焊接残余应力检测与调控技术研究现状

王泽溪 郭逸轩

（长安大学 工程机械学院，西安 710064）

焊接是一种借助加热、高压或钎料使金属之间相互接合的成型方法。焊接结构的主要优点之一是显著减少或完全去除结构中的众多紧固件，从而降低制造和维护成本及减轻结构质量。目前，焊接结构广泛应用于国内外航空航天、海洋工程、冶金及铁路等众多领域。焊接残余应力根据其发生源可分为直接应力、间接应力和组织应力3 类。直接应力是焊接过程中不均匀加热和冷却导致的应力。间接应力是构件经过轧制、拉拔或外界约束等焊前处理所造成的应力，在一些场合下会叠加到焊件中。组织应力是材料相变导致比容变化产生的应力。焊接残余应力主要由焊接过程中的不均匀加热和冷却造成。焊接过程中，高温区金属膨胀，低温区金属收缩，彼此相互制约产生应力，随着焊枪前移，曾经的高温区膨胀金属降温收缩，但是会受到先其一步冷却的金属制约，正在加热膨胀的金属也会对它造成影响，最终在焊件内部产生残余应力。焊接残余应力会在环境温度和外加载荷的共同作用下发生动态分布，进而导致构件失稳变形、裂纹扩展及脆性断裂，严重影响构件的服役可靠性。

一般来说，拉伸残余应力和压缩残余应力会对构件产生不同影响。前者促进了构件的裂纹扩展、断裂及变形，会对构件机械强度造成不利影响，后者则能够增强构件的抗疲劳和抗断裂能力[1-3]。因此，对焊接残余应力进行检测与调控，对于预测和延长焊接件寿命具有重要意义。

1 焊接残余应力检测技术研究现状

残余应力检测技术在20 世纪30 年代开始得到应用，它为应力计算提供了有效验证和补充，并作为快速准确评价焊接结构服役安全性和可靠性的必要工具得到了广泛应用。目前为止，已经发展出多种检测方法。根据检测方法是否会对试件造成破坏，可分为有损检测法和无损检测法两大类[4-6]。

1.1 有损检测法

有损检测法主要原理是通过破坏试件的局部释放残余应力，测量破坏位置边缘的位移和应变，然后计算得到试件内部的残余应力。有损检测法主要包括钻孔法、压痕应变法和轮廓法等。

钻孔法是利用待测孔边缘一定位置处粘贴的应变片来测量钻孔后的应变增量，从而计算残余应力，具有易操作、成本低、测量精度高、可靠性好等优点，并以国家标准作为参考，是工程中最常用的检测方法[7-8]。它的测量精度与孔周围塑性变形、应变片的位置及尺寸等多种因素相关，众多学者对其进行了完善与修正。刘晓红等使用基于孔边形状改变比能S 的A、B 系数修正法，消除了孔边塑性变形对测试结果的影响，提升了测量精度并扩大了测量范围[9]。HAGARA 等通过数字图像相关技术对孔周围的应变进行分析，建立了钻孔法与数字图像相关技术相结合的非接触式钻孔法，获得了全局残余应力云图，证实了通过数字图像相关技术实现残余应力的高精度测量具有很好的发展前景[10]。

压痕应变法基于硬度测试原理，压痕的出现会导致含残余应力的试件产生应变增量，可利用记录的应变增量换算获取试件的残余应力[11-12]。ZHANG 等利用压痕法测试了不锈钢异种焊接残余应力，发现有限元模拟与压痕法测量结果吻合良好[13]。该方法对于试件造成的损伤极小，而且具有操作简单、适用范围广、测量精度高等优点，对于保证构件安全性有着重要意义。压痕法测试精度与塑性区大小密切相关，因此需要保证压痕与应变片测量区域在合理的距离内。

1.2 无损检测法

有损检测法是工程中常用的检测方法，但会对结构整体造成一定的损坏，多数情况下不允许采用。无损检测法以材料的某些物理性能受残余应力的影响而发生的变化为依据，通过检测变化的数据得到构件中的残余应力，主要包括X射线衍射法、中子衍射法和超声波法等。

材料内部的残余应力及产生的应变在微观尺寸上表现为晶格间距的变化。X 射线衍射法主要是利用布拉格方程，通过测量晶格间距随应力大小发生的变化来衡量残余应力的大小[14]。何山等采用X 射线衍射法测量了Q235B 无缝钢管焊接接头的残余应力，结果表明，采用手工方式打磨焊接表面可以提高测试的精度[15]。X 射线衍射法不仅能测量金属材料的残余应力，还能测量涂层和薄膜的残余应力[16]。它具有测量速度快、精度高等优点，但X 射线穿透能力有限，因此该方法仅能测量表层的残余应力。

中子衍射法与X 射线衍射法原理类似，但中子的穿透性更强，能够测量一定深度的残余应力分布，是研究残余应力的重要手段[17]。REID 等通过中子衍射法测量了高强度低合金钢板的焊接残余应力，结果表明：焊缝和热影响区产生的残余应力大于屈服强度，且残余应力大小随焊缝深度的增加而显著降低，符合焊接残余应力的理论分布规律，中子衍射法可以有效测量残余应力分布[18]。但是其测试设备较大，耗时较长且费用较高，不适合现场作业，无法测量材料表面及近表面的残余应力。因此，需结合X 射线衍射法来获取完整全面的残余应力分布[19]。

