应力腐蚀下残余应力论文

1、基于焊缝残余应力磁记忆信号的研究黄保富 张丰达周福天秦萍（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318）摘要：为了获得焊缝在应力腐蚀作用下的残余应力，由于铸造、焊接、冷加工等工艺引起的残余应 力在工程结构中大量存在，有关残余应力对腐蚀开裂的影响已开始引起人们的重视。通过对20号钢 板状试件焊缝的腐蚀和无腐蚀实验，研究焊缝正、反面磁记忆信号的变化规律，得到了腐蚀和非腐 蚀下的焊缝磁记忆特征信号。结果表明： 关键词：残余应力，金属磁记忆，应力腐蚀、0.引言焊接时钢结构的主要连接方式，焊缝表面粗糙和表面缺陷（如咬边、凹坑等）以及焊缝中的缺 陷（如夹杂、气孔特别是未焊透），都会造成焊缝处的应

2、力集中。对于表面缺陷可以用磁粉法或者渗 透法来检验，对内部缺陷可用X射线或者超声波检验。他们的优点是灵敏度高，磁粉检测缺点是有材 料的限制，X射线的费用高，超声波要求所测试件完整干净，都具有一定的局限性，但是磁记忆无损 检测技术克服上述的缺点，它集中了非破坏检测、断裂力学和金属学的潜在能。携带带焊缝试件在 工作过程中，由于承受载荷试件无可避免的要接触具有腐蚀的介质，诸如空气、水、化学物质，因 此严重的焊缝位置必然发生腐蚀失效。上世纪90年代由俄罗斯专家首先提出利用加载铁磁构件中产生磁记忆效应可检测构件表面应力 集中区，并且以以俄罗斯“动力诊断公司”为主，研究并开发了很多磁记忆检测的设备和相关软

3、件， 制定了一系列指导文件和检测方法。我国于90年代末引进磁记忆检测技术，在2000爱德生电子有限 公司在国内研制出磁记忆检测仪 EMS-2000金属诊断仪（八通道），经过这么多年的努力研究， 我们逐渐把这项技术推向电力、石油、航空、机械等领域。王威、白国良研究钢结构焊缝磁记忆检 测机理及应用，表明无损磁记忆检测比传统检测方法更能发现焊缝的裂纹和应力集中，并且发现与 应力相关的缺陷和应力集中线【1】。李振奎、杨晓翔研究了金属磁记忆技术在焊缝检测中的应用， 这项技术可以和超声波检测技术相结合，提高焊缝检测的效率和结果判断的准确性，对于提高焊接 质量，确保结构件的安全性【2】。张卫民、王朝霞等研究

4、了拉伸情况下含裂纹16MnR钢的磁记忆检测， 研究不同拉伸阶段裂纹尖端磁信号的变化规律，利用铁磁学基本理论研究和解释复杂实验现象.在 对拉伸载荷变化和磁信号变化规律进行分析，提出了载荷梯度参数的概念，并且利用此参数表征弹 塑性应变【3】。目前磁记忆信号的研究主要针对不同载荷下和一些焊接缺陷下的磁记忆检测实验， 而腐蚀条件下残余应力焊缝磁记忆信号的研究比较少。1.磁记忆的原理铁磁材料在应力作用下有磁弹性效应和系机械效应，金属在应力作用下，内部会产生位错运动， 形成滑移。当位错运动受到阻碍时，会产生应力集中，材构件在应力集中区的形成会聚集相当高的 应力能，为了使构件内部的总应力能趋于最小，在磁机械

5、效应的作用下引起构件内部的磁畴在地球 磁场中作畴壁的位移甚至不可逆的重新排列，主要以增加磁弹性能的形式来抵消应力能的增加【4】。 磁场强度法向分量的梯度值dH / dx和dH / dx都具有最大值，磁场强度法向分量梯度值 dH / dx和切向分量的梯度值dH / dx都可以描述试件在检测方向上应力分布情况。应力变化 ）x越剧烈的地方，梯度值也越大，说明应力集中程度也越大。由于存在缺陷的位置，通常会有应 力集中存在，因此该处的梯度值常达到最大值5】。被测零件漏磁场H与磁机械效应应力变 八、一、，一入H化值2之间的关系为：H =S。式中：H为磁弹性效应不可逆分量，是一个取决于机械0应力、外磁场强度

