如何利用臨界折射縱波檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力？

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著極其重要的作用。由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入,構(gòu)件焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接殘余應(yīng)力和變形,這將對(duì)焊接接頭的各種力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。焊接殘余應(yīng)力的存在,不僅會(huì)降低工件的強(qiáng)度,使工件在制造時(shí)產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷;又會(huì)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(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等力學(xué)性能降低。因此,殘余應(yīng)力的檢測(cè),對(duì)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(yīng)力分類

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

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1、縱向殘余應(yīng)力

縱向焊接殘余應(yīng)力的形成主要是由于在焊接過程中焊接受熱不均勻便進(jìn)行冷卻，這樣就在焊件中形成了不同溫度的溫度場(chǎng)。而不同的溫度又會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生塑性壓縮，而由于焊縫附近的溫度較高，膨脹系數(shù)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(dǎo)致形成縱向的焊接殘余應(yīng)力。

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2、橫向殘余應(yīng)力

在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中形成橫向殘余應(yīng)力的主要原因有兩個(gè)：

（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(gè)弓形。而焊縫又將兩塊鋼板連接在一起，形成了一個(gè)整體，這樣在焊縫的中間就產(chǎn)生了橫向的拉應(yīng)力，同時(shí)在兩端也產(chǎn)生了橫向的拉應(yīng)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(jié)束進(jìn)行冷卻的過程中也會(huì)出現(xiàn)差別。在焊接時(shí)先焊接的焊縫由于焊接時(shí)間早，冷卻時(shí)間也早，所以其強(qiáng)度較強(qiáng)，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(huì)發(fā)生橫向的膨脹，導(dǎo)致橫向塑性壓縮發(fā)生變形。在這兩個(gè)原因的共同作用下，焊縫的橫向拉應(yīng)力和方向都會(huì)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致產(chǎn)生橫向殘余應(yīng)力。

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3、沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力

鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中產(chǎn)生的沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力主要是由于鋼結(jié)構(gòu)的厚度較大，在焊接時(shí)需要采用多重焊接的方式進(jìn)行施焊。所以在焊接過程中除了會(huì)產(chǎn)生縱向的焊接殘余應(yīng)力和橫向的焊接殘余應(yīng)力之外，還會(huì)產(chǎn)生沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力的存在，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的塑性會(huì)產(chǎn)生重要的影響，進(jìn)而影響鋼結(jié)構(gòu)的脆弱性和結(jié)構(gòu)性，對(duì)建筑工程的質(zhì)量造成重要影響。

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二、臨界折射縱波檢測(cè)法

目前殘余應(yīng)力的檢測(cè)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(cè)無損、快速精確等優(yōu)勢(shì)，在殘余應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)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(yīng)力檢測(cè)法。

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檢測(cè)原理：

當(dāng)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(shí)，依據(jù)Snell定律，可在被檢件材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲臨界折射縱波，并可被接收換能器接收到。依據(jù)聲彈性原理，材料中的殘余應(yīng)力會(huì)影響超聲縱波傳播速度，當(dāng)殘余應(yīng)力與縱波方向一致時(shí)，拉伸應(yīng)力使超聲縱波傳播速度變慢或傳播時(shí)間t延長，壓縮應(yīng)力使超聲縱波傳播速度加快或傳播時(shí)間t縮短。因此，在激勵(lì)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(cè)得零應(yīng)力σ0對(duì)應(yīng)超聲波時(shí)間t0和被檢件應(yīng)力σ對(duì)應(yīng)的超聲波傳播時(shí)間t。根據(jù)時(shí)間差按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32073-2015《超聲檢測(cè)殘余應(yīng)力》中的公式計(jì)算出被檢件中的殘余應(yīng)力絕對(duì)值σ。

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檢測(cè)方法：

1、檢測(cè)前準(zhǔn)備

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

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2、表面準(zhǔn)備

檢測(cè)位置的表敏粗糙度Ra應(yīng)小于或等于10μm。

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3、檢測(cè)儀器的調(diào)整和設(shè)置

將殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)儀調(diào)整到正常工作狀態(tài)。根據(jù)已經(jīng)確定好的檢測(cè)區(qū)域，設(shè)置檢測(cè)頻率、濾波帶寬、超聲激勵(lì)電壓、超聲接收增益、探頭間距和位置等檢測(cè)參數(shù)。

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4、應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

調(diào)整并設(shè)置好檢測(cè)儀器后，將探頭穩(wěn)固耦合在零應(yīng)力試塊的標(biāo)定區(qū)域內(nèi)，按GB/T 228.1規(guī)定的方法，在（22±2）℃下，對(duì)零應(yīng)力試塊進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

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在材料彈性范圍內(nèi)，記錄檢測(cè)儀器的聲時(shí)差△t和拉伸試驗(yàn)設(shè)備輸出的拉應(yīng)力變化△σ，測(cè)量點(diǎn)不少于10點(diǎn)，重復(fù)拉伸次數(shù)不少于5次，取平均值，繪制出拉伸應(yīng)力值與聲時(shí)差的坐標(biāo)圖，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到直線斜率的倒數(shù)即為應(yīng)力系數(shù)K。

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5 、零應(yīng)力校準(zhǔn)

按規(guī)定調(diào)整和設(shè)置檢測(cè)儀器，將探頭穩(wěn)定耦合在零應(yīng)力試塊的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)，記錄儀器測(cè)出的零應(yīng)力對(duì)應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播時(shí)間t0。

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6、應(yīng)力檢測(cè)

調(diào)整并設(shè)置檢測(cè)儀器，根據(jù)探頭布置，將探頭穩(wěn)定耦合在檢測(cè)位置，記錄儀器測(cè)出的零應(yīng)力對(duì)應(yīng)的超聲臨界折射縱波傳播時(shí)間t，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的公式計(jì)算出被檢件內(nèi)的殘余應(yīng)力△σ或σ0（設(shè)σ0=0），所得的殘余應(yīng)力值為負(fù)值表示壓縮應(yīng)力，正值表示拉伸應(yīng)力。

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7、溫度補(bǔ)償與修正

根據(jù)溫度差對(duì)檢測(cè)到的殘余應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。

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三、結(jié)語

殘余應(yīng)力是零件表面完整性質(zhì)量的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，只有選擇合適的檢測(cè)方法，合理的進(jìn)行檢測(cè)，才能夠?qū)附蛹庸すに囋u(píng)估和工藝優(yōu)化提供量化依據(jù)，零部件變形及失效問題才能夠得到分析、得到針對(duì)性解決，才能將焊縫焊接殘余應(yīng)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(chǎn)品交付質(zhì)量，提高工程建設(shè)中的驗(yàn)收質(zhì)量。