焊接殘余應(yīng)力檢測與調(diào)控技術(shù)研究現(xiàn)狀

王澤溪 郭逸軒

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，西安 710064）

焊接是一種借助加熱、高壓或釬料使金屬之間相互接合的成型方法。焊接結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點之一是顯著減少或完全去除結(jié)構(gòu)中的眾多緊固件，從而降低制造和維護成本及減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。目前，焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外航空航天、海洋工程、冶金及鐵路等眾多領(lǐng)域。焊接殘余應(yīng)力根據(jù)其發(fā)生源可分為直接應(yīng)力、間接應(yīng)力和組織應(yīng)力3 類。直接應(yīng)力是焊接過程中不均勻加熱和冷卻導(dǎo)致的應(yīng)力。間接應(yīng)力是構(gòu)件經(jīng)過軋制、拉拔或外界約束等焊前處理所造成的應(yīng)力，在一些場合下會疊加到焊件中。組織應(yīng)力是材料相變導(dǎo)致比容變化產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力主要由焊接過程中的不均勻加熱和冷卻造成。焊接過程中，高溫區(qū)金屬膨脹，低溫區(qū)金屬收縮，彼此相互制約產(chǎn)生應(yīng)力，隨著焊槍前移，曾經(jīng)的高溫區(qū)膨脹金屬降溫收縮，但是會受到先其一步冷卻的金屬制約，正在加熱膨脹的金屬也會對它造成影響，最終在焊件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力會在環(huán)境溫度和外加載荷的共同作用下發(fā)生動態(tài)分布，進而導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)變形、裂紋擴展及脆性斷裂，嚴(yán)重影響構(gòu)件的服役可靠性。

一般來說，拉伸殘余應(yīng)力和壓縮殘余應(yīng)力會對構(gòu)件產(chǎn)生不同影響。前者促進了構(gòu)件的裂紋擴展、斷裂及變形，會對構(gòu)件機械強度造成不利影響，后者則能夠增強構(gòu)件的抗疲勞和抗斷裂能力[1-3]。因此，對焊接殘余應(yīng)力進行檢測與調(diào)控，對于預(yù)測和延長焊接件壽命具有重要意義。

1 焊接殘余應(yīng)力檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

殘余應(yīng)力檢測技術(shù)在20 世紀(jì)30 年代開始得到應(yīng)用，它為應(yīng)力計算提供了有效驗證和補充，并作為快速準(zhǔn)確評價焊接結(jié)構(gòu)服役安全性和可靠性的必要工具得到了廣泛應(yīng)用。目前為止，已經(jīng)發(fā)展出多種檢測方法。根據(jù)檢測方法是否會對試件造成破壞，可分為有損檢測法和無損檢測法兩大類[4-6]。

1.1 有損檢測法

有損檢測法主要原理是通過破壞試件的局部釋放殘余應(yīng)力，測量破壞位置邊緣的位移和應(yīng)變，然后計算得到試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。有損檢測法主要包括鉆孔法、壓痕應(yīng)變法和輪廓法等。

鉆孔法是利用待測孔邊緣一定位置處粘貼的應(yīng)變片來測量鉆孔后的應(yīng)變增量，從而計算殘余應(yīng)力，具有易操作、成本低、測量精度高、可靠性好等優(yōu)點，并以國家標(biāo)準(zhǔn)作為參考，是工程中最常用的檢測方法[7-8]。它的測量精度與孔周圍塑性變形、應(yīng)變片的位置及尺寸等多種因素相關(guān)，眾多學(xué)者對其進行了完善與修正。劉曉紅等使用基于孔邊形狀改變比能S 的A、B 系數(shù)修正法，消除了孔邊塑性變形對測試結(jié)果的影響，提升了測量精度并擴大了測量范圍[9]。HAGARA 等通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對孔周圍的應(yīng)變進行分析，建立了鉆孔法與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)相結(jié)合的非接觸式鉆孔法，獲得了全局殘余應(yīng)力云圖，證實了通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)殘余應(yīng)力的高精度測量具有很好的發(fā)展前景[10]。

