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射線法與應(yīng)力釋放法測(cè)量焊接應(yīng)力的對(duì)比研究

2016-03-14 11:36:00
合肥工業(yè)大學(xué) 孫明如
原創(chuàng)
8122
摘要：在工程機(jī)械中焊接結(jié)構(gòu)件的重量約占整機(jī)重量的60%--75%，則于焊接接頭中的高殘余應(yīng)力會(huì)引起鋼結(jié)構(gòu)的變形、脆性斷裂，疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等，所以了解焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力分布，確保焊接鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的安全可靠是極為重要的。
在工程機(jī)械中焊接結(jié)構(gòu)件的重量約占整機(jī)重量的60%--75%，則于焊接接頭中的高殘余應(yīng)力會(huì)引起鋼結(jié)構(gòu)的變形、脆性斷裂，疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等，所以了解焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力分布，確保焊接鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的安全可靠是極為重要的。 

常用的焊接結(jié)構(gòu)殘余內(nèi)應(yīng)力的測(cè)試方法，按其原理可分為兩 大類：應(yīng)力釋放機(jī)械測(cè)量法和無(wú)損的物理測(cè)量法。由于電陰應(yīng)變片電測(cè)法與機(jī)械法的配合使用，大大降低了機(jī)械法對(duì)構(gòu)件的破壞性；物理法中比較常用的是X光射線衍射測(cè)量法。本文對(duì)兩種測(cè)量測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果的曲同點(diǎn)作了比較詳細(xì)的對(duì)比討論，并從理論上進(jìn)行了解釋。 

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 

母材為500MPa級(jí)的15MnVN正火低合金高強(qiáng)度鋼，厚度20mm，采用半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊，焊絲用H04Mn2SiTiA。接頭尺寸如圖1所示。接頭是在點(diǎn)因定位焊拘束狀態(tài)下進(jìn)行的焊接的，在各測(cè)量點(diǎn)研磨、電解拋光后用XYL--75型X射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)量殘余應(yīng)力，然后在同一點(diǎn)再用應(yīng)力釋放法（雙柵應(yīng)變花）測(cè)量應(yīng)力。測(cè)量位置分別是如圖1的示的焊縫縱向中心線，熔合線和垂直于焊縫的B線。 

2 結(jié)果用分析 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示在圖2中，平行于焊縫縱向的應(yīng)力用σL表示，垂直于焊縫的橫向應(yīng)力用σT表示。從圖2（a）和（b）可以看出，除焊縫用熱 影響區(qū)外，用兩 種方法測(cè)得的殘余應(yīng)力的頒是相當(dāng)吻合的。這說(shuō)明用X射線衍射法測(cè)量應(yīng)力的精度與應(yīng)力釋放法是在同一水平上的。而在焊縫和熔合線上，兩 種方法的測(cè)量結(jié)果存在明顯的差別，如圖2（c）（d）所示。在焊縫縱向除兩端及其附近外，用應(yīng)力釋放法測(cè)故里和殘余應(yīng)力的數(shù)值近似等于屈服極限，而用X射線法測(cè)得的應(yīng)力數(shù)值沒(méi)有達(dá)到屈服極限。 

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：在焊后的冷卻過(guò)程中不均勻溫度場(chǎng)分布引起的焊縫及熱影響區(qū)的拉伸塑性變形，此時(shí)金屬由鐵素體相α和珠光體相θ級(jí)成，而珠光體的屈服極限和楊式模量均高于鐵素體，此時(shí)焊縫中的每個(gè)相都發(fā)生變形，原理如圖3所示。因?yàn)殍F素體是基體，而用X射線測(cè)量應(yīng)力是通過(guò)測(cè)量晶面間距的變化來(lái)確定應(yīng)力數(shù)值的，所以用X射線法測(cè)得的應(yīng)力值僅是對(duì)應(yīng)鐵素體相和珠光體相的加權(quán)平均值。由于這一原因，用兩種方法在焊縫和熱影響區(qū)測(cè)得的玩世不恭八應(yīng)力值不一致致。

必須注意，用X射 線法測(cè)量的應(yīng)力不是鋼中的應(yīng)力而是鐵素體相的應(yīng)力。若基板并未發(fā)生塑性變形的話，則射線法，沒(méi)得的應(yīng)力可以看作是鋼中的的應(yīng)力。焊接區(qū)中的殘余應(yīng)力值可從X射線法測(cè)得的應(yīng)力值作適當(dāng)?shù)男拚齺?lái)計(jì)算。 

3 結(jié)論 

用X射線法在焊接接頭母材上測(cè)量的殘余應(yīng)力與用機(jī)械法測(cè)量的結(jié)果有很好的一致性，而用兩種方法在焊接區(qū)測(cè)得的殘余應(yīng)力值存在一些差距，這一矛盾現(xiàn)象可解釋為鋼中的基線應(yīng)力是鐵素體和珠光體處于平衡狀態(tài)下的應(yīng)力。 
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