2 焊接残余应力调控技术研究现状

焊接残余应力调控分为焊前调控和焊后调控两类。前者从焊接设计和工艺出发控制焊接变形量和受热区域，达到削弱焊后残余应力的目的；后者通过加热或力的作用来控制焊后残余应力。

2.1 焊前调控

焊前调控旨在焊接过程中削弱或消除残余应力，避免焊后的再次调控。为达到控制残余应力的目的，不同的焊接结构需要选择不同的结构参数，主要有坡口类型、坡口角度、焊缝数量等。合理的焊接接头设计不仅能满足复杂工况下结构的服役要求，还可以缓解焊缝处的应力集中，延长结构的使用寿命。蔡建鹏等通过有限元法研究了V 形坡口和K 形坡口对异种钢焊接残余应力的影响，发现与V 形坡口相比，K 形坡口能较好地减小焊接残余应力和变形[20]。金俊对单边V 形坡口和Y 形坡口的不同坡口角度下焊接残余应力分布进行数值模拟，发现坡口角度逐渐增大，无论是单边V 形坡口还是Y 形坡口，焊接残余应力均变大，坡口角度不变，Y 形坡口的残余应力普遍小于单边V 形坡口[21]。焊缝结构的设计应尽可能减少焊缝数量并严格控制受热区域，焊缝应避免布置在危险截面处，还要考虑焊缝的焊接空间是否便于操作，以保证焊接质量。

从焊接工艺方面，可以通过改变焊接热输入、焊接速度和焊接顺序等来降低焊接残余应力。众多学者研究发现，较低的焊接热输入、较大的焊接速度和多次交替的焊接顺序可以更好地削弱焊接残余应力[22-24]。

2.2 焊后调控

对于超大容器和反应塔等大型焊接件，焊前调控并不适用，而且针对一些特定材料，如果无法正确进行焊前调控，会增大残余应力进而影响结构使用寿命。此时，焊后调控能够解决焊接残余应力的控制问题。焊后调控法包括热处理法、喷丸法和锤击法等。

热处理法是将工件逐渐加热到退火温度并保温一段时间后缓慢冷却，以降低焊后残余应力并改善焊后组织及力学性能。姜锋等将Al-Mg-Sc 合金焊接板材在350 ℃下保温1 h，发现消除焊接残余应力的同时焊接接头强度和硬度均有一定的提升[25]。王国庆等对Q235 焊接件分别进行不同温度和不同保温时间的热处理，让试件随炉冷却至室温，采用小盲孔法测量试件残余应力，发现高温下的短时保温或低温下的长时保温均可有效降低焊后残余应力[26]。该方法作为焊后调控的主要方法，能够有效降低大多数金属焊接件的残余应力，但是由于耗时耗能、成本高等缺点，并不适用于大型焊接件。

传统喷丸法利用大量的刚性弹丸，在高频下对材料表面进行循环冲击，使材料表面发生塑性变形，从而在材料表面引入残余压应力场来延长构件的疲劳寿命。ZHAO 等对不同参数下喷丸试验产生的压应力场进行研究，发现随着喷丸强度、喷丸时间、弹丸直径和硬度的增加，喷丸效果越来越好，但是在各项参数超过临界值后喷丸效果会被削弱[27]。虽然传统喷丸法成本较低，但是它增大了材料的表面粗糙度，会加剧磨损，因此需要与光整加工配合使用来保证表面质量。SOYAMA 等通过对比空化喷丸和传统喷丸对不锈钢疲劳强度的影响发现，空化喷丸和传统喷丸均会提高试件的疲劳强度，延长试件的寿命，疲劳试验中两者引入的压应力都逐渐降低，但空化喷丸的降低幅度比传统喷丸低[28]。空化喷丸能在试件表面产生残余压应力，且表面粗糙度小于传统喷丸，具有较高的研究价值和应用前景。

3 结语

工程领域中，残余应力的检测与调控技术一直都是研究的重点，文章简要介绍了焊接残余应力检测与调控技术的研究现状。相比于以前通过单一测试方法研究残余应力的二维分布情况，如今的研究者们倾向于利用多种测试手段结合的方式了解残余应力的三维分布，从而为后续工作提供准确且全面的数据支持。由于残余应力的复杂性及各种检测方法的局限性，现有的残余应力检测方法在准确性、有效性等方面依旧不能满足工业需求，研究开发更加高效、便利、准确的残余应力检测方法仍是各国学者有待解决的重要问题。

目前，多数工程常用焊后调控手段来控制焊接残余应力。但是焊后调控不仅费时费力，而且在处理过程中易使工件二次变形。现阶段，残余应力调控手段虽然多，但是仍需要根据构件材料、结构及性能等因素合理选择调控手段。因此，发展能够实时检测焊接过程应力分布及变形量的原位调控技术，以便随时调整焊接工艺及调控工艺，从而更加准确、高效地调控焊接残余应力，将是今后残余应力调控技术发展的方向之一。