焊接残余应力的测试
航天结构件焊接残余应力的无损检测方法
科 技 前 沿
航天结构件焊接残余应力的无损检测方法
田 超
喃
李学敏
龚
习
（ 天津 航 天长征 火箭 制造 有 限公 司 ，天津 市 ３ ０ ０ ４ ６ ２ ）
要】 焊接残余应力严重影响结构件制造过程和使用性能，引起了设计者和操作者的高度重视。本文选取了三种对工件无损伤的焊接残余
应力检测方法——． ｘ射 线衍射法、磁 ｝ 生 法和超声法，分别介绍了它们 的基本原理 ，并对它们在测量特 ｝ 生 、适用范围、生产成本和效率上的特
点 进行 了 比较 。
瘩 枣 词 焊接残余应力 ； Ｘ射线衍射法 ； 磁ｊ 生 法； 超声法
１ 焊接残余应力的检测方法 焊接残余 应力的检 测方法可分为机械测定法和 物理测定 法。机械 用 Ｘ射线 以不 同角度入射被测工件表面 ，可以测出不同方向的应 力值。Ｘ 射线衍射法的数学理论严谨 ， 测试速度快且可 以反复测试 ，对
２ Ｏ — 射角
— —
△ ——导 磁率的变化量 ：
—
—
材料有应力时减小的导磁率
朝 始磁致伸缩 系数 ， 材 料无应力状态时的导磁率
应 力。
—
被 测表面法线与衍射 晶面法线间的夹角：
—
—
％ ——入射 Ｘ射线与被测表面法线的夹角。
残余应力测试方法
残余应力测试方法残余应力是指材料或结构在受力作用后，未完全消除的应力。
残余应力的存在可能会对材料的性能和结构的稳定性产生影响，因此对残余应力进行测试和评估是非常重要的。
一、残余应力的形成原因1. 加工过程中的应力：在材料加工过程中，由于变形、切削或焊接等操作，会引入应力，这些应力可能会在材料中残留下来。
2. 热应力：材料在加热和冷却过程中，由于热胀冷缩不均匀，会产生热应力，这些应力也可能会残留下来。
3. 外部载荷：材料受到外部力的作用，如压力、拉力或弯曲力等，会导致材料产生应力，这些应力也可能会残留下来。
二、残余应力的测试方法1. X射线衍射法：通过测量材料中晶格的畸变程度来间接推测残余应力的大小和方向。
2. 中子衍射法：利用中子的衍射特性来分析材料中晶体的结构和应力状态。
3. 应变测量法：通过测量材料中的应变来推断残余应力的大小和分布。
4. 晶格畸变法：通过分析材料中晶格的畸变情况来评估残余应力。
5. 超声波法：利用超声波在材料中传播的速度和衰减情况来测量材料中的应力。
6. 磁性法：利用材料磁性的变化来分析残余应力的分布和大小。
7. 光学法：通过光学显微镜或偏光显微镜观察材料中的应力畸变情况。
8. 拉伸法：将材料进行拉伸测试，通过测量材料的应变和应力来计算残余应力。
三、残余应力测试的应用领域1. 金属材料：在金属材料的制备和加工过程中，残余应力会对材料的强度、韧性和疲劳寿命等性能产生影响，因此对金属材料中的残余应力进行测试是非常重要的。
2. 焊接结构：焊接过程中产生的残余应力可能会导致焊接接头的变形或裂纹，因此对焊接结构中的残余应力进行测试可以评估焊接接头的质量和可靠性。
3. 玻璃材料：玻璃材料在制备和加工过程中可能会产生残余应力，这些应力可能会导致玻璃材料的破裂或变形，因此对玻璃材料中的残余应力进行测试可以评估其稳定性和可靠性。
4. 复合材料：在复合材料的制备和加工过程中，残余应力可能会导致复合材料的层间剥离或破坏，因此对复合材料中的残余应力进行测试可以评估其性能和可靠性。
钢结构焊接残余应力的X射线衍射法定量测试
１ ５ ６ ． ４ ５ 。 ， 校准仪器状态， 直到对标准试样的测试值在± ８ Ｍ Ｐ ａ 以内。 电阻 应变片采用半桥连接法， 并加温度补偿片。
