！ Ｑ： Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 工业技术 焊接残余应力的光弹性贴片法测量① 李鑫 袁宗浩 （西南交通大学 四川成都 ６１ １ ７５６） 摘 要：在各种工业生产中，焊接技术得到了广泛应用，然而焊接残余应力对结构和构件有很大的危害。该文以理论研究成果为基础， 对利用光弹性贴片盲孔法在测量焊接残余应力方面的方法，原理，器械和测量系统等做了深入的分析。 关键词：焊接残余应力 光弹性贴片 盲孔法 中图分类号：ＴＭｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６ ７４—０９８ｘ（２ｏ１０）１ ０（ｃ）一０ ０３８—０ ２ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｉ ｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．ｂｕｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｏｅｓ ｇｒｅａｔ ｈａｒｍ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎａｌｙｓｅｓ ｄｅｅｐｌｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｕｓｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｂｌｉｎｄ－－Ｈｏｌｅ Ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｄｕａｌ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｂｌｉｎｄ—Ｈｏｌｅ Ｍｅｔｈｏｄ １．２．３产生“应力重新分布”现象 １．１焊接残余应力的危害 当焊接残余应力和外部荷载应力共同 作用超过焊件的屈服强度时，焊件局部将 在制造工业中，焊接技术是一种重要 的工艺方法。由于焊接制品具有经济效益 产生塑性变形，但一旦外荷载卸去，由于焊 高、制造速度快、对铸造设备的要求低等众 件的塑性变形不可恢复，导致焊接残余应 多优点，因而焊接工艺在各种工业生产中 力产生“应力重分布”，焊接残余应力峰值 降低。 得到了越来越多的应用。 １．２．４没有明显的外部表现 但是通过焊接工艺得到的金属构件如 焊接残余应力不像焊接残余变形那样 机器的零部件等，其内部存在着产生的较 大残余应力。因为焊接是一个对焊件局部 有外部直观表现，但是当发现对它的忽略 加热，然后逐渐冷却的过程，不均匀的温度 时，很有可能已经造成了某种事故。场将使得焊件各部分产生不均匀的变形， 进而产生各种焊接残余应力。通过长期的 实践和研究，人们逐渐认识到焊接残余应 力的危害：严重降低结构和构件的疲劳强 度、抗脆断能力、抗腐蚀能力以及抗高温蠕 变开裂能力等。因而对焊接残余应力的准 确测量，对掌握焊接残余应力产生和存在 的规律、采取降低焊接残余应力危害的措 施以及延长构件的使用寿命等都有着重要 的意义。虽然焊接残余应力产生的原因各 异，分布规律复杂，但是人们长期的研究表 明，焊接残余应力有如下的共性，这也对我 们测量焊接残余应力提供了方便。 １．２焊接残余应力的特点 １．２．１自相平衡的特点 焊接残余应力是一种拉应力、压应力 同时存在于同一平衡构件中的应力，因为 其符合平衡条件，所以必然自相平衡。 １．２．２遵循应力叠加原理 如果存在焊接残余应力的构件投入使 用，外界荷载产生的应力将会与原存焊接残 余应力叠加，若符号相反，对构件承载力有 利；反之则不利，使得构件局部更容易达到 其屈服强度，导致局部破坏或者提前失效。 １焊接残余应力的介绍 利用盲孔法测量焊接残余应力的表达式 时，一般都是将残余应力场看作一个平板 ２测量焊接残余应力的各种方法比较 由于焊接残余应力对焊接结构的安全 性，可靠性等带来了诸多不利的影响，因 此，从２０世纪３０年代就开始被人们关注和 研究，距今已发展了十多种测量焊接残余 应力的方法。这些方法大致可以分为两大 类，一类是非破坏测量方法，有磁性测量 法、超声测量法和Ｘ射线法，另一类是具有 完全破坏或者一定损伤的机械释放测量 法，如盲孔法、分割全释放型测量法和逐层 剥层法。