焊接残余应力：分类、影响与检测，全面解析工程安全关键

因生产得以发展，且科学技术进步了，焊接技术在桥梁、建筑等各个领域都有广泛应用，对国民经济发展起着极为重要的作用。因有高度集中的瞬时热输入，构件焊后会产生蛮大的焊接残余应力与变形，这会对焊接接头的各类力学性能造成不同程度的影响。焊接残余应力存在着，不但会让工件强度降低，致使工件在制造时出现变形、开裂等工艺缺陷，而且会在制造后自然释放过程里使工件尺寸发生变化，或者让其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此，检测残余应力，对于保障工程的安全性而言，有着相当重要的意义，对于确保其可靠性来说，同样有着极为关键的意义。

一、残余应力分类

在钢结构进行焊接期间，因大量热量于高度方向集中，当焊接完成之后，焊件内部依旧存有一定应力，那些未被消除且留存于焊件里的应力，便是我们常常提及的焊接残余应力。按照这种焊接残余应力方向存有差异的状况，能够划分成纵向焊接残余应力。以及横向焊接残余应力。还有沿焊缝厚度方向的焊接残余应力这三种类型 。

1、纵向残余应力

在焊接时，因焊接受热不均匀进而冷却，于是在焊件当中形成了不同温度的温度场，纵向焊接残余应力的形成主要源于此 。温度不同，会致使焊件出现不同程度的膨胀，温度越高之处，膨胀程度越大，焊接时，焊缝附近温度最高，故而膨胀最大，临边温度最低，则膨胀也最低，如此便会产生塑性压缩，因焊缝附近温度较高，膨胀系数较大，被塑性压缩后，焊缝区域相较于临界区域要长一些，进而导致形成纵向的焊接残余应力。

2、横向残余应力

在钢结构的焊接过程中形成横向残余应力的主要原因有两个：

在焊接之时，鉴于焊缝纵向收缩，致使钢板向外弯曲，进而形成一个弓形，且焊缝把两块钢板连接起来 ，构成一个整体，如此一来，在焊缝的中间便产生了横向的拉应力，与此同时 ，其两端也产生了横向的拉应力。

在焊接进程之中，鉴于焊缝的焊接位置并非一样，因而于焊接完毕开展冷却的进程里也会存有差异。于焊接之时，率先焊接的焊缝因焊接时间靠前，冷却时间同样靠前，故而其强度较强，然而后续的焊缝因焊接得较迟，冷却得也较迟，所以焊缝位置便会出现横向的膨胀，致使横向塑性压缩出现变形。在这两个缘由的一同作用下，焊缝的横向拉应力以及方向都会产生改变，最终致使出现横向残余应力 。

3、沿焊缝厚度方向的残余应力

钢结构焊接时，因钢结构厚度大，需多重焊接方式施焊，在焊接过程中，除产生纵向、横向焊接残余应力外，还会产生沿焊缝厚度方向的残余应力，此残余应力存在，对钢结构塑性有重要影响，进而影响钢结构脆弱性与结构性，对建筑工程质量造成重要影响 。

二、临界折射纵波检测法

现在存在着多种残余应力的检测方法，这些方法能够被划分成破坏性与非破坏性这两大类别，其中超声凭借着自身检测时无损、速度快且精确等诸多优势，在残余应力检测范畴里获得了极大程度的发展，在此特别值得提及的就是依据超声波的声弹性理论研究推导而出的临界折射纵波残余应力检测法。

检测原理：

当发射换能器激发超声波纵波，使其以第一临界角斜入射到被检件表面时，依据Snell定律，在被检件材料内部能产生超声临界折射纵波，且该纵波可被接收换能器接收到。依据声弹性原理，材料中的残余应力会对超声纵波传播速度造成影响，当残余应力与纵波方向保持一致时，拉伸应力致使超声纵波传播速度变慢，或者使传播时间t延长，压缩应力使得超声纵波传播速度加快，或者让传播时间t缩短。因此，在激励和接收两换能器之间距离（探头间距）保持不变的情形下，若测得零应力σ0对应超声波时间t0，以及被检件应力σ对应超声波传播的时间t。那么根据时间差，按照标准GB/T 32073 - 2015《超声检测残余应力》里的公式，计算出被检件中残余应力的绝对值σ。

检测方法：

1、检测前准备

检测区域的尺寸跟探头大小以及检测频率存在关联，检测区域的长度L是临界折射纵波传播的距离，一般处于5mm至100mm之间，检测区域的宽度W就是换能器晶片的宽度或者直径，通常在5mm至30mm的范围，检测区域是由频率所决定的，检测区域的大小要超出探头尺寸覆盖到的范围也可以跟其一样 。

2、表面准备

检测位置的表敏粗糙度Ra应小于或等于10μm。

3、检测仪器的调整和设置

为残余应力超声检测仪进行调整，使其处于正常工作状态之中。依照已经确定妥当的检测区域，去设置检测频率，设置滤波带宽，设置超声激励电压，设置超声接收增益，设置探头间距，设置位置等检测参数。

4、应力系数标定

将检测仪器进行调整并设置妥当之后，把探头使其稳固耦合于零应力试块标定的区域里，遵循GB/T 228.1所规定的方法，于（22±2）℃的条件下，针对零应力试块开展拉伸试验。

先在材料弹性范围内，记录检测仪器的声时差t，接着记录拉伸试验设备输出的拉应力变化σ，此时测量点要不少于10点，然后重复拉伸次数不少于5次，再取平均值，之后绘制出拉伸应力值与声时差的坐标图，随后对数据进行线性拟合，最终得到直线斜率的倒数即为应力系数K。

5 、零应力校准

参考规定去进行调整以及设置检测仪器，把探头稳定地耦合于零应力试块的标准区域当中，记录仪器所测出的零应力对应的超声临界折射纵波传播时间t0，有标点。

6、应力检测

调试并设定检测仪表，按照探头布局，把探头稳固耦合于检测地点，记下仪器测到的零应力相应的超声临界折射纵波传播用时t，依据标准里的公式算出被检测物件内的残余应力σ或σ0（设σ0=0），所获的残余应力数值为负意味着压缩应力，为正意味着拉伸应力。

7、温度补偿与修正

根据温度差对检测到的残余应力数值进行温度补偿修正。

三、结语

残余应力属于零件表面完整性质量里关键的评价指标，唯有挑选适宜的检测方法，开展检测时做到合理，才能够为焊接加工工艺评估以及工艺优化给予量化依据，零部件变形及失效问题才可以获得分析，得以针对性解决，进而才能够把焊缝焊接残余应力控制于合理水准，减少或者延缓疲劳裂纹的出现，才可以提升并确保产品交付质量，提高工程建设中的验收质量 。