CN101451965B - 用x射线测定钢残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用X射线测定钢残余应力的方法，有以下步骤：(1)取镀锌板，打磨光滑表层；饱和NaCl水溶液为电解液，被测构件作为阳极腐蚀端，用镀锌铁皮做阴极，直流恒压腐蚀，腐蚀的电流为7～8A；(2)腐蚀剥层后，用X射线应力仪测定垂直焊缝方向上的残余应力，再用单面剥层测定应力值修正方法对剥层后的残余应力测定值进行修正，即得钢的残余应力。采用本发明方法测定钢残余应力，既能保证电解腐蚀剥层不会增加新的附加应力，又能得到准确的大厚度工件中沿层深方向上测定结果，并且还有测定方法简单，设备成本低的优点。

Description

用X射线测定钢残余应力的方法

技术领域

本发明特别涉及一种是用X射线衍射法测定残余应力的方法。

背景技术

钢材焊接过程中产生的瞬时高温和快速降温，将伴随的钢材相变，使钢材产生膨胀和收缩，焊接熔池及热影响区处的钢材受到邻近钢材的约束不能够自由变形，在焊接后的工件内产生较高的热应力及相变应力。在部分焊接件内，残余应力较高处，如焊角处，其应力值可能将达到或超出钢材屈服强度，此时钢材将而发生塑性变形，即产生焊接变形。由此所产生的焊接变形，将直接影响到焊接件的尺寸精度、承载能力、安全性和稳定性等，因此在实际生产中需要检测焊接件残余应力的分布。

构件中残余应力的分布对构件的安全使用及其使用寿命具有极大影响，采用一定方法测定出钢结构构件内部残余应力的分布对构件的安全使用具有重要意义。

残余应力测定中常用的有机械测定方法和衍射法，其中机械测定方法主要有钻孔法、切割法和切槽法等；这些方法需要对构件的局部进行破坏，在破坏过程中构件内部应力将产生释放，所表现出来的现象就是构件将发生变形，通过测定这一过程中的变形进而来获取残余应力的大小。显然机械测定法是一种破坏性方法，并且在测定残余应力的同时不可避免的将引如钻孔、切割和切槽的机械新的附加应力；衍射法有x射线衍射法和中子衍射法等，其中因不会对构件产生破坏，也不会引入额外的附加应力使得X射线衍射法得到广泛的应用。但是，由于X射线对钢材的穿透深度有限，通常仅有几个微米的深度，如CrKa对钢板的穿透深度大约在1～10μm左右，大大限制了这种方法在较厚构件中的应用。中子衍射法虽然可以较好的解决这一问题，但是由于此种方法需要建立核反应堆来收集中子，故不可能将其应用到实际检测中。

对于大厚度钢结构工件，也有采用电解腐蚀剥层和机械加工相结合的方法，即对构件表面采用车削的方法后，再利用电解腐蚀的方法将机加工的应力影响层剥除，这种方法虽然可以得到大面积的光洁平面作为测试面，但是就其方法而言，已经大大削弱了腐蚀剥层法不会引入残余应力的优点，并且应力影响层深度的确定本身就是一个复杂的过程。先确定影响层深度再剥除影响层之后才能测定，这一过程大大降低了其在实际中的应用效率。同时在实际应用，部分大型结构件由于尺寸及形状等的限制，先车削再腐蚀也是不现实的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用X射线衍射法测定钢残余应力的方法，采用本发明方法测定钢残余应力，即能保证电解腐蚀剥层不会增加新的附加应力，又能得到准确的大厚度工件中沿层深方向上测定结果，并且还有测定方法简单，设备成本低的优点。

用X射线测定钢残余应力的方法，有以下步骤：

(1)电解腐蚀

取镀锌板，打磨光滑表层；

饱和NaCl水溶液为电解液，被测构件作为阳极腐蚀端，用镀锌铁皮做阴极，直流恒压腐蚀，腐蚀的电流为7～8A；

(2)腐蚀剥层后，用X射线应力仪测定垂直焊缝方向上的残余应力，再用单面剥层测定应力值修正方法对剥层后的残余应力测定值进行修正，即得钢的残余应力。

电解腐蚀的时间根据部件需要腐蚀面积和深度设置。

采用本发明方法用电化学腐蚀的方法，对构件进行剥层处理，以便于测定其内部残余应力。由于腐蚀剥层法有以下两个优点：不会引入额外的附加应力；通过腐蚀剥层法即可逐层测定，可直观测得构件内部应力。在腐蚀过程充分考虑了影响腐蚀过程、腐蚀面质量以及腐蚀速率的多种因素。