壓痕應(yīng)變法基于硬度測試原理，壓痕的出現(xiàn)會導(dǎo)致含殘余應(yīng)力的試件產(chǎn)生應(yīng)變增量，可利用記錄的應(yīng)變增量換算獲取試件的殘余應(yīng)力[11-12]。ZHANG 等利用壓痕法測試了不銹鋼異種焊接殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)有限元模擬與壓痕法測量結(jié)果吻合良好[13]。該方法對于試件造成的損傷極小，而且具有操作簡單、適用范圍廣、測量精度高等優(yōu)點，對于保證構(gòu)件安全性有著重要意義。壓痕法測試精度與塑性區(qū)大小密切相關(guān)，因此需要保證壓痕與應(yīng)變片測量區(qū)域在合理的距離內(nèi)。

1.2 無損檢測法

有損檢測法是工程中常用的檢測方法，但會對結(jié)構(gòu)整體造成一定的損壞，多數(shù)情況下不允許采用。無損檢測法以材料的某些物理性能受殘余應(yīng)力的影響而發(fā)生的變化為依據(jù)，通過檢測變化的數(shù)據(jù)得到構(gòu)件中的殘余應(yīng)力，主要包括X射線衍射法、中子衍射法和超聲波法等。

材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力及產(chǎn)生的應(yīng)變在微觀尺寸上表現(xiàn)為晶格間距的變化。X 射線衍射法主要是利用布拉格方程，通過測量晶格間距隨應(yīng)力大小發(fā)生的變化來衡量殘余應(yīng)力的大小[14]。何山等采用X 射線衍射法測量了Q235B 無縫鋼管焊接接頭的殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，采用手工方式打磨焊接表面可以提高測試的精度[15]。X 射線衍射法不僅能測量金屬材料的殘余應(yīng)力，還能測量涂層和薄膜的殘余應(yīng)力[16]。它具有測量速度快、精度高等優(yōu)點，但X 射線穿透能力有限，因此該方法僅能測量表層的殘余應(yīng)力。

中子衍射法與X 射線衍射法原理類似，但中子的穿透性更強，能夠測量一定深度的殘余應(yīng)力分布，是研究殘余應(yīng)力的重要手段[17]。REID 等通過中子衍射法測量了高強度低合金鋼板的焊接殘余應(yīng)力，結(jié)果表明：焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于屈服強度，且殘余應(yīng)力大小隨焊縫深度的增加而顯著降低，符合焊接殘余應(yīng)力的理論分布規(guī)律，中子衍射法可以有效測量殘余應(yīng)力分布[18]。但是其測試設(shè)備較大，耗時較長且費用較高，不適合現(xiàn)場作業(yè)，無法測量材料表面及近表面的殘余應(yīng)力。因此，需結(jié)合X 射線衍射法來獲取完整全面的殘余應(yīng)力分布[19]。

2 焊接殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)研究現(xiàn)狀

焊接殘余應(yīng)力調(diào)控分為焊前調(diào)控和焊后調(diào)控兩類。前者從焊接設(shè)計和工藝出發(fā)控制焊接變形量和受熱區(qū)域，達到削弱焊后殘余應(yīng)力的目的；后者通過加熱或力的作用來控制焊后殘余應(yīng)力。

2.1 焊前調(diào)控

焊前調(diào)控旨在焊接過程中削弱或消除殘余應(yīng)力，避免焊后的再次調(diào)控。為達到控制殘余應(yīng)力的目的，不同的焊接結(jié)構(gòu)需要選擇不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要有坡口類型、坡口角度、焊縫數(shù)量等。合理的焊接接頭設(shè)計不僅能滿足復(fù)雜工況下結(jié)構(gòu)的服役要求，還可以緩解焊縫處的應(yīng)力集中，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。蔡建鵬等通過有限元法研究了V 形坡口和K 形坡口對異種鋼焊接殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)與V 形坡口相比，K 形坡口能較好地減小焊接殘余應(yīng)力和變形[20]。金俊對單邊V 形坡口和Y 形坡口的不同坡口角度下焊接殘余應(yīng)力分布進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)坡口角度逐漸增大，無論是單邊V 形坡口還是Y 形坡口，焊接殘余應(yīng)力均變大，坡口角度不變，Y 形坡口的殘余應(yīng)力普遍小于單邊V 形坡口[21]。焊縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)盡可能減少焊縫數(shù)量并嚴(yán)格控制受熱區(qū)域，焊縫應(yīng)避免布置在危險截面處，還要考慮焊縫的焊接空間是否便于操作，以保證焊接質(zhì)量。

從焊接工藝方面，可以通過改變焊接熱輸入、焊接速度和焊接順序等來降低焊接殘余應(yīng)力。眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，較低的焊接熱輸入、較大的焊接速度和多次交替的焊接順序可以更好地削弱焊接殘余應(yīng)力[22-24]。

