深孔法測試Q345焊接試板熱處理前后三維殘余應力的可行性

陳靜， 姜云祿， 陳懷寧

(1.中國科學院金屬研究所，沈陽110016; 2.中國科學院核用材料與安全評價重點實驗室，沈陽110016)

0 前言

材料加工成形是各種工程零部件制造的基礎，也是高端裝備制造發展的基石。材料經過鑄造、鍛壓、焊接等加工后，由于機械與熱作用產生不均勻的彈塑性變形，將不可避免地產生殘余應力。如發動機缸體、缸蓋及超大容器的筒體焊接件、核電J坡口焊接件及軸承關鍵零部件等在后期使役過程或再加工過程中，容易出現結構失效和尺寸的不穩定性等問題。尤其在一些交變載荷或其他復雜工作應力條件下的大結構件，疊加工作應力超過材料強度或結構件內部存在微小缺陷時，極易引起由內到外的裂紋擴展。因此，獲知材料結構內部的殘余應力特征是非常必要的。

內部殘余應力檢測方法主要有中子衍射法、輪廓法、R-N切割法和深孔(Deep-hole drilling, DHD)法。中子衍射法[1-4]是一種無損的三維殘余應力檢測方法，其測量原理與X衍射法相似；因為中子穿透力較強，一般鋼結構中可達深度近30 mm，在鋁及鋁合金結構件中的檢測厚度可達100 mm；不過中子衍射測試殘余應力的資源有限，難以完成眾多的殘余應力檢測需求。輪廓法[5-8]是一種完全破壞性方法，需要綜合試驗測量切割后輪廓變形量和有限元法重構應力特征來獲得殘余應力大小，測試過程較為復雜。R-N切割法[9-10]屬于半破壞性三維殘余應力測試方法，應用較為靈活，但測試周期較長，對試驗者要求也較高。DHD法是近幾年發展起來的一種深度方向殘余應力測試方法，其測量原理是基于平面應力場彈性應力釋放理論。通過測量參考孔在套孔前后的直徑差值，計算該位置處殘余應力沿深度方向的分布規律。DHD法在國外研究較多，不過很多均是原理性探討和模擬計算研究，套孔工藝也以軸向套孔方式為主[11-15]。由于DHD法破壞性較小，測試周期較短，這幾年在國內也越來越受到重視。廖凱等學者[16]通過有限元模型與數學解析推導結合，總結了深孔法用于測量7075鋁合金材料三維殘余應力的計算方法。趙美娟等學者[17-18]系統地研究了不同套孔加工方式對DHD測試結果的影響及DHD測試殘余應力時結果精度的影響因素，特別提出了環向套孔加工方式在DHD測試應力時的優勢。不過，目前的DHD法研究工作大多停留在模擬和試驗階段，由于加工工藝及測量手段限制，還未在工程中得到大范圍的應用。

基于已有的研究結果，進一步研究了DHD法在焊接試板三維殘余應力測試中的應用，采用焊態和熱處理態(消應力退火)的焊接試板進行殘余應力分析，以確定DHD法在焊接試板厚度方向測試殘余應力的可行性和準確性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試板母材為Q345低合金結構鋼，規格為300 mm×100 mm×35 mm，坡口形狀為X形，坡口角度為45°。坡口加工后,母材進行消應力退火，再進行焊接。焊接工藝為采用鎢極氬弧焊進行打底焊，隨后采用氣體保護焊進行填充焊和蓋面焊，雙側焊縫交替施焊，焊道均為10道，焊后試板基本無變形，焊縫最大寬度為25 mm。焊后均在板厚方向A側銑平焊縫以方便進行DHD測試，銑去高度大約為0.5～1.0 mm；B側未做處理，為原始焊縫面，如圖1所示。焊接試板共2塊，1塊為焊后狀態，1塊采用700 ℃×4 h熱處理工藝進行消除應力退火。焊縫及母材的彈性模量為210 GPa，力學性能參數見表1。

