焊接温度场及残余应力测量方法总结

焊接温度场及残余应力测量方法总结

一、焊接温度场测量方法

多年来，基于物体的某些物理化学性质（例如，物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等）与温度的关系，开发了形式多样的温度测量方法和装置，综合温度测量的现状，按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。

1、接触式测温方法

接触式测温方法的感温原件直接置于被测温度场或介质中，不受到黑度、热物理性参数等性质的影响，具有测温精度高、使用方便等优点。但是对于瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段。主要是由于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个温度场的信号，必须在温度空间内进行合理的布点，才可以根据相应的方法（如插值法等）获得对温度场的近似。

常用的接触式测温方法有，电偶测温法。热电偶是用两种不同的导体（或者半导体）组成的闭合回路，两端接点分别处于不同温度环境中，与当地达成热平衡时会产生热电势，标定后可用来测量温度。理想的热电偶测温方法,是将参比端

E,再查分度表反置于0℃的恒温槽中,通过测量2个不同导体A和B的热电动势ab

求出被测温度t。由于让参比端保持0℃有时比较困难,实际应用中常常需要参比端恒温处理或温度补偿。热电偶测温法有几个优点:精度比较高,因为热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响；测量范围大,通常可在-50~1600℃范围内连续测量；结构简单,使用方便。但是,热电偶测温法也有一定的缺点:每次测量的点数有限(最多几个点),难以反映整个焊接温度场的情况;此外,金属的电阻和熔池中液体的流动会阻碍热传导,从而给热电偶的测量带来一定的误差。

2、非接触式测温法

非接触测温法分为两大类：一类是通过测量介质的热力学性质参数，求解温度场（如声学法);另一类是通过高温介质的辐射特性，通过光学法来测量温度场。非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度场和流场；同时，感温元件传热惯性很小，因此可用于测量不稳定热力过程的温度。其测量上限不受材料性质的影响，可在焊接等高温场合应用。目前常用的测试方法主要有以下几种:

2.1、红外热像法

随着红外技术和计算技术的发展,红外热象法测定焊接温度场成为近代一种新技术。红外热成像测温技术为非接触式测温,响应快,不破坏被测物体的温度场,可以检测某些不能接触或禁止接触的目标,红外热像技术显示出其在测试物体温度场方面的优势。在实际的测量过程中，一般先采用热电偶标定被测物体的发射率，然后再用红外热像仪测定物体的温度场。

图1 红外热像法测量焊接温度场

2.2 红外测温法

红外测温技术是利用红外辐射的测量来确定物体的温度,主要是利用红外测温仪来实现的。非接触的红外测温仪,使用附件少,安装方便,可快速对物体温度进行非接触测量,且不破坏被测温度场的均衡性,为高频焊管的在线温度监控提供了一种有效的技术手段。

图2 红外测温示意图

红外热成像与红外测温，虽然都能测量温度，其区别在于：都可以测量温度，但热像仪还可以获得热图像；红外测温仪测量一个点的温度，红外热像仪测量一个面积或一个温度分布区；红外测温仪用距离系数比，红外热像仪采用视场角FOV的概念；由第2点形成了许多性能指标的不同称呼，如红外测温仪没有空间分辨率，而红外热像仪有空间分辨率，如此等等；红外测温仪最小可测目标直径很难达到0.2mm，红外热像仪最小可以测量到5微米。

2.3 基于彩色CCD温度测量法

利用彩色图像测量焊接温度场的温度，主要测量依据是热辐射理论，包括：普朗克定律、维恩公式以及斯蒂芬-波尔茨曼定律等。此外灰体概念也应用其中。

图3 CCD测温示意图

3、焊接测量时的一些要求

根据GB/T 18591-2001 idt ISO 13916:1996标准规定，对于熔化焊预热温度、道间温度及预热维持温度的测量（其他焊接方法也可参照采用本标准，但不包括焊后热处理温度的测量），有以下要求：

3.1 测量点

温度一般在正对着焊工的工件表面，距坡口边缘４倍板厚，且不超过50mm 的距离处测量（见图4）。这一规定适用于焊缝处工件厚度ｔ不超过50mm的场合。当工件厚度超过50mm时，要求的测温点应位于至少75mm距离的母材或坡口任何方向上的相应位置。条件允许时，温度应在加热面的背面上测定。否则，应在加热面上移开热源一段时间，使母材厚度上的温度均匀后测定温度。使用固定的永久性加热器且无法在背面测量温度时，应从靠近焊缝坡口处暴露的母材表面上测取温度。温度均匀化的时间按每25mm母材厚度2min的比例计。道间温度应在焊缝金属或相邻的母材金属处测得。

