張?zhí)斐冢瑥?明，李 博，孫 利，祁俊峰，朱小溪

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094）

1 引言

焊接過(guò)程非平衡加熱和冷卻的特點(diǎn)，決定了焊縫不可避免地存在殘余應(yīng)力［1］。而焊縫殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性和服役壽命有重要影響，因此焊后對(duì)焊縫殘余應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力控制的前提，對(duì)于有效評(píng)估焊接結(jié)構(gòu)服役可靠性和壽命具有重要意義［2］。目前工業(yè)上殘余應(yīng)力測(cè)試的主要方法有機(jī)械釋放法和射線衍射法兩大類(lèi)［3-4］。前者屬于有損測(cè)試，且結(jié)果受操作過(guò)程影響較大，后者為無(wú)損測(cè)試，但是結(jié)果受材料表面狀態(tài)和內(nèi)部組織影響較大。

電子散斑法殘余應(yīng)力測(cè)試屬于機(jī)械釋放法，通過(guò)測(cè)點(diǎn)鉆孔前后電子散斑圖像的剪切，準(zhǔn)確測(cè)量由小孔釋放應(yīng)力產(chǎn)生的位移，從而能夠?qū)崿F(xiàn)殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確測(cè)試。相較于其它方法，無(wú)需應(yīng)變片，操作簡(jiǎn)單，被測(cè)樣損傷小，幾乎不受材料組織和表面狀態(tài)影響，材料適應(yīng)性廣［5］。

針對(duì)上述傳統(tǒng)方法鋁合金焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果波動(dòng)大的問(wèn)題，引入電子散斑干涉（Electronic Speckle Pattern Interferometry，ESPI）法測(cè)量鋁合金對(duì)接和T型交叉焊縫的殘余應(yīng)力，得到垂直于焊縫和平行于焊縫的殘余應(yīng)力分布情況，并分析影響測(cè)量結(jié)果的因素。

2 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為5A06鋁合金，采用對(duì)接焊縫和T型交叉焊縫兩種形式。

對(duì)接接頭試件尺寸為400×500 mm，厚度5 mm，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為60點(diǎn)。垂直焊縫方向選擇21一個(gè)焊點(diǎn)，焊縫中心區(qū)域殘余應(yīng)力變化劇烈，測(cè)試點(diǎn)間距選取5 mm，遠(yuǎn)離對(duì)接焊縫中心區(qū)域測(cè)試點(diǎn)間距逐漸增大至20 mm。在對(duì)接焊縫兩側(cè)15 mm處均勻選擇20個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)間距15～20 mm。通過(guò)ESPI方法檢測(cè)得到整條焊縫殘余應(yīng)力分布情況。

交叉焊縫試件尺寸為400×500 mm，厚度5 mm，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為52點(diǎn)。縱向焊縫兩側(cè)10 mm處選擇11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，焊縫中心區(qū)域測(cè)試點(diǎn)間距選取5 mm，遠(yuǎn)離對(duì)接焊縫中心區(qū)域測(cè)試點(diǎn)間距逐漸增大至20 mm。遠(yuǎn)離縱向焊縫（距左端250 mm）區(qū)域選擇10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，焊縫中心區(qū)域測(cè)試點(diǎn)間距選取5 mm，遠(yuǎn)離對(duì)接焊縫中心區(qū)域測(cè)試點(diǎn)間距逐漸增大至20 mm，以獲得縱向焊縫影響較小時(shí)交叉接頭的殘余應(yīng)力分布情況。在距水平焊縫10 mm區(qū)域均勻選擇20個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)間距20 mm，用于測(cè)量水平焊縫殘余應(yīng)力分布情況。

測(cè)量位置分別如圖1、2所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試設(shè)備為巴頓焊接研究所開(kāi)發(fā)的電子散斑干涉殘余應(yīng)力測(cè)試儀，包括電源系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、光路系統(tǒng)（含相移計(jì)）、定位底座、打孔系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、分析軟件等，如圖3所示。

圖2 T型交叉焊縫測(cè)試位置Fig.2 Testing positions of T crossing welds

圖3 電子散斑檢測(cè)設(shè)備Fig.3 The equipment of ESPI

2.3 試驗(yàn)方法

ESPI測(cè)試原理如圖4所示。

根據(jù)彈性應(yīng)變特性，電子散斑殘余應(yīng)力檢測(cè)符合公式［6］（1）：

圖4 殘余應(yīng)力測(cè)試原理圖［5］Fig.4 The of ESPI［5］

根據(jù)散斑圖樣提取1.5倍直徑處的應(yīng)變值，盲孔附近的殘余應(yīng)力是通過(guò)對(duì)以盲孔為圓心的360°圓周上的點(diǎn)的位移來(lái)進(jìn)行計(jì)算而得出的。類(lèi)比小孔法可以得到公式（2）：

式中：ε1、ε2和 ε3分別為各自方向應(yīng)變片測(cè)量得到的釋放應(yīng)變值；σ1、σ2為殘余應(yīng)力場(chǎng)中的主應(yīng)力；θ為最大主應(yīng)力σ1與應(yīng)變片1處坐標(biāo)軸的夾角，取順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，與小孔的幾何形式及材料的力學(xué)性能有關(guān)。通孔下的應(yīng)變釋放系數(shù)A、B值可由式（3）所示彈性力學(xué)中的Kirsch理論解直接求得［7］。

式中，E、v分別為材料的彈性模量和泊松比，d為小孔的直徑，rm為應(yīng)變花的平均半徑。

電子散斑干涉獲取的散斑圖像如圖5所示。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 對(duì)接焊縫