6、和温度的函数；七=4兀X10 -7为真空磁导率。发现磁记忆检测结果与纵向残余应 力具有较强的相关性【6】。02实验内容2.1实验材料和试验设备本实验采用尺寸为300X 70X6mm、中间带有预制焊缝的板状试件，试件母材为20号钢，焊条 J422，焊接工艺采用手工钨极氩弧焊形式，平板沿焊口处对齐成“V”形坡口，电弧电压18 V、焊接 电流110 A、氩气流量8升/分钟，焊接时间为每件58分钟。实验中应力腐蚀所用的药品包括10% 氯化铵水溶液、去离子水、丙酮；其它材料有量杯、砂纸、脱脂棉、纱布、塑料膜、橡胶手套、PH 试纸。腐蚀方式选用缠裹法。首先用砂纸将试件的表面打磨光滑，然后用去离子水、丙酮，

7、将试件 擦洗干净、晾干，用氯化铵配置成PH值约为5.5、浓度为10%的水溶液作为腐蚀介质。2.2实验方法本文设计了腐蚀和非腐蚀的对比实验，共设计了两组实验：第一组为无载荷无腐蚀下的残余应力实 验，就是把试件按照一定方向实验桌上不受外力作用，并且防止其发生腐蚀的实验。第二组为腐蚀 下的残余应力，分别有两个小组实验，1小组为无载荷作用只受到腐蚀作用下的实验，腐蚀液采用 10%氯化铵水溶液，采用缠裹法对试件进行腐蚀，每24h测量一次磁记忆信号后更换一次腐蚀液，实 验共进行51天；2小组为受到35kN拉伸静载并且在腐蚀作用下的实验，采取相同腐蚀液及缠裹法 进行实验，每24小时测量一次磁记忆信号并更换一

8、次腐蚀液，测量共进行31天。3结果分析3.1无载荷非腐蚀下的残余应力在无载荷和无腐蚀作用下，带焊缝的钢板中的残余应力几乎都是焊接残余应力。试验中采取了 对接焊的方式，焊接部位为小“V”坡口。故焊接残余应力分为三个部分，分别为焊缝方向的纵向焊 接残余应力、焊接方向的横向残余应力和沿厚度方向的残余应力。当两块钢板对接焊时，钢板焊缝 一侧受热升温，将沿焊缝纵向方向伸长，但受到钢板两侧为首热区的限制，伸长量被压缩，产生热 塑性变形，焊接完成后，焊缝金属冷却到室温状态，焊缝将要沿着焊缝收缩，但是由于塑性变形不 可逆，焊缝金属被纵向受拉，它的内部产生拉应力，焊缝周围的金属则受到压迫产生压应力作用。这一个自

9、相平衡的应力则是纵向焊接残余应力。横向焊接应力产生也是由于焊接技术冷却，焊缝中部产生拉应力而周围两侧产生压应力而产生的。角焊缝焊接尺寸：H 1.5 (其中t为焊件厚 度)。其中我们主要分析纵向焊缝残余应力，我们从图中可以看出接近焊缝位置所测曲线信号波动频 繁，第一条曲线峰峰值为0，第二条为-15A/m，所测曲线峰峰值集中在-50A/m附近波动，梯度值变化非常明显，基本是在6 (A/m) /mm上下跳变，并且有很尖的峰，说明此处残余应力变化大，说明Hp-1 dH1/dxHp-2dH2/dxHp-3dH3/dxHp-4dH4/dxHp-5dH5/dxHp-1 dH1/dxHp-5 dH5/dxHp