为了满足实际工程的需要，国内外 专家学者对测量方法的创新和开发仍在继 ２（１＋ １ 续。在上述各种方法中，目前使用较多的是 ３Ｅ．Ｎ、．ｆ ＝————』 ｒ，、 盲 Ｌ法，其提取信息的方式有两种，一种为 ‘ ２（１＋“、 、 电测盲孔法，另一种为光弹性贴片盲孔法， 式中 ， 为残余应力Ⅳ１， 和分 这两种方法各有特色，从目前的发展来看， 别为沿 轴和 轴、在测点半径Ｒ等于 前者较为成熟，应用也较广，但后者测量焊 ４３ｒｏ（ 为钻孔的半径）处的条纹级次，Ｅ 接残余应力主应力大小和主方向更加直观， ｔ为构件的弹性模量与泊松比，厂为光 发展潜力更大，是一种很理想的方法，所以 和／贴片的材料条纹值。 目前是焊接残余应力研究的重点方向。 如图１所示。 这一表达式的测点位置，由于其距离 ３光弹性贴片法原理简介 焊接件内部存在残余应力场，在推导 孔边比较远，一般距孔的边界较远处的应 ．承受单向或两向拉伸时的状态来进行推导 的。在应力场内的任意处，钻一个一定深度 和直径的盲孔后，该处的金属就被切断了， 使其中的残余应力得到释放，原来的残余 应力就失去了平衡。这时在盲孔周围将产 生一定量的释放应变，其大小与被释放的 应力是相应的。只要测出了这种释放了的 应变，即可利用相应的计算公式算出测点 处的初始残余应力值。 国内外的学者利用弹性理论中单孔拉 伸时孔边应力的表达式以及应力的叠加原 理，就光贴片盲孔法测量焊接残余应力问 题已推导出多种表达式。在推导时均认为 焊缝的对称轴就是所研究的内应力（焊接 残余应力）的主方向。下面列举几种有代表 性的表达式。 ３１赞德曼表达式 借助于电测盲孔的方法，得出了利用 光贴片法测量焊接残余应力的表达式，图１ 为一带小孔的双向拉伸的板。 ３Ｅ．Ｎ１．ｆ Ｊ Ｉ …∈ 一 图２ ， 图１ ①作者简介：李鑫，男，西南交通大学土木系本科在读，主要研究土木工程方向。 ３８ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ！ ： Ｑ Ｓｃｌｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏＩＯｇｙ ＩｎｎｏｖａｔＩｏ ｒｌ ＨｅｒａＩｄ 工业技术 力是按 变化的，因此条纹级次很低， 所以它只适用于测量高应力区的应力。 ３．２西田正孝表达式 根据同样的原理，日本学者西田正孝 得出的表达式是在孔边上进行测量，所得 出的表达式是（３）和（４）式，式中ｄｒ ， 为 残余应力。图２为单孔单向拉伸应力场。 Ｅ ．Ｎ ＿＿４－ｌ，ｆ 言 ・ｆｌ Ｅ ｄｒ ＝０ 图２ （３） （４） 利用叠加原理，他又得到了双向应力 光的波长，使条纹的级次降低，在低应力点 处，利用波长较短的偏振光照射，达到条纹 级次增大的目的，这样的话，便可以在同一 厚度的光敏贴片上，测出焊缝不同部位处 由于焊接残余应力而产生的应力干涉条 纹，由公式便可以算出相应各点处的残余 值时，Ｋ 和 与 ／ 的关系曲线，在不 应力值。第二种方法方便易行，在实际中往 知道应力场时便难以使用，即使已知应力 往使用改变偏振光波长的方法。 场，在实际应用中也非常不方便，因为修正 系数需要从标定曲线中对应查找。第三种 ５专用盲孔器 表达式是利用单孔拉伸的方法来标定修正 为适应两种不同材料（被测构件和光 系数，考虑了单向应力场中 ，对Ｂ点的影 敏贴片）对切削速度的要求，在钻孔过程中 的修正问题，也不在孔边测量，而是和电测 方法一样在√３ｒ处提取条纹级次，这样测量 不但要求必须在高应力区，而且待测点也 难以确定，因此易于产生较大的测量误差， 在某些情况下甚至可能会出现无法测量的 局面。在第二种表达式中，所用的修正系数 是通过双向试验标定的，得出在ｆ 为不同 条纹级次的目的。第二种方法是改变偏振 状态的表达式： Ｅ ｓ‘Ｎ Ａ ４・ｔ・ｆ・Ｅｃ （５） Ｅ ｓ‘Ｎ ｃ ０＂２ ４・ｔ・ｆ—ｃ （６） ３ ３我国学者推导出的表达式 我国学者也有人做过类似的推导，如 下面的表达式 （Ⅳ Ｋ 一 ’ＫＢ） Ｄ （ －一（ ） 。 ： Ｋ日‘一Ｋ ‘ （８） 式中 Ｄ： （９） ＝ （１０） ’ｏ （…ｔ 和 为构件的材料常数，Ⅳ 和Ⅳ 为在孔边上Ａ点与Ｂ点测得的条纹级次， 为光贴片材料的应变条纹值，Ｋ 和 口为 考虑构件厚度效应后的两个修正系数。 