3.2 测量时间

道间温度应在电弧经过之前的焊接区域内瞬时测得。如果对预热维持温度有规定时，应在焊接中断期间予以监测。

图4 测点的距离

二、焊接残余应力测量方法

残余应力问题一直受到人们的关注，残余应力的测量技术始于20世纪30年代,发展至今共形成了数十种测量方法。目前，残余应力的测试方法很多，按其对于被测构件是否具有破坏性，可分为有损测试方法和无损测试方法两大类。有损测试方法，又称机械释放测量法，主要原理是破坏性的应力释放，使其释放部分产生相应的位移与应变，测量出这些位移和应变，经换算得到构建原有的应力。它主要包括钻孔法、分割切条法、逐层铣削法、切槽法等。其优点是测量的精度

较高,但对构件的损伤较大。无损测试方法是多年来科研人员一直探索的方法，目

前无损测试的方法包括X 射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法、电子散

斑干涉法等。它对被测构件无损害,但一般只能测量物体表面的应力和应变，成本

高。目前,国内外常用测定残余应力的方法和原理如下:

1、有损测试方法

1.1 钻孔法

这种方法的测量精度高,对构件的破坏性小,操作简单方便,在工业实际中得到

广泛的应用。假定物体表面存在残余应力,此应力处于平面应力状态,在该平面某

点上钻一个小孔,孔边的径向应力下降为0,孔区附近应力重新分布。若在钻孔之前,

在该点贴上三向应变计,如图5所示

图5 钻孔法示意图

钻孔之后,应变计便感受到应力释放产生的应变,通过测量应变计的应变,并进

行相应的计算,便可求得该点的2个主应力σ1、σ2和1个主方向角θ,计算公式为 ()[]121232213221212,122t an )(41

42εεεεεθεεεεεεεσ---=+-+-±+=B

A

式中:1ε，2ε，3ε分别为由应变计测得到的应变;A,B 为释放系数;θ为残余主

应力σ1方向与应变计1轴向的夹角。由于该方法易于现场操作、工件创伤面积

小、精度较高以及设备较便宜,因此在工程上测量表面残余应力常采用此法。

1.2 分割切条法

（1）单轴焊接残余应力测量。假设残余应力主要是单轴作用的,在要测量的

残余应力的方向,把构件切成大量的窄条,并由释放的应变求得应力。

x x E εσ-=

可用锯条进行切条,释放应变由可拆御的应变计或粘贴的电阻应变计测量。坚

固耐用的可拆卸应变计上的测量球托靠在构建表面测量基线端点的测量球印中。

测量基线长100到250mm ，采用这样的基线是设定在该长度内的残余应力不变。

采用更敏感的电阻应变计可缩短测量基线的长度，但是连续可能妨碍切割。

（2）双轴焊接残余应力切割。双轴残余应力的确定是不可缺少的技术,在切

块法中,给出相互垂直的x 和y 方向要测量的正应力σx 和σy,假定在板厚方向应力不变,测量基线或应变计通常设置在板两侧,然后把板切成若干方块,残余应力σx 和σy 可由释放的应变εx 和εy 求得，

()()x y y y x x νεενσνεενσ+-E -=+-E -

=2211 在确定整个平面应力状态时至少需要3个测量方向,可采用由3个应变片组成的应变花,其原理与钻孔法相似。

图6工字型截面切条法 图7 用于对接焊缝板的切块法

1.3 逐层铣削法

是采用铣、研磨抛光、腐蚀、电解腐蚀或电火花剥蚀等对已磨削表面进行剥 层,使表面残余应力释放,引起试件产生变形,由此变形量的大小,再根据弹性理论可以推算出被削层内的应力。这种方法的优点是可以测定厚度上梯度较大的内应力。如图8，具有不均匀单轴纵向残余应力分布的杆件，剥层在平面夹紧状态进行，剥层去除工序之间松开杆件，因弹性变形而使杆件弯曲，弯曲的测量由回味弹簧的偏斜，剥层侧反面的曲率或应变确定，沿杆件高度Z 的杆件纵向初始残余应力为x σ，可用下式计算

????????-+=?0)(24322h h x dz z h dh d h l

E ωωωσ 其中0h 为梁的初始高度，h 为随剥层的可变高度，l 是发生挠曲线ω梁的长度，E 为弹性模量。

图8逐层铣削法中曲率测量

1.4 环形槽法

对于与深度无关或有关的体形构件的残余应力测量可以用环形槽法代替钻孔法，如图9所示，深度合适的环形槽可完全释放环形内表面的应力状态，再加大环形槽的深度也不改变测量信号。由胡克定律： ()()()()b a d c d c b a d c b a E E εεεεφεεεεμσσεεεεμ

σσ--=+++--=+-+-+=-2tan )()

1(21

-212221

图9 环形槽法

2、无损测试方法

2.1 X 射线衍射

该方法检测残余应力的根据是弹性力学和X 射线晶体学理论。对于理想的多晶体,在无应力的状态下,不同方位的同族晶面间距是相等的,而当受到一定的表面残余应力σ时,不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化,从而使X 射线衍射谱线发生位偏移,根据位偏移的大小可以计算出残 余应力。