10、-2dH2/dxHp-3 m Hp 3 k dH3/(A5 101520 2530 35 40 45 5055 60 6570 75 甲15105100 E00-5-100-10-15-200300dH/dX2000 5 101520 2530 35 40 45 5055 60 6570 75 80L , mmdH/dx, (A/m)/mm反横正横3.2腐蚀下的残余应力3.2.1无载荷腐蚀下的残余应力试件无载荷状态仅仅受到腐蚀作用时，此时磁记忆信号曲线较焊接残余应力时的曲线发生了变 化，因为除了受到焊接残余应力的作用，还受到腐蚀的作用，腐蚀液会促使焊缝位置应力变化。在 实验开始的时候，如第一条

11、曲线，梯度值更是达到了 15（A/m）/mm左右，接着梯度值下降，基本上 维持在7（A/m）/mm附近摆动，梯度值较无载荷无腐蚀条件下更高，说明了腐蚀对于焊缝板件的影 响。第一条曲线峰峰值-75A/m，第二条-70A/m，焊缝试件峰峰值在-100A/m附近波动，试件的峰峰 值都集中在40至50mm之间，梯度值在48mm处附近达到最大，此区域为应力集中区（或热影响区）。m0 5 10 15 20 25 30 L 40 4(|5 60 65 了。75 80-60-80-100-120-140-160-180-200-2200 5 10 15 20 25 30 L 40 金|常 60 65 70 7

12、5 800 5 1015 20253035 40 45 5055 60 65 70 75 80L , mmHp-1 dH1/dx-Hp-2 dH2/dxHp-3m-dH3AX-HP-4K-dH4HX-Hp-5-dH5/dxHp-6-dH6/dx0-4-6-85 10 1520253035404550556065 70 75825020015H100500-50-100-150-200-2500 5 10 1520 25 30 35 4045 50 55 6065 70 75 80L, mm-Hp-1-dH1/dxHp-2-dH2/dxHp-3-dH3/dx一 Hp-4 dH4/dx一 Hp-5

13、-dH5/dx-Hp-6 dH6/dxdH/dx, (A/m)/mm反横正横3.2.2在35拉伸静载腐蚀下的残余应力试件在拉伸载荷和腐蚀同时作用下，磁记忆信号曲线的峰峰值突起更加明显，几乎所测每条 线都有一个很大的峰值，第一条曲线峰峰值为20A/m，第二条为-90A/m，第三条为-40A/m，曲线峰 峰值在-40A/m附近波动，曲线比较集中；第一条曲线的梯度值8（A/m）/mm，第二条为6A/m，曲线 的梯度值约为7.5A/m，曲线的梯度值变化比较频繁，有很多的一个个小尖峰；峰峰值在35至45mm 之间的峰峰值比较大，在42mm附近时达到最大，此处也是焊缝位置的应力集中区（或者热影响区）。0

14、5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80L , mmHp-1Hp-2-Hp-3Hp-4Hp-1Hp-2-Hp-3Hp-4Hp-5Hp-6Hp-70 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80L, mm150100500-50-1005 1015202530354045505560657075801-80 5 101520253035 404550556065 707580L , mmHp-1 dH1/dxHp-2dH2/dxHp-罗dH3AxHp-PdH4HxHp-5dH5/dxHp-6dH6

15、/dxHp-786420-2-4-6-80 5101520253035404550556065707580L , mm-Hp-1_ dH1/dx-Hp-2-dH2/dx-Hp-3_ dH3/dx-Hp-4-dH4/dx-Hp-5-dH5/dx-Hp-6_ dH6/dx Hp-7dH/dx, (A/m)/mm综上所述:正横反横4结论本文通过无腐蚀和腐蚀作用下的对比实验，（1）（2）（3）研究腐蚀的金属磁记忆信号的特征。得出以下结论:参考文献：钢结构焊缝的磁记忆检测机理及应用研究金属磁记忆技术在焊缝检测中的应用研究拉伸情况下含裂纹16MnR钢的磁记忆检测实验磁记忆法在联箱管座角焊缝检验中的应用金属磁记忆检测的原理及应用基于磁记忆检测技术的焊接缺陷多参数识别系统钢结构焊接残余应力