圖5 電子散斑圖像Fig.5 Electronic speckle images

對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力分布如圖6所示，在焊縫區(qū)和熔合線附近殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，熔合線附近熱影響區(qū)（距中心線約15 mm處）殘余應(yīng)力達(dá)到最大值，接近5A06屈服強(qiáng)度（約160 MPa）；在熱影響區(qū)，隨距離增大，殘余應(yīng)力呈減小的趨勢(shì)；在距焊縫50 mm外，應(yīng)力值顯著下降并趨于穩(wěn)定。焊縫縱向殘余應(yīng)力值高于橫向應(yīng)力值，這是由于試樣縱向拘束大，抗收縮能力強(qiáng)，縱向殘余應(yīng)力難以釋放所致。

圖6 對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of residual stress in butt weld

由于焊接殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距焊縫中線15 mm左右的熱影響區(qū)內(nèi)，因此對(duì)對(duì)接接頭焊縫中心兩側(cè)15 mm區(qū)域的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。焊縫中間區(qū)域兩側(cè)50～450 mm范圍內(nèi)，兩端殘余應(yīng)力值均較高（100 MPa以上）。試樣兩端應(yīng)力突降，是由于測(cè)試試樣兩端采用機(jī)械加工進(jìn)行切斷，導(dǎo)致殘余應(yīng)力部分釋放，不能真實(shí)反映其原應(yīng)力分布狀態(tài)。

3.2 T型交叉焊縫

S-1區(qū)殘余應(yīng)力分布情況如圖8所示，在遠(yuǎn)離垂直焊縫區(qū)域，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在熱影響區(qū)距熔合區(qū)中線10 mm附近，此時(shí)殘余應(yīng)力分布規(guī)律與對(duì)接焊縫一致，說(shuō)明在遠(yuǎn)離垂直焊縫區(qū)域，T型接頭對(duì)該區(qū)域殘余應(yīng)力影響很小，該區(qū)域殘余應(yīng)力分布規(guī)律接近對(duì)接情況。

圖7 距焊縫中心15 mm處的殘余應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of residual stress in the 15 mm area from the center

圖8 S-1橫截面殘余應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of residual stress in S-1 cross section

距平行焊縫10 mm（S-2區(qū)）殘余應(yīng)力分布如圖9所示。殘余應(yīng)力第一個(gè)峰值出現(xiàn)在T型接頭平行與垂直焊縫交叉處（x＝100 mm），之后殘余應(yīng)力迅速下降，在平行焊縫x＝150 mm處存在最大縱向壓應(yīng)力，在這一段（100～150 mm）殘余應(yīng)力變化最為劇烈，是容易形成裂紋的危險(xiǎn)區(qū)域；隨后殘余應(yīng)力逐漸增大，在平行焊縫中部（x＝320 mm）橫、縱向殘余達(dá)到峰值，并趨于平緩，此后殘余應(yīng)力分布規(guī)律與對(duì)接焊縫相近。

T型接頭樣品的縱向焊縫兩側(cè)10 mm（S-3、S-4區(qū)）殘余應(yīng)力分布如圖10所示，受平行、垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力的相互影響，T型接頭處垂直焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力分布不一致。

圖9 S-2橫截面殘余應(yīng)力分布Fig.9 Distribution of residual stress in S-2 cross section

圖10 S-3，S-4橫截面殘余應(yīng)力分布Fig.10 Distribution of residual stress in S-3，S-4 cross section

垂直焊縫右側(cè)，由于平行、垂直焊縫殘余應(yīng)力的疊加作用，縱向應(yīng)力為垂直焊縫縱向應(yīng)力和水平焊縫橫向應(yīng)力的疊加，橫向應(yīng)力為垂直焊縫橫向應(yīng)力和平行焊縫縱向應(yīng)力的疊加，因而在水平接頭熱影響區(qū)附近（0～15 mm）具有較高的殘余拉應(yīng)力，超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度；遠(yuǎn)離T型接頭區(qū)域，垂直焊縫殘余應(yīng)力受平行焊縫影響較小，殘余應(yīng)力分布規(guī)律與對(duì)接焊縫相一致。垂直焊縫左側(cè)區(qū)域，由于距平行焊縫較遠(yuǎn)，僅在對(duì)接接頭處（x＝0 mm）具有較大的疊加拉應(yīng)力，在 x＝0～25 mm范圍，平行焊縫影響減小，殘余應(yīng)力逐漸下降，最終達(dá)到對(duì)接殘余應(yīng)力情況，此后垂直焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力分布規(guī)律是一致的。

4 結(jié)論

1）通過(guò)電子散斑干涉法測(cè)量了鋁合金VPPA對(duì)接和T型交叉焊縫，得到了焊縫殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。

2）通過(guò)電子散斑干涉法測(cè)量了鋁合金VPPA對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力分布，在垂直于焊縫方向，熔合線附近熱影響區(qū)（距中心線15 mm）殘余應(yīng)力達(dá)到最大值，接近5A06屈服強(qiáng)度（約160 MPa），在距焊縫50 mm外，應(yīng)力值顯著下降并趨于穩(wěn)定。

3）通過(guò)電子散斑干涉法測(cè)量了鋁合金T型交叉焊縫殘余應(yīng)力分布，在遠(yuǎn)離交叉區(qū)域，殘余應(yīng)力分布規(guī)律接近對(duì)接焊縫；在交叉區(qū)域附近，由于平行、垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力的相互影響，這一區(qū)域焊縫殘余應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，且由于殘余應(yīng)力疊加，使得在部分小區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力值超過(guò)材料屈服強(qiáng)度。