焊接接頭與表面處理件殘余應(yīng)力XRD檢驗(yàn)

檢驗(yàn)原因

焊接與表面處理是金屬構(gòu)件制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序，同時(shí)也是殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要來(lái)源。焊接過(guò)程中，不均勻溫度場(chǎng)導(dǎo)致局部塑性變形，冷卻后焊件中留有未能消除的宏觀應(yīng)力，稱為焊接殘余應(yīng)力。表面處理如噴丸、拋光、磨削等工藝同樣會(huì)在材料表層引入附加應(yīng)力場(chǎng)。

殘余應(yīng)力的存在是構(gòu)件失效的主要原因之一。焊接接頭中平行于焊縫方向的殘余應(yīng)力通常呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)，尤其在焊趾區(qū)域應(yīng)力集中顯著。拉伸殘余應(yīng)力會(huì)疊加外部工作載荷，加速疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展，降低結(jié)構(gòu)疲勞壽命。對(duì)于表面處理件，噴丸強(qiáng)化引入的殘余壓應(yīng)力（通常-200至-600MPa）有利于延長(zhǎng)疲勞壽命，但過(guò)度處理或工藝不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生有害的殘余拉應(yīng)力。

X射線衍射法（XRD）憑借成熟的理論體系與無(wú)損檢測(cè)特性，在焊接與表面處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定殘余應(yīng)力的大小與分布，可優(yōu)化焊接工藝參數(shù)與表面處理規(guī)程，預(yù)防構(gòu)件在使用過(guò)程中的變形與早期失效。

## 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

焊接接頭殘余應(yīng)力測(cè)試依據(jù)T/CWAN0116—2024《金屬材料焊接接頭殘余應(yīng)力X射線測(cè)試方法》，該標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)焊接學(xué)會(huì)發(fā)布，自2024年7月1日起實(shí)施，為焊接領(lǐng)域的X射線殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)工作提供了統(tǒng)一規(guī)范。

通用殘余應(yīng)力測(cè)定依據(jù)GB/T 7704-2017《殘余應(yīng)力的測(cè)定X射線衍射法》，采用sin2ψ技術(shù)，多角度測(cè)量精度可達(dá)±10MPa。新發(fā)布的GB/T 45597-2025《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定短波長(zhǎng)X射線衍射法》于2025年4月發(fā)布、2025年11月實(shí)施，規(guī)定了用短波長(zhǎng)X射線衍射法（SWXRD）測(cè)定金屬材料殘余應(yīng)力的原理與程序，適用于多晶材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的測(cè)定，測(cè)量深度范圍0-2mm。

guojibiaozhun方面，ASTME915-21規(guī)定了殘余應(yīng)力X射線衍射測(cè)量方法，ASTM E837-21適用于鉆孔法殘余應(yīng)力測(cè)試。ISO21438:2018規(guī)定了表面應(yīng)力鉆孔法測(cè)定規(guī)范。

## 測(cè)試材料要求

XRD殘余應(yīng)力測(cè)試的試樣制備要求嚴(yán)格。根據(jù)GB/T7704-2017規(guī)定，試樣測(cè)試點(diǎn)應(yīng)具有代表性，表面粗糙度Ra宜不大于10μm，且應(yīng)避開(kāi)無(wú)關(guān)的磕碰劃傷痕跡。表面處理的基本原則是盡量避免施加任何作用，以維持試樣表面原有的應(yīng)力狀態(tài)。

對(duì)于焊接接頭試樣，被測(cè)表面存在氧化層、脫碳層或油污時(shí)，可采用電解拋光或有機(jī)溶劑清除，但需防止化學(xué)反應(yīng)腐蝕晶界導(dǎo)致局部應(yīng)力松弛。若表面粗糙度過(guò)大或存在無(wú)關(guān)損傷，可在打磨后采用電解或化學(xué)拋光去除打磨影響層，此時(shí)需注意測(cè)得應(yīng)力可能與原始表面存在差異。

對(duì)于表面處理件，噴丸強(qiáng)化層殘余應(yīng)力的測(cè)量需注意X射線穿透深度有限（數(shù)微米至數(shù)十微米），如需測(cè)量深度方向的應(yīng)力梯度，需采用電拋光逐層剝離后進(jìn)行測(cè)量。試樣尺寸一般要求邊長(zhǎng)大于5mm、小于3cm，厚度小于8mm。環(huán)境溫度控制在23℃±2℃，因溫度波動(dòng)會(huì)引起晶格常數(shù)變化。采用sin2ψ法時(shí)，需在多個(gè)ψ角度下采集衍射峰位數(shù)據(jù)，通過(guò)線性回歸計(jì)算應(yīng)力值。

無(wú)損檢測(cè)方式下，便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀可直接對(duì)大型焊接構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量，無(wú)需破壞工件。有損檢測(cè)方式（如鉆孔法）需在表面鉆孔并測(cè)量應(yīng)變釋放量計(jì)算應(yīng)力值，適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。XRD殘余應(yīng)力檢驗(yàn)合格的焊接接頭與表面處理件，方可投入承力結(jié)構(gòu)或高可靠性裝備中使用。