破坏性测量焊接残余应力的方法及应用

秦飞虎，刘勇，杨金，李强，赵太源，李亚军

（中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610100）

焊接残余应力及变形一直是世界各国焊接专家、学者关注的问题。焊接残余应力是由于焊接冷却时焊缝和焊缝附近的钢材受到周边材料的约束，不能自由收缩而产生的内应力。焊接残余应力可分为沿焊缝长度方向的纵向焊接应力、垂直于焊缝方向的横向残余应力和沿厚度方向的焊接应力[1]。焊接残余应力可引起焊接结构件的变形，甚至发生断裂现象。因此为了进一步了解焊接工程中的残余应力，对工程结构件综合性能评估具有重要意义。

目前，焊接残余应力的测量方法可分为非破坏性（无损测量法）和破坏性（有损测量法），非破坏性测量法中X射线法应用最为广泛，但只能测量材料表层残余应力，不能真实地反映焊接工件内部的应力分布；磁性法只适用于铁磁材料，而超声波检测法还处于实验室阶段，都不利于普遍推广应用[2-4]。破坏性测量方法虽然对工件有损伤，但能真实反映出残余应力的分布状况，本文就三种破坏性测量方法盲孔法、剥层法和切条法进行介绍，了解它们测量的基本原理和特点，对选择合适的测量方法评估焊接残余应力具有重要意义。

1 测量方法

1.1 盲孔法

盲孔法又称钻孔法或小孔法，属于典型的局部破坏性测定方法，是破坏性测量方法中应用最为广泛的方法。盲孔法是在焊接应力场内任意点处钻一个小孔，该点的应力被释放，残余应力重新分布，利用应力应变关系式换算出材料在焊接过程中产生的残余应力[5,6]。该方法由德国学者Mather J在1932年提出，后由Soete W和Vancrombrugge R等学者发展完善而形成系统理论。1981年美国材料与试验协会首先将盲孔法纳入ASTM E837-81，1992年中国船舶重工集团公司将其制定为测试残余应力的中国船舶行业标准CB 3395-1992，并在2013年对其进行了补充和完善。2014年中国钢铁工业协会将其制定为测试残余应力的国家推荐标准GB/T 31310-2014，一系列测试标准的制定使盲孔法测残余应力更规范化和准确化。

张建勋[7]采用盲孔法测试了焊管的残余应力，测量研究发现，钢管焊接直接影响焊缝的横向变形与残余应力，焊接残余应力峰值靠近焊缝区而不在焊缝中心。蔡建鹏[8]等人采用盲孔法和有限元分析方法来模拟板厚为10mm的Q345和SUS304异种钢的焊接残余应力及分布，在Q345母材与焊缝交界处的应力分布均出现不连续的现象，而且焊接接头中SUS304侧的高拉伸残余应力区域明显宽于Q345侧。吴迪[9]等人采用盲孔法测定了Q345钢板焊缝、熔合线及热影响区的焊接残余应力，研究发现，焊接残余应力比较集中的地方是在焊缝与熔合区，残余应力较小的地方是在热影响区。然而，由于在实际测定时的影响因素很多，如钻孔深度及偏心、孔径误差、钻削引起附加应变、应变片粘贴位置、应变仪精准度等，通常要对测试结果值作相应修正后使用。Zhao Q[10]等人提出一种塑性修正公式引用于残余应力结果值的修正，Q235和Q345计算的弹性应变释放系数与修正的塑性应变释放系数的残余应力误差分别为1.0%、1.2%，可见这种修正公式可适用残余应力测量的计算。

1.2 剥层法

剥层法属于全破坏性测定方法，剥层可以沿表面层均匀剥层，也可以斜面腐蚀剥层。其原理是通过对被焊工件表面进行腐蚀使材料内部逐层露出，然后通过测量焊件的弯曲挠度或线性方程来推算各层的残余应力。该方法在上世纪30年代首先由Stablein F和Davidenkov N.N提出，1984年以色列A.Bar-Shay和A.Ber对其进行完善和补充，1992年我国学者胡华南等人提出对测试结果的修正[11]。

童乐为[12]等人采用剥层法和钻孔法相结合的方法测定了Q460高强度H型钢的应力场分布，结果发现翼板和腹板的残余应力沿壁厚方向呈线性分布，腹板部位残余应力沿厚度变化不大。

1.3 切条法

切条法是一种全破坏性的测试方法，该方法测试结果准确可靠，常被用作校核其它测定方法结果的依据。其原理是通过将焊件分割成许多小条来释放小条之间因约束而产生的残余应力，通过测量每一个分割条的长度变化来计算各个小条中的平均焊接残余应力。一般焊件分割小条尺寸越小，测量的结果值越准确。

王震[13]等人将切条法测得对接焊缝钢板Q345B的焊接残余应力作为标准值，数值模拟分析得到的焊接残余应力分布和大小与切条法测定结果基本一致。李菊[14]等人采用切条法测定热沉位置对钨极氩弧焊钛合金TC4的焊接纵向残余应力影响，焊接焊缝距热沉相距30mm时，近缝区的不协调应变较小，控制焊接应力与变形效果最好。

2 测量方法比较

盲孔法操作简单，对焊件损伤程度较小，测试精度相对较高，因而被广泛应用在工程上。当所测材料残余应力不超过屈服应力的60%时，测量结果较为准确；若残余应力超过屈服应力的60%时，测量结果误差较大，建议采用其它测试方法[15]。

剥层法由于被剥除部分残余应力的释放会导致剩余部分的残余应力重新分布，从而导致所测得的残余应力并不等于剥层以前该处的残余应力，所测结果比实际结果略小。该方法可测量厚度方向上的残余应力。

切条法测定焊接残余应力时，一般是测定焊件某一区域的残余应力状态，需要把待测区域逐条逐块分割，工作量大而复杂，测定后的焊件不能再用，但它测量的结果数值更为准确，常被用作校核其它测定方法结果的依据。

3 结束语

对于一些重要和典型的大型压力容器、焊接结构件、压力管道进行前期焊接试验评估焊接残余应力，采用破坏性方法实测比较重要，其能真实地反映焊接存在的残余应力。在大多数情况下，选择何种测量方法需要根据待测件的实际情况和残余应力的技术要求来确定。另外，可以将不同的破坏性测量方法组合运用或者与其它非破坏性测量方法相结合，可借助有限元分析和计算机模拟计算和预测残余应力大小和分布，以此来满足工程实际需要。

◆参考文献

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