焊接残余应力磁弹性法测试研究2

1、焊接残余应力磁弹性法测试研究摘要:以巴克豪森噪声(BN为原理,采用频率2070kHz,测试深度为0.07mm的STRESS-CAN500C磁弹性应力仪,测量了焊后以及焊后热处理的残余应力(包括焊缝区、熔合区、热影响区,研究了残余应力的形成、不同区域的分布。结果表明:平行于焊缝的残余应力大于垂直焊缝的残余应力;丁字焊接区产生应力极大值。选择550×3h作为焊后热处理的工艺,其残余应力是屈服强度的20%。关键词:磁弹性法焊接残余应力焊后热处理Welding Residual Stress Testing Researchby Magneto-Elastic MethodZhang Zhe

2、n-guo1,Liu Hong-kai2,Shi Jun-mei3(1.College of M. & C., Zhongyuan University of Technology; 2.Zhengzhou Textile Machinery Co.,Ltd;Zhengzhou 450007, P.R.China; 3.Huanghe Magnesium Alloy Co.,Ltd;Jiaozuo 454100, P.R. ChinaABSTRACT:Based on Barkhausen Noise (BN,the welding and post -welding heat tre

3、atment residual stresses(include welding metal zone,fusion zone,heat affect zone were measured by using magneto-elastic method with 2070 kHz frequency & 0.07mm depth.The results show : The residual tensile stresses are higher in the longitudinal welding zone than in the horizontal.Ther are max r

4、esidual stress in T-shap welding zone.The stresses at post-welding heat treatment(550×3h is only 20% of yielding intension.KEY WORDS: magento-elastic method;welding residual stresses; post-welding heat treatment1、引言焊接件由于焊接的热过程产生了残余应力1,2,由于焊接方法等条件的不同,应力值存在的范围很宽,严重时可达到或超过材料的屈服强度。在焊接件失效事故中,有的是由于残余

5、应力过大而导致材料开裂,因而测定残余应力值的大小对焊接件的安全运行具有十分重要的意义。焊接区域包括焊缝区、熔合区、热影响区,三个区域的残余应力产生的机制和大小均有不同。另外,焊接结构中的环焊、纵焊、丁字焊较多,对焊接残余应力的贡献各有不同。目前对于残余应力的测试,多采用X射线法或盲孔法3,且大多在模拟试样上进行。X射线法需要专用设备,难以进行现场检测;盲孔法由于对产品的破坏很小,可以在很多成品上测试,但它对产品的破坏,在一定程度上限制了它的应用。因此两种方法均存在一定的缺点,需要开发新的焊接加工过程中与使用过程中的在线检测方法。本文利用铁磁材料的Barkhausen效应检测焊接残余应力,并对焊

6、后热处理残余应力进行了研究。2、试验方法及内容2.1 原理及装置对于铁磁材料,它包含着许许多多的电子自旋磁矩同向排列的小磁畴,每一个磁畴都有一个特定的自发磁化方向,相邻磁畴之间为畴壁。在外加交变磁场的作用下,铁磁材料被磁化,在磁化过程中畴壁出现不可逆的跳动式移动,从而在检测线圈中产生一个电脉冲信号,当被磁化区所有的磁畴壁移动引起的一系列电脉冲信号叠加到一起时就产生一个类似噪声的信号,这种电脉冲信号是由德国物理学家Barkhausen教授发现的,因而被称为巴克豪森噪声(Barkhausen Noise 4,简称BN。巴克豪森噪声强度(称为MP与材料内部的应力大小有对应关系,通过测量材料中巴克豪森

7、噪声强度(MP的变化可以得出材料内部的应力。以巴克豪森噪声(BN为基础测量表面残余应力的方法称为磁弹性法,它是一种新型的无损检测方法,具有方便、快速和准确的特点5-7,其测试残余应力的方法是,在工件上置放磁弹性仪,仪器中的探测线圈检测出在磁弹性仪的交变磁场作用下铁磁材料产生的巴克豪森噪声,从而间接测出构件的表面残余应力。当存在拉应力(包括残余拉应力时,平行于拉应力方向的磁畴将增加,因而巴克豪森噪声幅度值增高,磁弹性仪的输出电量MP值增高;反之存在残余压应力时,则MP值将减小。仪器采用芬兰产的STRESS-CAN500C磁弹性应力仪,测试拟选用的分析频率范围为20 70kHz,对应的测试深度为0

8、.07mm。2.2 试验材料材料为压力容器常用钢16MnR,化学成分和力学性能见表1;厚度为18mm。表1 16MnR钢的化学成分与力学性能 2.3 焊接工艺及热处理工艺2.3.1 焊接工艺采用开X形坡口的形式焊接;采用手工电弧焊,选用E5015焊条,不进行预热处理;焊接电流的大小根据经验公式I n =(3555d(式中I n焊接电流;d焊条直径确定,焊接电流范围为140250A;电弧电压U=20-25V;焊接速度为130mm/min;焊接层数为8层;考虑到压力容器焊接过程中环焊,纵焊、丁字焊较多,因此,采用环焊,纵焊、丁字焊等方法将试样焊接起来。2.3.2焊后热处理工艺焊后热处理主要涉及加热

