后计算每个采样位置的主要残余应力[8]。

对于金属材料，X射线的浅穿透深度使XRD技术适用于其表面的应力测量。当一个样本中的残余应力在垂直于表面方向的分量为零时，就可以在不需要无应变参考样本的情况下测量表面残余应力，测量方法为sin2Ψ法。

图2 为sin2Ψ法测量具有双轴应力状态的材料表面残余应力的示意图。σ11、σ22、σ33分别为直角坐标系三个轴向的主应力。对于一个在平行于表面的平面内任意角度方向的应力，X射线以角度Ψ入射，受到垂直于ΨΦ平面的晶面的衍射。此时，任意晶面的间距可以用式(3)进行表示[16]：

其中，d33为该晶面平行于表面时的晶面间距，E为材料体弹性模量，υ为泊松比。通过一系列角度Ψ下dΨΦ的测量，可以绘制出dΨΦ关于sin2Ψ的线性关系。将上述关系曲线外延到sin2Ψ=0和sin2Ψ=1，即可得到不同轴向的残余应变，进而可以对材料表面的残余应力进行计算。

图2 双轴应力状态下关于ΨΦ角的衍射平面[15]Fig.2 Diffraction planes at an angle ΨΦ in a specimen in a biaxial stress state[15]

多种光源的电磁辐射都可以用于衍射实验。源的选择要基于空间分辨率、穿透深度以及实际操作的综合考虑。电子可作为辐射源，实现高空间分辨率，但仅限于在100 nm厚度下的金属衍射样品。较厚的样品将电子束衰减到无法检测的水平，且电子容易分散在金属中[14]。X射线衍射(XRD)具有较强的穿透深度，通常为数十微米级，具有良好的空间分辨率。在一般实验室中即可实现XRD残余应力测试，而不需使用专用设施。同步加速器的硬X射线(高能X射线)源具有更强的穿透深度，具有快速的数据采集时间，可以进行原位应力测试，但只能在专用设备上使用。中子衍射因为穿透深度能够达到厘米级，成为工程部件中测量残余应力最受欢迎的电磁辐射源[8]，但是其空间分辨率不像XRD那么高，并且中子源属于大型专用设施，在全球范围内数量有限。

1.7 DHD技术

深孔钻进技术是一种半破坏性的测量工程构件残余应力的方法。与衍射技术相比，DHD技术的一个优势是它能够测量更大的深度上的残余应力，以及残余应力在深度方向的分布。Kingston和Smith[17]声称DHD技术可以测量从表面到构件内部450 mm深度的残余应力。DHD技术不需要像中子衍射那样使用专用设施，它所需要的设备是便携且价格便宜，使测试可以在工程现场进行。

DHD测试过程中，先在构件待测区域粘贴定位块，用于保证构件上钻孔的圆度和垂直度。在构件上钻通孔即参考孔，在不同深度和不同角度分布测量孔径大小。孔径的测量可以使用空气探头。然后在参考孔周围钻一个与其同心的环形孔，并再次测量参考孔的孔径。最后根据孔径的两次测量结果计算残余应力。该方法中假设参考孔足够小，且构件足够大，参考孔的存在不会引起构件中残余应力场的驰豫或重新分布。典型的参考孔直径为1．5 mm。DHD技术基于两个假设：应力松弛弹性，并且所有的残余应力都在参考孔的同心环形孔区域内完全放松[18]。最后，用空气探头重新测量了参考孔的孔径。直径的变化与驰豫的残余应变有关，这是计算原始残余应力的基本原理[19]。

DHD技术也存在局限性，如不可能准确测量平行于参考孔的残余应力分量，只能与参考孔垂直的平面上的应变及其相关的剪切应变。而且，同心环形孔的直径(即测量体积)会影响残余应力的计算结果。Mahmoudi等[20]利用有限元分析模拟了DHD技术，研究了不同孔径对测量残余应力的影响。采用3、10、20、50倍于参考孔径的同心环形孔时，在铝合金气缸构件内，等轴张力下产生了不同的残余应力测量结果。其中，3倍于参考孔直径情况下与数值模型所预测的结果最接近。

2 结 语

在过去的一个世纪里，已经开发出一系列的残余应力测量技术。技术的选择取决于所需要的残余应力测量的内容。例如，一种具有破坏性的技术，如轮廓法，可能适合于实验室样本或模型。然而，它不适用于测量服务组件的残余应力；非破坏性的技术，如衍射，可以用来测量不受干扰的高分辨率的应力场；半破坏性的技术，如DHD，在分辨率和灵活性方面有较好的平衡，可以现场测量元件的残余应力，而不需要使用专用的设施。同时，近几十年来随着计算机和计算技术的发展，有限元数值模[21,22]，对于管道焊接残余应力的测量和分析，实验测量技术和有限元数值模拟的有机结合将成为该领域的一个重要发展方向。