2.2 焊后調(diào)控

對于超大容器和反應(yīng)塔等大型焊接件，焊前調(diào)控并不適用，而且針對一些特定材料，如果無法正確進行焊前調(diào)控，會增大殘余應(yīng)力進而影響結(jié)構(gòu)使用壽命。此時，焊后調(diào)控能夠解決焊接殘余應(yīng)力的控制問題。焊后調(diào)控法包括熱處理法、噴丸法和錘擊法等。

熱處理法是將工件逐漸加熱到退火溫度并保溫一段時間后緩慢冷卻，以降低焊后殘余應(yīng)力并改善焊后組織及力學(xué)性能。姜鋒等將Al-Mg-Sc 合金焊接板材在350 ℃下保溫1 h，發(fā)現(xiàn)消除焊接殘余應(yīng)力的同時焊接接頭強度和硬度均有一定的提升[25]。王國慶等對Q235 焊接件分別進行不同溫度和不同保溫時間的熱處理，讓試件隨爐冷卻至室溫，采用小盲孔法測量試件殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)高溫下的短時保溫或低溫下的長時保溫均可有效降低焊后殘余應(yīng)力[26]。該方法作為焊后調(diào)控的主要方法，能夠有效降低大多數(shù)金屬焊接件的殘余應(yīng)力，但是由于耗時耗能、成本高等缺點，并不適用于大型焊接件。

傳統(tǒng)噴丸法利用大量的剛性彈丸，在高頻下對材料表面進行循環(huán)沖擊，使材料表面發(fā)生塑性變形，從而在材料表面引入殘余壓應(yīng)力場來延長構(gòu)件的疲勞壽命。ZHAO 等對不同參數(shù)下噴丸試驗產(chǎn)生的壓應(yīng)力場進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴丸強度、噴丸時間、彈丸直徑和硬度的增加，噴丸效果越來越好，但是在各項參數(shù)超過臨界值后噴丸效果會被削弱[27]。雖然傳統(tǒng)噴丸法成本較低，但是它增大了材料的表面粗糙度，會加劇磨損，因此需要與光整加工配合使用來保證表面質(zhì)量。SOYAMA 等通過對比空化噴丸和傳統(tǒng)噴丸對不銹鋼疲勞強度的影響發(fā)現(xiàn)，空化噴丸和傳統(tǒng)噴丸均會提高試件的疲勞強度，延長試件的壽命，疲勞試驗中兩者引入的壓應(yīng)力都逐漸降低，但空化噴丸的降低幅度比傳統(tǒng)噴丸低[28]?？栈瘒娡枘茉谠嚰砻娈a(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，且表面粗糙度小于傳統(tǒng)噴丸，具有較高的研究價值和應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

工程領(lǐng)域中，殘余應(yīng)力的檢測與調(diào)控技術(shù)一直都是研究的重點，文章簡要介紹了焊接殘余應(yīng)力檢測與調(diào)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀。相比于以前通過單一測試方法研究殘余應(yīng)力的二維分布情況，如今的研究者們傾向于利用多種測試手段結(jié)合的方式了解殘余應(yīng)力的三維分布，從而為后續(xù)工作提供準(zhǔn)確且全面的數(shù)據(jù)支持。由于殘余應(yīng)力的復(fù)雜性及各種檢測方法的局限性，現(xiàn)有的殘余應(yīng)力檢測方法在準(zhǔn)確性、有效性等方面依舊不能滿足工業(yè)需求，研究開發(fā)更加高效、便利、準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力檢測方法仍是各國學(xué)者有待解決的重要問題。

目前，多數(shù)工程常用焊后調(diào)控手段來控制焊接殘余應(yīng)力。但是焊后調(diào)控不僅費時費力，而且在處理過程中易使工件二次變形。現(xiàn)階段，殘余應(yīng)力調(diào)控手段雖然多，但是仍需要根據(jù)構(gòu)件材料、結(jié)構(gòu)及性能等因素合理選擇調(diào)控手段。因此，發(fā)展能夠?qū)崟r檢測焊接過程應(yīng)力分布及變形量的原位調(diào)控技術(shù)，以便隨時調(diào)整焊接工藝及調(diào)控工藝，從而更加準(zhǔn)確、高效地調(diào)控焊接殘余應(yīng)力，將是今后殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)發(fā)展的方向之一。