本发明所述的钢包括普碳钢和特殊钢。

采用电化学方法对被测工件进行电化学腐蚀后，再用X线衍射法在大厚度构件中沿层深方向上测定钢的残余应力，因此本发明有以下优点：

1.本方法可以进行长时间、大面积、大深度腐蚀，能够使X射线衍射法充分的应用到大厚度钢结构件的测定(构件厚度可达10～30mm)，并且大面积腐蚀有利于测定后的应力修正；相对于目前所使用的X射线应力仪，测定钢铁材料深度只是在表层几微米有更加准确的测定结果。

2.腐蚀过程及腐蚀速率易于控制，可以通过控制较低的腐蚀速率来观察每一薄层对下一层的应力影响，如控制腐蚀初始电流在5A左右，腐蚀时间在30min时，我们可以观察约0.02mm左右的剥掉层对材料内部残余应力的影响，这将更有利于对剥层所产生的应力释放进行研究，当然通过对工艺参数的控制，可以观察出更薄的剥掉层，如几个微米的剥掉层，对材料应力释放的影响。

3.腐蚀工艺简单，规律性强，成本低，便于实际应用，并且适用范围广泛。在实际应用时，通过调整电解液及腐蚀工艺参数，可适用于多数碳钢及合金钢。

4.腐蚀面质量高，可较好的提高测定精度。

附图说明

图1为腐蚀电流与时间的关系，其中，图1(a)为和图1(b)为腐蚀初始电流为7A时的腐蚀电流与时间的关系；图1(c)和图1(d)为腐蚀初始电流为8A时的腐蚀电流与时间的关系；

图2为单面剥层测定应力值的修正后横向残余应力的分布；

图3为腐蚀面未能达到X射线衍射测定要求的由粗糙表面引起的衍射峰畸变，其中，图3(a)为探测器A所测得的衍峰值，图3(b)为探测器B所测得的衍峰值；

图4为本发明所得到的衍射峰，其中，图4(a)为探测器A所测得的衍峰值，图4(b)为探测器B所测得的衍峰值。

具体实施方式

用X射线测定钢残余应力的方法有以下步骤：

(1)电解腐蚀

取镀锌板，打磨光滑表层；

饱和NaCl水溶液为电解液，被测构件作为阳极腐蚀端，用镀锌铁皮做阴极，直流恒压腐蚀，电解腐蚀的时间根据部件需要腐蚀面积和深度设置，腐蚀的电流为7～8A；

(2)腐蚀剥层后，用X射线应力仪测定垂直焊缝方向上的残余应力，再用单面剥层测定应力值修正方法对剥层后的残余应力测定值进行修正，即得钢的残余应力。

本发明以921A钢平板的焊接件为例进行电化学腐蚀剥层实验，总结出了影响电化学腐蚀剥层的各种因素以及各因素对腐蚀过程的不同影响，并且通过实验发现，对于一定材料，腐蚀过程规律性非常显著，采用适当的腐蚀工艺，完全可以对腐蚀过程进行有效控制，来得到较好的腐蚀面以用于之后的测定工作。腐蚀后利用x射线法对剥层后的试样进行的残余应力的测定可显示出，大面积电化学腐蚀剥层，对X射线法测定较深层残余应力，是一种有效的方法。

实验方法

1实验对象

材料：921A钢板

处理方法：采用平板对接埋弧焊，坡口55°；

坡口型式X型，焊接速度40～50cm/min

试样尺寸：200×100×30(mm)

2电解腐蚀方案的确定

采用国产WY-302直流稳压电源，对试样进行电解腐蚀剥层，电解液为饱和食盐水。在电解腐蚀过程中，当电压一定时，腐蚀电流随腐蚀时间的延长、腐蚀面积的增大以及两极间距的增大而下降。阴极板表面质量对腐蚀质量也会产生影响，在实验过程中，阴极板上由于腐蚀液的浸蚀将产生蚀点，因此在每次腐蚀前需对阴极板进行打磨。经过初步摸索，制定了两套实验方案。

方案一采用恒定电流的形式(要求在腐蚀过程中逐步提高两极电压)；在试验中采用了正交实验法，即在三种因素中分别改变其中的一种，而保持其他两因素不变，如：采用腐蚀电流一定并保持两极间距和腐蚀面积恒定，逐步改变腐蚀时间，以观察不同腐蚀时间后的腐蚀效果和腐蚀速率，之后再分别改变腐蚀电流、两极间距以及腐蚀面积，来观察各因素对腐蚀的影响。

方案二采用恒定电压腐蚀，即只设定初始腐蚀电流而在腐蚀过程中不再保持电流的恒定不变。经过对实验方案一的总结，在实验方案二中，分别采用了5A、7A和8A的初始电流对120mm×80mm的腐蚀面进行了电解腐蚀，腐蚀过程采用较大的两极间距(＞50mm)以及不同的腐蚀时间。