矿
２ １ １ Ｇ Ｐ ａ ， ｖ － － ０ ． ３ ０ ） 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。 由于电阻应变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 Ｘ Ｒ Ｓ Ａ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 ， Ｘ Ｒ Ｓ Ａ测量的变化趋势与理论值基本一致。为了将 Ｘ Ｒ Ｓ Ａ的测量值与 理论值进行对比， 将 换算为初始应力为 ０ 的等效应力 。 由于经过 校准的仪器的结果误差在＋ ８ Ｍ ｐ ａ 以内， 所以当测量值小于 ３ ０ ＭＰ ａ 时， 测 量的标准偏差较大 ； 而对于 ３ ０ Ｍ Ｐ ａ 以上的应力 ， 仪器的标准偏差基本都 小于 １ ０ ％， 具有较好的准确度。 实验表明， Ｘ Ｒ Ｓ Ａ对较大残余应力（ ＞ ３ ０ Ｍ Ｐ ａ ） 的测量标准偏差基本 在１ ０ ％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（ ＜ ３ ０ ＭＰ ａ ） 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ｊ Ｅ 京万泰机电技术开发公司生产 的 Ｄ Ｃ 一 ３ ０ ２ Ａ型便携式 电解抛光仪 ， 电解质为 １ ０ ％Ｎ ０ ａ Ｃ Ｉ 溶液， 采用恒流模式 ， 每抛光 ｌ ｍ ｉ ｎ 使
焊接残余应力的影响及测试
， — ｒ
（ Ｂ ｏ２ ） ｅ（ Ｂ ｉ２ ） ＋ ｃｓ ￣ － ｊ Ａ＋ ｓ ￣ ｎ ２ （ｉ２ ＋ ０２） ＡＢ ｓ ｐ ｃｓｑ ｎ ）
构件 的形状 和尺寸精度 发生变 化 ， 降低其使 用性能 ：
而应力重 新分布则 使残余应 力 降低 ，可 以提 高焊件
的承载能 力和使用 寿命 。
的能力 因此 ． 残余应 力 的特点 及残余 应力检测 了解
方法具有 重要意义
焊接残余 应力 没有 明显 的外部 表现 ，它 和残余
变形是 同时产生的。残余变形是生产单位极为重视
程 中已经有 塑性 变形 发牛 ，口 要经历 较长 时间方 埔旨
２
，
根据 虎 克定 律便 可 按 下列 公 式计 算 ｆ 主应 力 ¨
Ｏ 、－ 纵 向应 力ｄ （ 焊 缝 方 向 的应 力 ） 大小 以 －Ｏ及 ｒ沿 的
及主应力 的方 向 。
ｒ 一
能稳定 。故 研究 某种材 料所 得到 的应变 示 值趋于
所 引起 的工作应 力将与 焊接残余 应力互 相叠加 。如 果两种 应力 的性 质不 同 、 向相反 ， 方 叠加 的结果将提 高构件 的承载能力 ：如果 两种应 力的性质 和方 向相 同 ，叠加后 的应力数 值往律 在构件 的局部 区域 超过
２ 盲 子 测试 应 力 法 Ｌ
盲孔测 试应 力法基本属 于无损检 测 ， 比较 可靠 ， 已成 为现场测 量 的一 种标准试 验方法 。 试时 ， 工 测 在 件 的待 测处粘贴 一应变 花 ，在应 变花 圆心位置钻一
的， 但残 余应 力的存在 则不易被 发觉 ， 至往往被忽 甚 视 。在焊 接件服役 过程 中发现残余 应力 的存 在和作 用时， 残余 应 力ｌ 早已造成某 种事故 ， 例如焊接 件精度 下 降或局部破 坏等 。因此通 过测试手段 掌握焊接 件
