管道焊接殘余應(yīng)力測量技術(shù)概述

羅凌虹，張雙雙，徐 序，程 亮

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；江西省燃料電池材料及器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

殘余應(yīng)力是指消除外力載荷或不均勻的溫度場等作用后仍存在于材料構(gòu)件內(nèi)部的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。為了對結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行合理的評價(jià)，需要對構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行分類。根據(jù)形成原因可以將殘余應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力來自于結(jié)構(gòu)的宏觀機(jī)械載荷，通常是符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即結(jié)構(gòu)能夠承受的載荷，沒有自限性，隨外力載荷的增加而增加。二次應(yīng)力來自各種源，如殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力。這類殘余應(yīng)力在不施加外部機(jī)械載荷的情況下仍然存在于物體中[1]，具有自限性。無論何種起源，在一個(gè)更基本的層面上，殘余應(yīng)力來自于物質(zhì)的不同區(qū)域之間的應(yīng)變[2]。這種應(yīng)變的規(guī)模影響殘余應(yīng)力的波長。因此，殘余應(yīng)力按其波長范圍可以劃分為I型、II型和III型殘余應(yīng)力。I型殘余應(yīng)力也被稱為宏觀應(yīng)力，其波長范圍從微米級到米級，從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀結(jié)構(gòu)距離；II型殘余應(yīng)力源于多晶材料中不同晶粒間的不同取向的熱、彈特性，其波長隨材料晶粒尺寸不同而變化，通常在晶粒尺寸的3-10倍范圍內(nèi)；III殘余應(yīng)力在原子尺度范圍內(nèi)是有效的，波長小于或等于材料的晶粒尺寸。工程應(yīng)用中通常側(cè)重于宏觀水平上連續(xù)變化的I型殘余應(yīng)力的分析，忽略殘余應(yīng)力的微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)[3]。同時(shí)，了解材料微觀結(jié)構(gòu)如何影響構(gòu)件中的殘余應(yīng)力也是很重要的。

材料構(gòu)件中的殘余應(yīng)力可以通過多種方式產(chǎn)生，比如鍛造和軋制等制造過程在元件中引入的殘余應(yīng)力，又如通過焊接等技術(shù)將當(dāng)多個(gè)組分結(jié)合在一起形成更大的結(jié)構(gòu)時(shí)在組件連接處形成的殘余應(yīng)力。焊接是能源、交通、建筑及過程設(shè)備制造等領(lǐng)域中不可缺少的管道連接方法。金屬的電弧焊接需要輸入局部的、強(qiáng)烈的熱，用于將熔融的填充金屬在兩個(gè)部件之間進(jìn)行沉積，形成焊接材料與母材的熔合。這種情況下，焊料周圍的材料將產(chǎn)生彈性、塑性和蠕變變形[4]。當(dāng)焊接區(qū)冷卻時(shí)，在其周圍會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力場。這是由于材料結(jié)構(gòu)的約束、母體和焊接材料的收縮差以及不同材料的晶粒間的不匹配[5]造成的。

管道焊接殘余應(yīng)力場的大小和性質(zhì)取決于許多因素，如焊接接頭的幾何設(shè)計(jì)(如坡口槽、V型槽和J型槽等)和焊接參數(shù)。焊接參數(shù)影響連接材料的加熱和冷卻。金屬所經(jīng)歷的加熱和冷卻循環(huán)、每一次焊接的路徑、焊料填充的數(shù)量和速度、輸入的熱量以及焊料化學(xué)成分的變化等，這些都會(huì)影響焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)變化。因此，評估焊接接頭的結(jié)構(gòu)性能是一個(gè)非常復(fù)雜的過程[6]。

在材料科學(xué)中，殘余應(yīng)力的測試和分析是一個(gè)非常重要的研究方向，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力會(huì)影響構(gòu)件的性能和壽命。某些情況下，殘余應(yīng)力可以提高材料的性能，如可以在構(gòu)件的外表面引入壓殘余應(yīng)力，使表面缺陷受到壓應(yīng)力的作用，以對抗力學(xué)負(fù)載下的裂紋擴(kuò)展[2]，典型的應(yīng)用實(shí)例為金屬的噴砂和用于制造鋼化玻璃的熱處理。但大多數(shù)情況下，殘余應(yīng)力會(huì)對部件的性能造成不利影響。在鋼質(zhì)管道焊接中，焊接殘余應(yīng)力可以達(dá)到母材屈服應(yīng)力的水平。這些二次應(yīng)力可以與一次應(yīng)力結(jié)合在一起，增加了構(gòu)件對疲勞、開裂的敏感性[7]。拉伸殘余應(yīng)力尤其能與力學(xué)負(fù)載引起的一次應(yīng)力結(jié)合，加速裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致部件過早的失效[3]。因此，對管道焊接殘余應(yīng)力場的大小和輪廓特征，以及其對裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的影響的分析，對于準(zhǔn)確和可靠的結(jié)構(gòu)完整性評估是非常必要的。為了對焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力場進(jìn)行量化，研究者開發(fā)了一系列的殘余應(yīng)力測量技術(shù)。本文簡要介紹了其中幾種方法，尤其著重介紹了衍射技術(shù)和深孔鉆(Deep Hole Drilling，DHD)技術(shù)。