圖1 殘余應力測試位置

表1 Q345焊縫及母材力學性能

1.2 試驗方法

考慮到DHD測試近表面殘余應力的局限性，在DHD開始測試前采用壓痕應變法測試表面殘余應力。測試位置和焊縫剖面圖如圖1所示。

壓痕應變法所用應變片為BA120-1BA-ZKY，應力測試儀為KJS-3型應力測試儀。壓痕測試時表面略打磨，A側和B側焊縫中心位置各測試一點。

DHD測試參考孔直徑為3 mm，套孔加工方式采用環向套孔加工，焊后及消應力退火后測試位置均為距離壓痕測試點40 mm處。直徑測量儀采用德國進口雙觸點深孔測頭，直徑顯示為瑞士SYLVAC數顯電子萬分表，該套設備可測構件深度范圍為0～40 mm，分辨率為0.1 μm。

DHD測試殘余應力主要依據參考孔在套孔前后直徑變化量以獲得該測點的應變，主要測試步驟如圖2所示。設參考孔初始直徑為d0(θ,zi), 套孔后直徑為d′(θ,zi), 則可依式(1)和式(2)計算應變和應力：

(1)

(2)

式中：對于測試焊縫殘余應力，θ=0°時，為焊縫縱向；θ=90°時，為焊縫橫向。則計算應變和殘余應力可簡化為式(3)和式(4)：

(3)

(4)

圖2 DHD測殘余應力的主要步驟

2 試驗結果與分析

2.1 壓痕應變法測試結果

壓痕應變法主要測試焊縫表面殘余應力，一方面是為了獲得較為完整的應力分布曲線，另一方面也是對DHD測試結果的一個比較驗證。壓痕應變法測試結果見表2。從壓痕應變法測試結果可以看出，A側由于經過銑削加工，焊縫應力要小于未經過加工的B側的應力，而消應力處理過的焊縫應力亦有此表現。

表2 焊縫表面殘余應力 MPa

2.2 DHD法測試結果

DHD測試殘余應力時，參考孔直徑為φ3 mm，套孔直徑為φ12 mm。表3是焊態和熱處理態測得的參考孔直徑。依據測得的參考孔直徑變化，可依式(3)和式(4)計算相應位置的應變和應力，見表4。從DHD測試結果可以看出，與壓痕應變法規律類似，A側的殘余應力略低于B側的殘余應力。

結合壓痕應變法測得的表面殘余應力和DHD測試的厚度方向殘余應力，繪制焊縫厚度方向殘余應力分布曲線，如圖3所示。從殘余應力分布曲線規律來看，焊態焊縫應力水平較高，尤其是焊縫縱向應力，大多為200 MPa以上的拉應力，應力峰值為441 MPa，接近焊縫金屬屈服強度的90%。熱處理態的焊縫應力較小，最高應力未超過100 MPa，平均應力水平未超過50 MPa，未超過焊縫金屬屈服強度的10%。

表3 參考孔直徑測量 mm

表4 焊縫應變和應力

圖3 焊縫厚度方向殘余應力分布曲線

3 結論

(1)焊態焊縫厚度方向殘余應力分布以厚度中心為對稱軸，呈M形分布特征。焊縫的應力峰值為441 MPa，接近焊縫金屬屈服強度的90%。

(2)熱處理態焊縫殘余應力處于較低應力水平，在厚度方向上均勻分布，平均應力低于50 MPa，未超過焊縫金屬屈服強度的10%。

(3)通過對比焊縫內部殘余應力在熱處理前后的分布規律，說明采用DHD法測試焊接試板內部應力是可行的。

(4)采用壓痕應變法獲得焊接構件表面殘余應力，表面殘余應力水平與DHD測試的近表面殘余應力水平相當。因此，壓痕法可以用來彌補DHD法無法測試表面殘余應力的局限性。