X 射线的波长为λ，衍射晶面间距为d ，衍射角为2θ，三者遵循布拉格定律λθn d =sin 2（n=1,2,3....),对于各项同性的多晶材料，在平面应力状态下，依据布拉格定律和弹性力学理论可以导出，应力值σ满足

ψ

θσ2sin 2???=K ，

其中K为应力常数，可以通过资料查出或者通过实验测出，这样测定应力的实质就变成了，选定若干个ψ角，测定对应的衍射角2θ，要测定衍射角就一定有寻

ψ法和固定ψ法，如图10

峰扫描范围，按照扫描方式，又可分为固定

图10 X射线衍射法

由于X射线的穿透深度极浅,它只能在表层深度30μm左右的范围测量。它的优点是可以测量出应力的绝对值。但该方法对试件表面要求十分严格,且设备昂贵,操作复杂。

2.2 中子衍射法

以中子流为入射束,照射试样,当晶面符合布拉格条件时,产生衍射,得到衍射峰并通过研究衍射束的峰值位置和强度,可获得应力或应变及结构的数据。该方法的原理与普通X射线衍射方法类似。主要差别在于X射线是由电子壳层散射的,而中子射线是由原子核散射的,中子的穿透深度比X射线大得多,对于钢可达50mm,可以用来测量钢的焊接结构沿层深的残余应力。为了获取高分辨率,需要高强度中子束,因此,只有反应堆或中子加速度器才能满足要求。

图11 中子衍射方法测定电子束焊管的残余应力

2.3 磁测法

利用磁致伸缩效应来测定应力,当应力变化时,由于物体的伸缩引起磁路中磁通的变化,并使感应器线圈的感应电流发生变化,由此变化可以测出应力的变化。

目前市场上较成熟的有邯郸爱华机械电子厂生产的CCYL型磁测仪。其基本原理是通过传感器和一定电路将磁导率的变化转变为电流量的变化,建立应力和电流量的函数关系,通过电流量的测量来确定应力,它的最大特点是测量速度快,非接触测量,适合现场,但测试结果受很多因素影响,可靠性和精度差,量值标定困难,对材质较敏感,且仅能用于铁磁材料。磁性法都是需要外部激励磁场来工作,因此带来了磁化不均匀,设备笨重,消耗能源,剩磁和磁污染等问题。

2.4 超声波法

超声波法超声应力测量是建立在声弹性理论基础上,利用受应力材料中的声双折射现象。当没有应力作用时,超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力作用时传播速度不同,利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力。

从理论上讲,只要发射超声波功率足够大,可穿透任意厚度的工作,因此它适合测量大型构件的三维残余应力,但测量精度低,只能测试高值残余应力,该方法目前还处于试验研究阶段。

2.5 电子散斑干涉法

它是一种激光干涉技术。当构件有应力作用时,材料表面产生形变,干涉条纹图形即发生变化,通过干涉条纹的变化可知构件的应力变化情况。它只能测量构件表面的应力情况。测量时对抗震性要求很高,且在暗室条件下工作,工作环境受到很大的限制。

2.6 激光超声检测法

激光超声是最近发展起来的无损检测技术,其显著优点是非接触、高的空间和时间分辨率,容易实现高精度测量,已被成功用来表征材料的表面特性。激光超声法的原理是用Nd:YAG(钕钇铝石镏石)脉冲激光激发声表面波,并用外差激光干涉仪接收。并通过测得的表面波声速在不同位置上的相对变化来反映材料的残余应力分布。对无残余应力、有压缩残余应力、有拉伸残余应力的3个试样应力分布,进行了实验测定。结果证实了试样的残余应力分布可引发声表面波在不同位置上声速的相对变化,也证实了激光激发声表面波及其接收技术是一种无损检测材料内残余应力分布的有效方法。

2.7 磁记忆应力检测方法

磁记忆检测方法是一种全新的铁磁金属材料诊断检测技术,其原理为:处于地磁环境下的铁制构件受工作荷载的作用,内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向,并在应力与应变集中区形成最大的漏磁场的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作荷载消除后继续保留,增强后的磁场“记忆”了构件应力集中的位置,这就是磁记忆效应。从而通过测定漏磁场法向分量,便可准确地推断构件的应力集中区。研究表明,铁磁性金属构件表面上的磁场分布与

其内部应力有一定的关系,因此可通过检测构件表面的磁场分布情况间接地对部件应力集中位置进行诊断。

除了以上测量方法外,近年来有一批新的测试技术应用而生,如用屈服条件确定残余应力,无损电测法,脆性涂层法,云纹法,反向叠加应力法,热评估法,硬度法,数字散斑法以及压良叠加应力测量法等,有时也可根据具体情况将各种测试方法综合起来应用。