射線法與應力釋放法測量焊接應力的對比研究

2016-03-14 11:36:00
合肥工業大學 孫明如
原創
4617
摘要:在工程機械中焊接結構件的重量約占整機重量的60%--75%,則于焊接接頭中的高殘余應力會引起鋼結構的變形、脆性斷裂,疲勞破壞和應力腐蝕開裂等,所以了解焊接結構中的殘余應力分布,確保焊接鋼結構的質量的安全可靠是極為重要的。
在工程機械中焊接結構件的重量約占整機重量的60%--75%,則于焊接接頭中的高殘余應力會引起鋼結構的變形、脆性斷裂,疲勞破壞和應力腐蝕開裂等,所以了解焊接結構中的殘余應力分布,確保焊接鋼結構的質量的安全可靠是極為重要的。 

常用的焊接結構殘余內應力的測試方法,按其原理可分為兩 大類:應力釋放機械測量法和無損的物理測量法。由于電陰應變片電測法與機械法的配合使用,大大降低了機械法對構件的破壞性;物理法中比較常用的是X光射線衍射測量法。本文對兩種測量測量方法測量結果的曲同點作了比較詳細的對比討論,并從理論上進行了解釋。 

1 實驗過程 

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

2 結果用分析 

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

出現這種現象的原因是:在焊后的冷卻過程中不均勻溫度場分布引起的焊縫及熱影響區的拉伸塑性變形,此時金屬由鐵素體相α和珠光體相θ級成,而珠光體的屈服極限和楊式模量均高于鐵素體,此時焊縫中的每個相都發生變形,原理如圖3所示。因為鐵素體是基體,而用X射線測量應力是通過測量晶面間距的變化來確定應力數值的,所以用X射線法測得的應力值僅是對應鐵素體相和珠光體相的加權平均值。由于這一原因,用兩種方法在焊縫和熱影響區測得的玩世不恭八應力值不一致致。

必須注意,用X射 線法測量的應力不是鋼中的應力而是鐵素體相的應力。若基板并未發生塑性變形的話,則射線法,沒得的應力可以看作是鋼中的的應力。焊接區中的殘余應力值可從X射線法測得的應力值作適當的修正來計算。 

3 結論 

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