1 殘余應(yīng)力測量技術(shù)

1.1 鉆孔法

鉆孔法是一種應(yīng)變機(jī)械測量技術(shù)，能夠測量構(gòu)件表面的殘余應(yīng)力。其測試原理是在一個(gè)構(gòu)件的表面鉆一個(gè)孔，造成周圍材料的彈性應(yīng)變釋放，由殘余應(yīng)力測試儀將這種釋放量測出并通過計(jì)算得出該部位的殘余應(yīng)力大小和方向。應(yīng)變的釋放通過彈性方程與局部殘余應(yīng)力場相關(guān)聯(lián)，應(yīng)變與應(yīng)力間的關(guān)系可以由Kirsch公示確定。該方法是應(yīng)用最為普遍的應(yīng)變機(jī)械測量技術(shù)，但也有其局限性：如果孔的深度超過其直徑或殘余應(yīng)力大于50%的屈服強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致在孔周圍產(chǎn)生材料的局部屈服，可能造成測量結(jié)果的不準(zhǔn)確[8]。

1.2 超聲波技術(shù)

該方法也叫聲彈性法。Palanichamy等[9]解釋了聲彈性原理，提出可以利用超聲波在材料中的應(yīng)力依賴關(guān)系來量化組件表面和組件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。通過變頻器將頻率范圍在2-3 MHz的超聲波引入材料，得到一種無應(yīng)變材料的聲彈性系數(shù)，與應(yīng)變材料中聲波的速度相比，可以推導(dǎo)出殘余應(yīng)力。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以測量非透明材料中的應(yīng)力，特別是金屬內(nèi)部的應(yīng)力，已可用來測量鋼、鋁等材料的聲彈性系數(shù)以及晶粒大小帶來的影響。然而，這種技術(shù)僅限于靠近材料表面的殘余應(yīng)力測量，因?yàn)樵摷夹g(shù)在多軸應(yīng)力場[8]中尚無法準(zhǔn)確測量殘余應(yīng)力。

1.3 透射電子顯微鏡(TEM)

通過TEM對材料微觀結(jié)構(gòu)缺陷的觀察，可以間接的對組件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行定性分析。如Roy等[10]用透射電子顯微鏡(TEM)測量金屬材料中的位錯(cuò)密度。較高的位錯(cuò)濃度與較高的殘余應(yīng)力有關(guān)。例如，與母體材料相比，在一個(gè)焊縫的熱應(yīng)力影響區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了高的位錯(cuò)濃度，在那里通常會(huì)發(fā)現(xiàn)高殘余應(yīng)力。然而，這種殘余應(yīng)力測量技術(shù)的使用是有限的，因?yàn)樗欢繙y量殘余應(yīng)力，也不指明它的作用方向。

1.4 正電子湮沒光譜(PAS)

Roy等[11]將PAS描述為一種非破壞性的方法，在這種方法中，一個(gè)樣本會(huì)被伽馬射線照射，從而導(dǎo)致樣本內(nèi)的放射性衰變。其中一個(gè)衰變產(chǎn)物是正電子，當(dāng)電子在樣本中被發(fā)射時(shí)，它被湮沒在中子存在的地方，形成兩個(gè)光子。高光子數(shù)表明存在空穴；低光子數(shù)則顯示了晶格的無缺陷區(qū)域?？昭ǖ拿芏确从沉藰悠分刑囟▍^(qū)域的缺陷濃度，對應(yīng)著該區(qū)域的應(yīng)力水平。然而，Roy等人指出，該技術(shù)不能區(qū)分拉伸和壓縮殘余應(yīng)力，只能將應(yīng)力值作為整個(gè)樣本的平均值，沒有任何跡象能夠表明應(yīng)力的作用方向。

1.5 輪廓法

輪廓法即等高線法，是一種破壞性的殘余應(yīng)力測試技術(shù)。該技術(shù)分為3個(gè)步驟。首先，對一個(gè)包含殘余應(yīng)力的樣本進(jìn)行切割，需要特別注意的是切割過程中不能引入新的應(yīng)力，例如可以采用電火花加工法等。根據(jù)殘余應(yīng)力的水平和分布，切割面將在一定程度上發(fā)生應(yīng)力釋放，即局部切割面將被自由表面所取代；然后，用高精度輪廓儀測量繪制切割面輪廓圖；最后，將這些測量數(shù)據(jù)應(yīng)用于有限元模型，將自由表面還原為切割前的輪廓[12]，同時(shí)采用數(shù)值模型計(jì)算出產(chǎn)生相應(yīng)等高線所需要的應(yīng)力。計(jì)算出的應(yīng)力在大小上與樣本中的應(yīng)力是相同的，但在方向上是相反的。