显微硬度压痕法测量焊接微区残余应力
髓源工程焊接国际论坛ＩＦＷＴ２００５动转塔显微硬度计进行测量。
压痕大小测量在荷兰ＦＥｌ公司的Ｓｉｒｉｏｎ型场离子发射枪高分辨扫描电镜（ＳＥＭ）上进行，在高倍下精确测出压痕的面秘比，，这比般的光学会相品微镜的测量精度要高得多。
３实验结果及讨论３．１显微压痕与残余应力的关系图５是纯铜片样品经二点弯曲后受拉伸应力部位的显微硬度压痕和未弯曲时的同一区域乐痕的形貌特征。
可以看Ⅱｊ纯铜片被弯曲之后，表面产生了大量孪晶和滑移带，说明此处有较大的应力集中，如图５ａ所示。
与无变形的区域相比，有孪晶和滑移带区域的压痕并没有明显的增大趋势，但是其面积比Ｃ。
有较人的变化。
由测量可知，有变形和应力集中时产为１，０８０８５，无变形时∥为０９７０１ｌ。
可见，残余戍力对压痕面积影响并不是很大，而是很大程度影响Ｊ．压痕的面积比。
ａ）有批应力集ｒｆｌ区域的乐痕ｂ）无扣应力集巾区域的压痕图５纯铜中拉伴残余应力时压痕朐影响图６显示出随着弯曲度的增大，每次弯曲后得到的硬度值基本上是不变的。
这与Ｏｌｉｖｅｒ所得结果相符‘７一Ｉ，也说明我们的面积测量方法是准确的。
另外，Ｃａｒｌｓｓｏｎ等人”’”１也指出硬度只与残余应变有关，而与残余应力几乎无关，图６巾的曲线显示硬度几乎不变，可知在弯曲后产牛＾的残余应变极小，其值为常数。
在Ｃａｒｌｓｓｏｎ和Ｓｔｔｒｅｓｈ口’９１”１的研究中发现，当材料中存在拉伸残余应力时，压痕的面积比会小十没有残余应力时的面积比。
即面积比随着拉伸残余应力的增人而减小。
这是由ｆ其压痕的面积是根据加载卸载曲线获得的，主要由乐入深度ｈ决定，当存在批应力时，压痕的四周产生凹陷（Ｓｉｎｋ．ｉｎ）或凸起（Ｐｉｌｅ－ｕｐ）减小，造成真实面积Ａ［Ａ＝４ｈ２／（ｔａｎ２２。
）２】减小，从而得到的面积比减小。
而在本实验中，压痕面积比随着弯曲度的增大ｌ叮增大，压痕面积比随着弯曲度变化而呈线性变化，如图７所示。
这是由于我们的压痕面积测鼍是根据眶痕的‘个俯视图得到的（见图４）。
高殿宝核电SA508-3钢厚板窄间隙焊缝焊接残余应力的测试
一、引言压力容器作为核电站最重要的主设备之一，其质量的优劣直接影响了整个核电站的正常运行。
窄间隙埋弧焊是核电压力容器制造中最常用的焊接方法，主要用于筒体与筒体、接管与筒体等主要部件的组焊。
近年来，我国在核电材料特性、焊接质量等方面取得了丰富的研究成果，但对核电结构焊接应力方面的基础研究比较少。
本文针对这一问题，采用盲孔法测试了120mm 厚SA508-3钢窄间隙焊缝不同热处理状态下的残余应力，这为产品制造、焊接结构设计分析等提供了参考和依据。
二、制备焊接试板焊接试板材质为核电SA508-3钢，规格为120mm*225mm*2500mm ，数量2块，坡口为单边U 型。
焊材采用埋弧焊焊丝US-620，规格Ф4，匹配焊剂PF200。
焊接预热温度120℃以上，层间温度控制在250℃以内，试板焊后首先缓冷至室温，依次进行中间热处理（ISR ）、最小热处理和最大热处理。
三尧残余应力测试方法目前，应用最多且测试结果公认较为准确的焊接残余应力测量方法为小孔法。
小孔法测量焊接残余应力由德国学者J 。
Mathar 于1934年提出，根据钻孔是否钻通，小孔法可分为通孔法和盲孔法，其测量原理是基于弹性理论，理论计算公式见公式（1）。
其中，ε1，ε2和ε3分别为0°，45°，90°应变计钻孔后测得的释放应变；σ1，σ2为主应力；θ为主应力σ1与X 轴的夹角，即主应力方向；A ，B 为应变释放系数，可按照公式（2）直接计算出，E ，γ分别为被测材料的弹性模量和泊松比，d 、r1、r2分别为孔径和盲孔中心到应变计近孔和远孔端的距离。