盲孔的孔径要选得恰当，一方面要足 够大，因为一般距孔边较远的应力是按 变化的，，．为距孔中心的距离，如果 孔径小的话，则孔附近的应力会下降得很 快，这样沿边界测量条纹就非常困难。如果 孔径太大的话，则会明显地改变标定试样 的本性。目前常用的孔径约２ｍｍ，而孔深为 孔径的１．２倍。 以上所介绍的几种表达式，经分析，我 ｆｒ］可以看出：第一种表达式既不考虑厚度 （准直光）光源 图３ 响，利用叠加原理来导出 和 的表达 钻头的转速应是可变的。光测盲孔器的产 式，因此在未知应力场的时候能够方便地 生满足了这些基本要求，该盲孔器的基座 使用，修正系数与仃．／ ，无关，因此在目前 是由四根杆组成的，钻孔部位安装在一根 有一定的实用性。 横梁上，该横梁可以沿着两根长导杆（焊缝 方向）移动，钻孔可以在横梁上移动，移动 ４方法简介 的距离可以读到Ｏ．０ｌｍｍ，上置一个具有无 ４ １焊接残余应力方向的测量 级变速的钻孔器，根据需要可以随时变速。 光测盲孔法在待测部位贴光敏贴片， 然后钻小孔来释放应力进而进行测量，其 ６测量系统 释放出来的残余应力信息，通过偏振光干 用盲孔法测量焊接残余应力时，恰当 涉所产生的应力 光学干涉条纹来体现出 地选取测量系统十分重要，由于盲孔的直 来的，这种形象、直观、全场大面积的测量 径很小，一般不大于２ｍｉｌｌ，而贴片有一定的 应力方法，可以在贴有光敏贴片的焊接区 厚度，如果用一般的“Ｖ”型光路，在孔边的 域部位，按照测量的需要，采用专用的盲孔 条纹就很难看清，虽然可以采用加大被测 器，制作出所需盲孔。为了测量焊接残余应 部位与仪器之间的距离，从而达到减小光 力，常常需要在焊接部位及其附近钻一系 线射入贴片的倾斜角，提高 Ｌ边的清晰度， 列的盲孔，采用光贴片法时，可以一次性地 但偏振光到达贴片的强度减弱较大，在这 制作出测量所需的所有小孔，这是其他方 种情况下就要求提高光源的光强。将起偏 法无法达到的。盲孔制作好后，用偏振光来 振镜Ｐ和ｌ／４波片Ｑ放到待测部位光敏贴片 照射，在偏振光场中一地测量出预测各 的前面，如图３所示。 点处由于残余应力的释放而产生的最高级 该光路图中要求所用光源发出的是一 次应力干涉条纹，亦即等差线。通过相关公 束准直光，为了适应应力梯度大的特性，在 式，就能够很快地得到焊接区域内残余应 系统中还可以加入变波器，变波器既可以 力的分布曲线。再利用等倾线，就可以看出 加在摄录器的前面，也可以放在偏振片Ｐ的 全场各个孔处的残余主应力的方向。 前面，用这样的光路可以获得很好的干涉 ４ ２焊接残余应力大小的测量 条纹。 焊接残余应力有应力峰值高、应力梯 度大的特点，这就给测量的工作带来了很 ７结语 大的困难，在使用光弹性贴片法测量时，首 焊接残余应力的研究在实际生产中十 先是要确保贴片厚度不宜过厚，应在２ｒａｍ 分重要，本文着重从原理上系统地说明了 以下，而且越薄越好，但是要保证能够出现 光弹性贴片法在测量焊接残余应力方面的 足够的条纹级次，这样既可以减少因贴片 应用。目前可以借助计算机技术和有限元 厚度而产生的加强效应，又便于应力干涉 来预测焊接残余应力，与实际结果较为符 条纹的测量，目前来讲，经常采用的材料为 合。然而，由于实际焊接中影响因素的多元 聚碳酸酯。为了提高测量精度，最好能使待 性和数值分析的局限性，理论和实际总是 测点处所相差的条纹级次不要太大，但由 会有一些误差，而这种误差往往是至关重 于焊接残余应力本身的梯度很大，最大应 要的，因此焊接残余应力的实测是很有必 力的数值与最小应力的数值相差很大，有 要的，其中光弹性贴片法有待于进一步的 时能达到５～６倍，因此各处的应力干涉条 研究。 纹级次相差也较悬殊，解决这个难题有两 个办法，第一种方法是使用的光敏贴片需 为变厚度的，也就是说在同一条焊缝上的 贴片具有不同的厚度，可以在同一块板上， 制作有不同厚度的光敏贴片，处于高应力 区的待测点在较薄的贴片处来进行盲孔的 制作，测量应力干涉条纹级次，使条纹级次 减小，处于低应力区的待测点则应在贴片 厚度较大处制作盲孔，来测量应力干涉条 纹，通过增加贴片厚度的方法，来达到提高 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ３９
