q345a高强钢板焊缝残余应力的x射线衍射法无损测试.docxVIP

q345a高强钢板焊缝残余应力的x射线衍射法无损测试 剩余焊接力是较大的应力集中力，对构件的力学和使用寿命有重大影响。因此，应始终了解焊接材料的水平和分布，避免零件故障，造成重要人员的财产损失。目前主要有两种测试焊接残余应力的方法,一种是如传统的切割或中心钻孔法等机械应力释放法,它们主要是通过机械完全或部分破坏手段,使含应力构件从高能量状态转变为较低能量状态以捕获其变形量再推算出应力。另一种是利用X射线衍射、电磁感应或声弹性等物理原理无损测试应力。由于X射线法的无损特性非常吸引人,加之其研究进展比较快速,所以目前已广泛被工程应用所接受。本文对Q345A钢板试样引入三种典型焊缝,利用X射线仪无损测试其残余应力水平及分布状态,并将测试结果与有限元仿真结果进行了对比。 1 实验材料及测量参数 试样材料为Q345A钢,试样尺寸为200 mm×100mm×8mm的矩形板。材料的屈服强度为345M Pa,抗拉强度为535MPa,伸长率为21%,杨氏模量为206GPa,泊松比为0.3。共取3块钢板试样,分别引入不同焊道的焊缝,即P1板仅沿板长度方向有焊缝,P2板仅沿板宽度方向有焊缝,而P3板第一道焊缝沿板长度方向且第二道焊缝沿板宽度方向。各焊缝布局示意如图1所示,相应的焊接参数列于表1。 X射线衍射残余应力测量设备为加拿大Proto公司生产的i XRD型衍射仪,其应力测试误差范围为±10MPa,详细测量参数为:固定ψ法,Cr靶,衍射晶面211,Gaussian拟合定峰。试验中使用南京麦迪森仪器有限公司生产的VT-2006电解抛光机对钢板焊缝测试点表面进行轻微的电解抛光。 2 焊接残余应力 残余应力测试值与基于边界元法的有限元结果如图2~4所示,其中应力测试点分别选在板纵向与横向中心线上,即沿着焊缝或垂直于焊缝分布。 由图2~4可见,焊接残余应力的测试值与基于边界元方法的数值仿真结果极具可比性,表明无损测试方法———X射线衍射技术非常适用于测试焊接残余应力,且结果要比传统的中心钻孔法精确。 焊接残余应力直接受其内部残余应力分布及状态的影响,而表观上即表现为取决于焊接方法、焊接过程中的热量输入、材料特性及焊接件结构形状与尺寸等因素。由于试验用板尺寸相对较小,故试板对焊接的约束不充分,如图2、3,P1与P2试板纵向(板长度方向)应力分布的最大值距材料屈服强度尚有一段距离。而P3试板采用二次焊接,由于第二道短焊缝对第一道长焊缝的干涉作用,导致沿板长度方向分布的残余应力水平较前两种情况更低,见图4。但沿板横向(板宽度方向)分布的应力较纵向分布的应力复杂。焊接过程中板沿长度方向的收缩及其间接造成的横向收缩共同作用对焊接残余应力沿该方向的分布状态有严重影响。理想状况下,沿板宽方向的残余应力水平低于屈服强度,但若考虑到造成该应力的复杂性,测试得到的应力很可能非常接近甚至超过屈服强度,此时材料硬化也是一个重要的影响因素。 值得注意的是,相对于P1、P2试板,P3试板纵向应力分布在一定范围内变化不明显。这是因为第二道短焊缝补偿了第一道长焊缝造成的沿板长方向的收缩作用,但仍会增强远离焊缝处的残余应力水平。 3 应力释放力效果 X射线法非常适于测试应力敏感程度较强区域的应力水平。焊接残余应力为一局部集中应力,应力水平较高,采用X射线衍法测试其应力较传统的机械应力释放法更精确,且应用场合更广,操作更加简便快捷。但是,由于X射线法的特殊性,对应力敏感程度较强,往往测试结果与实际值相差较大,在不能确定应力水平及分布的场合,可采用其他传统方法对该方法进行验证、标定或修正。