2014年，我国出版了金属材料的残余应力测量-钻孔应变法的国家标准，标准号为GB/T31310-2014，标准中对钻孔应变法的残余应力计算方法、工件、应变片、测量仪器、试验程序、精度和误差等内容进行了详细的规定，并在附录A 中给出了通过标定试验对不在是与应力大小无关的A 、B 值进行修正的具体方法。
焊接残余应力的实验
焊接残余应力的实验引言：焊接是一种常见的金属连接方法，但焊接过程会引入残余应力。
这些残余应力可能会对焊接件的性能和可靠性产生负面影响。
因此，研究和了解焊接残余应力的产生机制以及如何控制和减小这些应力对焊接工艺的优化至关重要。
本实验旨在通过模拟焊接过程，分析和测量焊接残余应力，并探索减小这些应力的方法。
一、实验目的本实验旨在：1. 研究焊接残余应力的产生机制；2. 分析残余应力对焊接件性能和可靠性的影响；3. 测量和评估焊接残余应力的大小和分布；4. 探索减小焊接残余应力的方法。
二、实验原理焊接残余应力的产生主要受到以下几个因素的影响：1. 热应力：焊接过程中，由于局部加热和冷却引起的温度梯度会导致材料的热膨胀和收缩，从而产生热应力。
2. 相变应力：焊接过程中，由于材料的相变（如固态到液态的相变）引起的体积变化会导致相变应力。
3. 形变应力：焊接过程中，由于材料的塑性变形引起的应力会产生形变应力。
三、实验步骤1. 准备焊接试样：选择合适的焊接材料和工艺参数，制备焊接试样。
2. 进行焊接过程模拟：使用焊接模拟设备，模拟焊接过程，控制温度和冷却速率。
3. 测量焊接残余应力：使用合适的测量方法，如杆件法、光栅法或应变计法，测量焊接试样上的残余应力。
4. 分析和评估结果：根据测量数据，分析焊接残余应力的大小和分布，并评估其对焊接件性能和可靠性的影响。
5. 探索减小焊接残余应力的方法：根据分析结果，探索减小焊接残余应力的方法，如优化焊接工艺参数、使用预热和后热处理等。
四、实验结果与讨论根据实验测量数据，得到焊接试样上残余应力的大小和分布情况。
根据分析结果，残余应力主要集中在焊接接头处。
这些残余应力可能会导致焊接件的变形、开裂和疲劳寿命下降等问题。
因此，减小焊接残余应力对于提高焊接件的性能和可靠性至关重要。
根据实验结果和分析，可以采取以下几种方法减小焊接残余应力：1. 优化焊接工艺参数：合理选择焊接电流、焊接速度和焊接角度等参数，以减小焊接过程中的热应力和形变应力。
焊接残余应力的测试及研究
８ ９ ２ ０ Ｅ ｍ ｉ ｓｍ ｔ ６ ．ｏ ７ ０ ５ ５，— ａｌ ｊ ｑ ＠１３ｅｍ。 ：
Ｓ ＯＮＧ Ｊａ — ｎ， ＡＮＧ ｕ ｑ ， ＡＮＧ ｎ － ｈ ｎ ＪＡＮＧ ａ － ｕ ，Ｉ Ｙｕ — ｈ ｎ ｉｎ ｍｉ Ｗ Ｙｏ — ｉＷ Ｄｏ ｇ ｓ ｅ ｇ，Ｉ Ｂ ｏ ｈ ａ ＪＡ ｎ ｓ ｅ ｇ
（Ｎｉｇ ｏＢｒｎ ｈ ｏ ｈ ｎ ａ ｅ ｆ ｄ ａ ｃ ｃｅ ｃ Ｎｉｇ ｏ３ ５ ０ ， ｈｎ ｎ ｂ ａ ｃ ｆ ｉａＡｃ ｄ ｍｙｏ ｎ ｎ ｅＳ ｉｎ ｅ， ｎ ｂ １ １ ３ Ｃ ｉａ） Ｃ Ｏｒ
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第３ ０卷 第 ２期
２ｏ ０ ７年
３月
兵 器 材 料 科 学 与 工 程