該法具有成本低、運(yùn)行簡便、檢測速度快、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。它能夠測量一個(gè)樣品中殘余應(yīng)力的完全橫截面輪廓。然而，輪廓法具有破壞性，阻礙了該技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用。

1.6 衍射技術(shù)

晶體結(jié)構(gòu)的衍射表征技術(shù)由W．H． Bragg和W． L．Bragg(1913)首創(chuàng)[13]。他們提出，X射線衍射可用于研究晶體粉末和固態(tài)塊體材料(顆粒)的結(jié)構(gòu)。其衍射示意圖如圖1所示。當(dāng)波長為λ的單色的、平行的相干電磁波光束以一定的入射角θ投射到兩個(gè)平行的晶面上(為了清晰起見，只展示了兩個(gè)分別為1和2的入射光束)，即圖中的x -x' 和y-y'晶面，晶面上的原子對這兩條射線產(chǎn)生的散射作用在考慮相干衍射時(shí)可以整體上看作是鏡面反射作用，那么光束2比光束1傳播的路徑更遠(yuǎn)。兩束光束的光程差即為圖中AB和BC距離的加和。如果路徑ABC等于波長的n倍(n為整數(shù))，即nλ=AB + BC時(shí)，光束1和2的反射波就產(chǎn)生相長干涉。

上述光程差可以用晶面間距dhkl來表示，如式(1)

上式即著名的布拉格衍射公式。

圖1 晶體結(jié)構(gòu)的電磁波衍射示意圖Fig.1 Diffraction schematic diagram of crystal structure

衍射光束的相長干涉在衍射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系圖上，形成一系列的峰值。每一個(gè)峰值都與材料中特定的晶面有關(guān)。在衍射實(shí)驗(yàn)中，衍射角是固定的，入射光束的波長是已知的或可以測量的，根據(jù)衍射峰的與衍射角的對應(yīng)關(guān)系即可求得材料中特定晶面的間距。當(dāng)材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，其對應(yīng)的應(yīng)變引起了特定晶面間距的相應(yīng)變化。測量一個(gè)含殘余應(yīng)力的構(gòu)件的晶面間距d的同時(shí)，測量同一材料沒有殘余應(yīng)力的情況下的晶面間距d0，進(jìn)行比較和計(jì)算，可以對材料中的殘余應(yīng)力進(jìn)行定量分析。這時(shí)的應(yīng)變?chǔ)趴梢杂檬?2)來表示[14]：

主應(yīng)變方向由對稱參數(shù)推導(dǎo)得出，需要進(jìn)行三個(gè)應(yīng)變方向的測量，然后計(jì)算每個(gè)采樣位置的主要?dú)堄鄳?yīng)力[8]。

對于金屬材料，X射線的淺穿透深度使XRD技術(shù)適用于其表面的應(yīng)力測量。當(dāng)一個(gè)樣本中的殘余應(yīng)力在垂直于表面方向的分量為零時(shí)，就可以在不需要無應(yīng)變參考樣本的情況下測量表面殘余應(yīng)力，測量方法為sin2Ψ法。

圖2 為sin2Ψ法測量具有雙軸應(yīng)力狀態(tài)的材料表面殘余應(yīng)力的示意圖。σ11、σ22、σ33分別為直角坐標(biāo)系三個(gè)軸向的主應(yīng)力。對于一個(gè)在平行于表面的平面內(nèi)任意角度方向的應(yīng)力，X射線以角度Ψ入射，受到垂直于ΨΦ平面的晶面的衍射。此時(shí)，任意晶面的間距可以用式(3)進(jìn)行表示[16]：

其中，d33為該晶面平行于表面時(shí)的晶面間距，E為材料體彈性模量，υ為泊松比。通過一系列角度Ψ下dΨΦ的測量，可以繪制出dΨΦ關(guān)于sin2Ψ的線性關(guān)系。將上述關(guān)系曲線外延到sin2Ψ=0和sin2Ψ=1，即可得到不同軸向的殘余應(yīng)變，進(jìn)而可以對材料表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

圖2 雙軸應(yīng)力狀態(tài)下關(guān)于ΨΦ角的衍射平面[15]Fig.2 Diffraction planes at an angle ΨΦ in a specimen in a biaxial stress state[15]

