如何利用臨界折射縱波檢測鋼結構殘余應力？

隨著生產的發(fā)展和科學技術的進步,焊接技術已經廣泛應用于橋梁、建筑等各個領域,對國民經濟的發(fā)展起著極其重要的作用。由于高度集中的瞬時熱輸入,構件焊后將產生相當大的焊接殘余應力和變形,這將對焊接接頭的各種力學性能產生不同程度的影響。焊接殘余應力的存在,不僅會降低工件的強度,使工件在制造時產生變形和開裂等工藝缺陷;又會在制造后的自然釋放過程中使工件的尺寸發(fā)生變化或者使其疲勞強度、應力腐蝕等力學性能降低。因此,殘余應力的檢測,對于確保工程的安全性和可靠性有著非常重要的意義。

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一、殘余應力分類

在鋼結構的焊接過程中，由于大量熱量高度集中，在焊接結束后焊件內仍存在一定的應力，這些未消除的、參與在焊件中的應力就是我們經常提到的焊接殘余應力。根據這種焊接殘余應力方向的不同，可以分為縱向焊接殘余應力、橫向焊接殘余應力和沿焊縫厚度方向的焊接殘余應力三種。

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1、縱向殘余應力

縱向焊接殘余應力的形成主要是由于在焊接過程中焊接受熱不均勻便進行冷卻，這樣就在焊件中形成了不同溫度的溫度場。而不同的溫度又會導致焊件發(fā)生不同程度的膨脹，溫度越高的地方其膨脹程度越大，所以在焊接過程中由于焊縫附近的溫度最高，所以膨脹最大，而臨邊的溫度最低所以膨脹也最低，這樣就會產生塑性壓縮，而由于焊縫附近的溫度較高，膨脹系數較大，所以被塑性壓縮后焊縫區(qū)域與臨界區(qū)域相比要長一些，導致形成縱向的焊接殘余應力。

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2、橫向殘余應力

在鋼結構的焊接過程中形成橫向殘余應力的主要原因有兩個：

（1）在焊接過程中，由于焊縫縱向收縮，而鋼板向外彎曲，這形成了一個弓形。而焊縫又將兩塊鋼板連接在一起，形成了一個整體，這樣在焊縫的中間就產生了橫向的拉應力，同時在兩端也產生了橫向的拉應力。

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（2）在焊接過程中，由于焊縫的焊接位置不同，所以在焊接結束進行冷卻的過程中也會出現差別。在焊接時先焊接的焊縫由于焊接時間早，冷卻時間也早，所以其強度較強，而后面的焊縫由于焊接的較晚，冷卻的也較晚，所以焊縫位置就會發(fā)生橫向的膨脹，導致橫向塑性壓縮發(fā)生變形。在這兩個原因的共同作用下，焊縫的橫向拉應力和方向都會發(fā)生改變，最終導致產生橫向殘余應力。

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3、沿焊縫厚度方向的殘余應力

鋼結構焊接過程中產生的沿焊縫厚度方向的殘余應力主要是由于鋼結構的厚度較大，在焊接時需要采用多重焊接的方式進行施焊。所以在焊接過程中除了會產生縱向的焊接殘余應力和橫向的焊接殘余應力之外，還會產生沿焊縫厚度方向的殘余應力。這種殘余應力的存在，對于鋼結構的塑性會產生重要的影響，進而影響鋼結構的脆弱性和結構性，對建筑工程的質量造成重要影響。

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二、臨界折射縱波檢測法

目前殘余應力的檢測方法有多種，可分為破壞性和非破壞性兩大類，而超聲以其檢測無損、快速精確等優(yōu)勢，在殘余應力檢測領域得到了極大的發(fā)展，在這里值得一提就是基于超聲波的聲彈性理論研究出來的臨界折射縱波殘余應力檢測法。

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檢測原理：

當發(fā)射換能器激發(fā)超聲波縱波以第一臨界角斜入射到被檢件表面時，依據Snell定律，可在被檢件材料內部產生超聲臨界折射縱波，并可被接收換能器接收到。依據聲彈性原理，材料中的殘余應力會影響超聲縱波傳播速度，當殘余應力與縱波方向一致時，拉伸應力使超聲縱波傳播速度變慢或傳播時間t延長，壓縮應力使超聲縱波傳播速度加快或傳播時間t縮短。因此，在激勵和接收兩換能器之間的距離（探頭間距）保持不變的條件下，若測得零應力σ0對應超聲波時間t0和被檢件應力σ對應的超聲波傳播時間t。根據時間差按標準GB/T 32073-2015《超聲檢測殘余應力》中的公式計算出被檢件中的殘余應力絕對值σ。

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檢測方法：

1、檢測前準備

檢測區(qū)域的大小與探頭尺寸和檢測頻率有關，檢測區(qū)域長度L為臨界折射縱波傳播距離，通常為5mm~100mm。檢測區(qū)域寬度W為換能器晶片寬度或直徑，通常為5mm~30mm，檢測區(qū)域由頻率決定。檢測區(qū)域大小應超出探頭尺寸覆蓋的范圍或與其相等。

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2、表面準備

檢測位置的表敏粗糙度Ra應小于或等于10μm。

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3、檢測儀器的調整和設置

將殘余應力超聲檢測儀調整到正常工作狀態(tài)。根據已經確定好的檢測區(qū)域，設置檢測頻率、濾波帶寬、超聲激勵電壓、超聲接收增益、探頭間距和位置等檢測參數。

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4、應力系數標定

調整并設置好檢測儀器后，將探頭穩(wěn)固耦合在零應力試塊的標定區(qū)域內，按GB/T 228.1規(guī)定的方法，在（22±2）℃下，對零應力試塊進行拉伸試驗。

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在材料彈性范圍內，記錄檢測儀器的聲時差△t和拉伸試驗設備輸出的拉應力變化△σ，測量點不少于10點，重復拉伸次數不少于5次，取平均值，繪制出拉伸應力值與聲時差的坐標圖，然后對數據進行線性擬合，得到直線斜率的倒數即為應力系數K。

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5 、零應力校準

按規(guī)定調整和設置檢測儀器，將探頭穩(wěn)定耦合在零應力試塊的標準區(qū)域內，記錄儀器測出的零應力對應的超聲臨界折射縱波傳播時間t0。

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6、應力檢測

調整并設置檢測儀器，根據探頭布置，將探頭穩(wěn)定耦合在檢測位置，記錄儀器測出的零應力對應的超聲臨界折射縱波傳播時間t，根據標準中的公式計算出被檢件內的殘余應力△σ或σ0（設σ0=0），所得的殘余應力值為負值表示壓縮應力，正值表示拉伸應力。

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7、溫度補償與修正

根據溫度差對檢測到的殘余應力數值進行溫度補償修正。

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三、結語

殘余應力是零件表面完整性質量的關鍵評價指標，只有選擇合適的檢測方法，合理的進行檢測，才能夠對焊接加工工藝評估和工藝優(yōu)化提供量化依據，零部件變形及失效問題才能夠得到分析、得到針對性解決，才能將焊縫焊接殘余應力控制在合理水平，減少或延緩疲勞裂紋的發(fā)生，才能提高和保證產品交付質量，提高工程建設中的驗收質量。