利用XSTRESS 3000 X-ray Stress Analyze对剥层后的921A钢板试样(其室温力学性能见下表)进行了残余应力的测定，测试条件为：Cr靶，管压30Kv，管流6.7mA，曝光时间5s。钢材的部分性能可见下表1：

表1921A钢的力学性能指标

比较方案一的实验，可以发现恒流腐蚀的以下几点规律：对于一定材料，在一定的腐蚀电流、两极间距和腐蚀面积下，腐蚀面质量随腐蚀时间的延长而逐渐恶化；在两极间距、腐蚀面积和腐蚀时间一定时，采用较大的腐蚀电流将对腐蚀面质量产生不利影响；一定的腐蚀面积、腐蚀时间和腐蚀电流下，较大的两极间距可改善腐蚀面质量；当腐蚀面较大时，不同区域的腐蚀状况差别较大。在采用恒流腐蚀的大量实验，虽然可以通过调整各影响因素来改善腐蚀质量，但总体腐蚀效果不够理想，腐蚀面质量未能达到X射线法对测试面质量的要求。

比较方案二实验，对比不同初始电流和腐蚀时间后的腐蚀面质量，在腐蚀时间一定时，采用5A初始电流的腐蚀效果较7A、8A的效果要好，但是腐蚀速率较慢，逐步提高初始电流至7A，腐蚀速率有所上升，当电流提高的8A时，腐蚀面质量开始恶化。对于一定电流，适当延长腐蚀时间可较好的改善腐蚀面质量，但并不是腐蚀时间越久越好，时间过久会在腐蚀面产生大量细小的蚀坑而影响之后的应力测定工作，并且当初始电流较大时，即使延长腐蚀时间也不能得到较好的腐蚀效果。在实验过程中，当初始电流提高至7A时，适当延长腐蚀时间就可以改善腐蚀面质量，使其腐蚀效果与5A时的相当。但是初始电流提高至8A时，延长腐蚀时间已经不能使腐蚀效果得到较好的改善了。通过对比方案一与方案二的腐蚀效果，可发现采用恒压腐蚀在一定条件下可获得较好的腐蚀效果。

经过对方案二中不同腐蚀电流和腐蚀时间后腐蚀效果的对比，确定出最终腐蚀方案为：恒压腐蚀，电解液为饱和食盐水，阴极材料为镀锌铁皮，其表层需打磨光滑，形状与腐蚀端相似，以钢板921A作为阳极，采用较大两极间距(大于50mm)，腐蚀面积120mm×80mm，腐蚀初始电流7～7.5A，腐蚀时间控制在30～40min。采用30min腐蚀时间的腐蚀电流与时间的关系如图1所示。

参见图2我们可以观察出在采用7A和8A的初始电流时，电流与腐蚀时间的规律性非常明显，在10～15min内将产生电流的突然下降点，根据这一现象以及不同的腐蚀时间后所观察到的腐蚀效果，我们把腐蚀过程分为了两个阶段，在电流突降点以前称之为电解腐蚀阶段，突降点之后称之为电解抛光阶段。对腐蚀后的试样采用深度千分尺进行剥层厚度的测定，5A、7A和8A的腐蚀电流腐蚀30分钟后的剥层深度如表2所示：

表2不同腐蚀电流下的剥层深度

剥层后，利用X射线应力仪对试样进行了垂直焊缝方向上的残余应力的测定，并利用单面剥层测定应力值的修正方法对剥层后的残余应力测定值进行了修正。修正过的数据如图2所示。

通过图2，可以看出，测定值的分布曲线为典型的横向焊接应力分布曲线，说明将本方法作为X射线衍射法的前处理是可行的，并且是非常有效的。

若腐蚀面未能达到X射线衍射测定的要求，即表面过于粗糙，甚至存在大量凹坑，则X射线衍射峰将产生较大的畸变，导致测定值失准(参见图3)。

利用本方法，可以得到较光滑的射线衍射峰，有利于之后的峰型拟合，提高测定精度(参见图4)。

Claims (2)

1.一种用X射线测定钢残余应力的方法，其特征在于有以下步骤：

(1)电解腐蚀

取镀锌铁皮，打磨光滑表层；

饱和NaCl水溶液为电解液，厚度为10～30mm的被测钢构件作为阳极腐蚀端，用镀锌铁皮做阴极，直流恒压腐蚀，腐蚀的电流为7～7.5A，腐蚀时间为30～40min，被测钢构件表面腐蚀面积达120mm×80mm；

(2)X射线法测定残余应力

腐蚀剥层后，用X射线应力仪测定被测钢构件的垂直焊缝方向上的残余应力，再用单面剥层测定应力值修正方法对剥层后的残余应力测定值进行修正，即得钢的残余应力。

2.根据权利要求1所述的用X射线测定钢残余应力的方法，其特征在于：电解腐蚀的时间根据部件需要腐蚀面积和深度设置。

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