多種光源的電磁輻射都可以用于衍射實(shí)驗(yàn)。源的選擇要基于空間分辨率、穿透深度以及實(shí)際操作的綜合考慮。電子可作為輻射源，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率，但僅限于在100 nm厚度下的金屬衍射樣品。較厚的樣品將電子束衰減到無法檢測的水平，且電子容易分散在金屬中[14]。X射線衍射(XRD)具有較強(qiáng)的穿透深度，通常為數(shù)十微米級，具有良好的空間分辨率。在一般實(shí)驗(yàn)室中即可實(shí)現(xiàn)XRD殘余應(yīng)力測試，而不需使用專用設(shè)施。同步加速器的硬X射線(高能X射線)源具有更強(qiáng)的穿透深度，具有快速的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，可以進(jìn)行原位應(yīng)力測試，但只能在專用設(shè)備上使用。中子衍射因?yàn)榇┩干疃饶軌蜻_(dá)到厘米級，成為工程部件中測量殘余應(yīng)力最受歡迎的電磁輻射源[8]，但是其空間分辨率不像XRD那么高，并且中子源屬于大型專用設(shè)施，在全球范圍內(nèi)數(shù)量有限。

1.7 DHD技術(shù)

深孔鉆進(jìn)技術(shù)是一種半破壞性的測量工程構(gòu)件殘余應(yīng)力的方法。與衍射技術(shù)相比，DHD技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢是它能夠測量更大的深度上的殘余應(yīng)力，以及殘余應(yīng)力在深度方向的分布。Kingston和Smith[17]聲稱DHD技術(shù)可以測量從表面到構(gòu)件內(nèi)部450 mm深度的殘余應(yīng)力。DHD技術(shù)不需要像中子衍射那樣使用專用設(shè)施，它所需要的設(shè)備是便攜且價(jià)格便宜，使測試可以在工程現(xiàn)場進(jìn)行。

DHD測試過程中，先在構(gòu)件待測區(qū)域粘貼定位塊，用于保證構(gòu)件上鉆孔的圓度和垂直度。在構(gòu)件上鉆通孔即參考孔，在不同深度和不同角度分布測量孔徑大小?？讖降臏y量可以使用空氣探頭。然后在參考孔周圍鉆一個(gè)與其同心的環(huán)形孔，并再次測量參考孔的孔徑。最后根據(jù)孔徑的兩次測量結(jié)果計(jì)算殘余應(yīng)力。該方法中假設(shè)參考孔足夠小，且構(gòu)件足夠大，參考孔的存在不會(huì)引起構(gòu)件中殘余應(yīng)力場的馳豫或重新分布。典型的參考孔直徑為1．5 mm。DHD技術(shù)基于兩個(gè)假設(shè)：應(yīng)力松弛彈性，并且所有的殘余應(yīng)力都在參考孔的同心環(huán)形孔區(qū)域內(nèi)完全放松[18]。最后，用空氣探頭重新測量了參考孔的孔徑。直徑的變化與馳豫的殘余應(yīng)變有關(guān)，這是計(jì)算原始?xì)堄鄳?yīng)力的基本原理[19]。

DHD技術(shù)也存在局限性，如不可能準(zhǔn)確測量平行于參考孔的殘余應(yīng)力分量，只能與參考孔垂直的平面上的應(yīng)變及其相關(guān)的剪切應(yīng)變。而且，同心環(huán)形孔的直徑(即測量體積)會(huì)影響殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。Mahmoudi等[20]利用有限元分析模擬了DHD技術(shù)，研究了不同孔徑對測量殘余應(yīng)力的影響。采用3、10、20、50倍于參考孔徑的同心環(huán)形孔時(shí)，在鋁合金氣缸構(gòu)件內(nèi)，等軸張力下產(chǎn)生了不同的殘余應(yīng)力測量結(jié)果。其中，3倍于參考孔直徑情況下與數(shù)值模型所預(yù)測的結(jié)果最接近。

2 結(jié) 語

在過去的一個(gè)世紀(jì)里，已經(jīng)開發(fā)出一系列的殘余應(yīng)力測量技術(shù)。技術(shù)的選擇取決于所需要的殘余應(yīng)力測量的內(nèi)容。例如，一種具有破壞性的技術(shù)，如輪廓法，可能適合于實(shí)驗(yàn)室樣本或模型。然而，它不適用于測量服務(wù)組件的殘余應(yīng)力；非破壞性的技術(shù)，如衍射，可以用來測量不受干擾的高分辨率的應(yīng)力場；半破壞性的技術(shù)，如DHD，在分辨率和靈活性方面有較好的平衡，可以現(xiàn)場測量元件的殘余應(yīng)力，而不需要使用專用的設(shè)施。同時(shí)，近幾十年來隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模[21,22]，對于管道焊接殘余應(yīng)力的測量和分析，實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)和有限元數(shù)值模擬的有機(jī)結(jié)合將成為該領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。