9、温度、保温时间和冷却方式。结合施工现场实际情况以及16MnR 钢的厚度,采用加热温度450、550,保温时间3 h的焊后热处理工艺。在炉温升至300时放人待处理焊件,然后升温到预定的热处理温度,再进行保温;保温时间到后随炉冷却至300,然后将焊件移入空气中自然冷却。2.4 标定试验与标定曲线巴克豪森噪声不仅与工件中的应力大小有关,还与材料的组织状态、硬度、晶粒大小及表面状态有关8。在显微组织一定的情况下,通过标定巴氏噪声与应力的对应关系,得到一定显微组织下巴氏噪声强度与应力的标定曲线,就可以对同样显微组织的材料的残余应力的大小及分布进行测量和评估。标定试样是采用与所测构件相同的材料,按实际焊接

10、工艺焊接后,按照焊接的的三个分区-焊缝区、熔合区、热影响区,分别加工成300mm ×35mm ×4mm 的板状试样。由于试样在加工过程中有初始应力的存在,需要加热到500保温6h 后随炉冷却,以消除试样上初始应力对标定曲线的影响,然后在试验加载机上逐级加载标定,得到应力与巴克豪森噪声强度(MP 值的对应关系。试样标定曲线示意图见图1。 100200300-400-2000200400/MPa M P图1 焊接试样标定曲线3、试验结果与分析3.1 焊接残余应力分布试验所用钢板厚度为18mm ,本试验着重研究平行焊缝方向的纵向应力x 和垂直焊缝方向的横向应力y 的分布规律。表2

11、为焊接区残余应力测试结果,“-”表示压应力,数据既包括应力值的平均分布范围,又包括各个区域的个别点最大值。焊接区中除熔合区存在少量压应力外,其余均为拉应力,纵向应力x 总体大于横向应力y ,焊缝区和热影响区为拉应力高值区,并且两个方向上的应力分布基本对称于焊缝中心,热影响区总体大于焊缝区,二者均达到甚至超过了屈服强度的50%。焊接种类不同,造成的应力有一定的不同,一般来说,环焊缝的焊缝残余应力分布对称性较好;在丁字焊区域的测试结果,焊接残余拉应力的最大峰值达到365,超过了屈服强度的75%,并呈现出焊接残余应力分布的无规律性。表2 焊接区残余应力测试结果(单位:Mpa焊接区残余应力纵向x 横向

12、y焊缝区150250;max=311 50150;max=221熔合区-2092;max=105 -7050;max=94热影响区200300;max=365 150250;max=280 焊接过程,对金属构件局部的不均匀加热和冷却,导致金属组织变化的局部性,形成不均匀的温度场,使焊件产生不均匀的组织、性能和应力。焊缝区是铁素体和少量珠光体组成的柱状铸态组织,晶粒细化。残余应力主要来自三个方面:(1焊接温度场的较高温度梯度造成的热效应;(2不均匀变形加工所引起的不均匀塑性变形;(3焊接过程中的非平衡约束状态。另外,不均匀加热和冷却导致金属组织变化,从而引起体积变化而产生了相变内应力。熔合区中存

13、在熔化金属和未熔化的金属,熔化金属凝固成铸态组织,而未熔化的金属过热为粗晶粒,冷却时产生魏氏组织和粗大孪晶马氏体等脆性组织。加热和冷却导致金属组织的变化,致使该区强度、塑性和韧性都下降,并引起应力集中。热影响区为未熔化的金属。加热和冷却发生金相组织和力学性能变化,晶粒大小不均9,10,引起应力集中。3.2 焊后热处理对残余应力分布的影响表3为热处理后焊接区残余应力测试结果,可以看出,焊态试板存在的高拉伸应力经过焊后热处理,其幅值已经大幅度下降,而且个别点的最大值也明显降低。450下,仍然存在一些较大残余应力的区域,达到屈服强度的50%;而550,尽管存在一些较大残余应力值,但只是屈服强度的20

14、%,不会影响焊接构件的使用。表3 热处理后焊接区残余应力测试结果(单位:Mpa热处理温度( 热处理后焊接区残余应力纵向x 横向y450焊缝区50130;max=192 3095;max=114 熔合区-2050;max=85 -4050;max=64 热影响区100200;max=231 60130;max=152550焊缝区070;max=90 050;max=65 熔合区-1050;max=65 -1050;max=64 热影响区2080;max=91 1070;max=95在一定的温度条件下进行焊后去应力退火,焊接构件中的大小不均匀的晶粒依靠其浓度梯度、应力梯度或界面能等自发地从焊后不平

15、衡状态过渡到平衡状态,晶粒细化均匀;材料的显微组织虽然没有明显的变化,但会发生微观结构的变化。另外,温度在消除应力中起着决定性的作用,在低于规范的热处理温度下,不能有效地消除焊接残余应力。4、结论(1焊接残余应力的分布有如下规律:平行于焊缝的残余应力大于垂直焊缝的残余应力;丁字焊接区造成残余应力叠加,产生应力极大值。(2选择550×3h作为焊后热处理的工艺,其残余应力是屈服强度的20%。(3在450×3h保温后,其残余应力是屈服强度的50%,残余应力的松弛率较低。参考文献:1方博武.金属冷热加工的残余应力M.北京:高等教育出版社.1991.1020.2米谷茂.残余应力的产生

16、和对策M.北京:机械工业出版社.1984.2539.3袁发荣,武尚礼.残余应力测试与计算M.湖南:湖南大学出版社.1987.1931.4H. Barkhausen. Rauschen der Ferromagnetischen MaterialenJ.Phys.Zeitschrift,1919, 20:401-403.5陈慧余.磁无损检测和评估J.实验力学,1993,6(1:96-115.6 Karjalainen P, Moilanen M.Detection of Plastic Deformation During Fatigue of a Mild Steel by the Barkhausen Noise MeasuermentJ.NDT International,1979,12:51.7 Tiitto S.Magnetoelastic Testing of Biaxial Str