０ＲＤＮＡＮＣＥ Ｍ Ａ ． ＡＬ ＣＩ Ｉ ＥＲＩ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｖｏ ．Ｏ Ｎｏ． １３ ２ Ｍａ 一 ｒ ２０ ｏ７
过程 和 焊接 结构 的使 用性 能 ，如 焊接 残余 应 力 可能 引 起结 构 的脆 性断 裂 ，拉 伸残 余应 力能 降 低疲 劳 强度 和 腐蚀抗 力 ，焊 接 残余 应 力是焊 件 产生 变 形和 开 裂等 工
作 者 简介 ：宋 建 民 （ ９ ０ ）男 ，内 蒙 古 呼 伦 贝 尔 市 ，硕 士 研 究 生 ，主要 从 事超 声 冲击 处 理 对 焊 接 结 构 的 影 响 方 面 的 研 究 。联 系 电话 ：５ ４ １８－ ， ０７—
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4B 00
焊接残余应力的测试
、实验目的
1. 了解ASM1.0全自动应力、应变监测记录仪的结构和工作原理。
2. 掌握应力释放法的测试原理及操作技术。
二、实验原理
焊接残余应力的测量方法，按其原理可分为应力释放法、物性变化法（X射线法、磁性法）等，应力释放法又可分为小孔法（即盲孔法）、套孔法与梳状切条法（及全释法）。
本实验采用小孔法进行测量。
对板钻小孔可以评价释放的径向应变。
在应力场中去一直径为d的圆环，并在圆环上粘贴应变片，在圆环的中心处钻一直接为d o的小孔（图1），由于钻孔使应力的平衡受到破坏，测出孔周围的应力变化，就可以用弹性力学的理论来推算出小孔处的应力。
设应变片中心与圆环中的连线与x轴的夹角为a,其释放的径向应变r 和钻孔释放的残余应力之间的关系，可按照带孔无线板的弹性理论，
同时承受双轴薄膜应力x和y （理解为主应力）的条件求解
r
A B cos x A Bcos y
2
A1
2E d
24
14d° c d°
B 3 —
2E1d d
为了完全确定未知的双轴残余应力状态（两个主应力ar和应，以及主应力方向®，必须至少在圆环上的三个不同测量方向评价释放的径向应变r （如采
用三个应变片组成的应变花）。
常用的应变花布置是0、应00、45 和90 ）045和90 （对
图1小孔法所用的应变花示意图
、实验设备及器材
1. ASM1.0全自动应力、应变检测仪一台
2. 残余应力打孔装置一台
3. 焊接铝板一块
4. 应变片、瞬干胶水若干
四、实验方法与步骤
1•将待测部位用砂纸磨至表面光亮，用酒精进行清洗，清除待测部位表面的杂志和氧化物，直到准备粘贴应变片的部位干净为止。
2. 将502速干胶均匀涂于应变片背面，迅速把应变片粘在所测位置，轻压使其与工件表面紧密结合，应变片与金属之间无气泡无脱胶现象。
3. 将应变片末端引线与应变仪连接的导线焊接。
注意应使所有应变片的导线
长度保持一致，以免产生电阻值的差异导致测量不准。
将应变仪调零，用万用表检查应变片与工件绝缘程度和阻值变化情况。
4. 设置残余应力相应参数，用直径为2.0mm的砖头在应变片中心处打出深2.0mm的盲孔，记录残余应力数据。
五、实验数据记录
六、实验结果整理及分析
1. 焊接残余应力测试过程中哪些因素容易引起测量误差？如何减小误差?
1、应变片的粘贴质量。
应变片粘贴不好会引起数据漂移和精度下降。
2、钻孔装置安装时的对中偏心引起的误差。
钻孔前必须用专用对中显微镜调整中心位置。
3、钻孔时产生的附加应变。
它可以用两次钻孔并改变钻速的方法减小附加应变。
4、释放系数A、B 值的误差。