Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１０ ・试验与研究・ ５ 文章编号：１００２—０２５Ｘ（２０１０）０７—０００５—０３ Ｔ形焊接接头内的应力波特性 宋宏伟 ，韩以楠 ，罗 震 ，敖三三 ，董建涛 ，张建武 （１．天津大学材料科学与工程学院，天津３０００７２；２．天津鞍钢天铁冷轧薄板有限公司，天津３０００５６） 摘要：研究了在外部冲击对称加栽的情况下Ｔ形焊接接头中应力波传播的特性。试验采用焊条电孤焊焊接Ｔ形接头．在工件对称处进 行单次锤击，利用动态电阻应变仪测量应力波经过焊缝之前和经过焊缝之后的波形。结果表明，应力波在传播时损失较小，可以通过 渡形分析焊缝处的情况。 关键词：应力波；Ｔ形焊缝；无损检测 中图分类号：ＴＧ４０４ 文献标志码：Ｂ 世纪８０年代由Ｅｇｌｅ Ｄ Ｍ等人提出以来．引起了研究 Ｏ 引言 人员的极大兴趣。英国帝国理工大学力学工程系的学 在目前的工程结构中，Ｔ形焊接接头焊缝在机 者们基于脉冲回波法发展了管道超声导波检测技术。 械、冶金、电力设施、桥梁船坞等领域被广泛地应 并对工厂中的管道进行了检测。该技术的基本思想 用。但是由于角焊缝所连接的钢结构多受剪切应力的 是：在材料或结构表面某处激发询问脉冲应力波．同 作用．承受载荷较大，易产生质量问题 ］，故需对此 时在表面其他地方接收该应力波信号，然后通过应力 类焊缝进行可靠的质量检测。焊缝无损检测是在不损 波信号分析确定反映材料对于瞬态脉冲波传播效率的 伤被测材料的情况下，检查材料焊缝内部或表面的缺 应力波因子，以此来表征材料的力学性能和力学性质 陷，或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等的 的变化［引。 检测技术。常用的无损测试技术有射线探伤、超声波 国内对钢结构的研究主要在管道的应力波传播。 探伤、磁粉探伤、渗透探伤等方法。目前对于厚度在 有研究利用加载对称冲击波在有、无缺陷管道中的轴 ８ Ｉｎｎ及其以上的板材多采用超声波探伤。但对钢桁 向传播进行试验，证明金属管道中激励出的波的传播 架的焊缝进行检测时，大部分是不能进行超声波探伤 距离可达２００ Ｉｌｌ以上，可以用来实现管道的长距离检 的。这是因为钢桁架多为大尺寸、长距离的结构，而 测。而由于缺陷较小且信号频率较低，试验得到的时 超声波的探伤过程为逐点扫描式，故对于长距离的钢 域信号难以直接观察到缺陷回波川。 结构检测具有代价高、效率低的缺点＿２］。 目前对于Ｔ形焊缝中应力波的传播特性还没有 应力波技术是解决这一问题可行的方法。目前应 相关的研究。本试验对Ｔ形焊缝加载外部冲击．并 力波技术主要应用于建筑工程领域中桩基础的缺陷检 通过动态电阻应变仪检测，得到应力波经过焊缝前后 测。这种方法利用激励出的沿桩身传播的应力波在遇 的波形变化以及频率变化，通过对比了解冲击弹性应 到缺陷的界面或桩底后反射返回桩顶的时间来判别桩 力波在结构中的传播特性，为利用应力波对Ｔ形焊 身内的缺陷位置。此技术在钢结构中的应用，自２０ 缝进行检测提供了理论基础。 收稿日期：２０１０—０４—０１ 基金项目：国家自然科学基金（５０９７５１９７）；天津应用基础研究计 １ 试验 划基金（０９ＪＣＺＤＪＣ２４０００）；国家高技术研究发展计划 １．１ 试验材料和仪器 （合项目（ ８６ ３ｉ， １－￣］…）２ ００７ＡＯ９０３Ｏ２１０５０）；天津高校双五科技计划 ； 耋篓 本试验的研究对象是具有Ｔ形焊缝的构件，其 ‘…… ……～… 。… ’ 项目（２００９Ｅ６—００２０）；教育部新世纪人才项目资助 尺寸如图１所示。钢板的成分为Ｑ２３５，尺寸分别为 ６ ・试验与研究・ 焊接技术 第３９卷第７期２０１０年７月 ４００ ｍｍｘ２００ ｍｍｘｌ０ ｍｍ和２００ ｍｍｘ２００ ｍｍ￣１０ ｍｍ。 将电桥盒连接至动态应变仪的输入端，并将输出信 号传递至信号采集卡，最后在ＰＣ机上显示出变化的 电压信号。 将２块钢板以Ｔ形焊缝的形式用焊条电弧焊焊接起 来。焊条型号为Ｊ４２２，电弧电压为３０ Ｖ，焊接电流 为８５ Ａ。检测所用箔式电阻应变片为ＢＸ１２０—３ＡＡ （阻值１２０ ｎ，栅长Ｘ栅宽：３ ｍｍｘ２ ｍｒｎ，灵敏系数： ２．０５）。 ２结果与讨论 ２．１应力波的波形研究 在用力锤锤击后．将２个应变片的变化情况记录 下来，得到图３—５所示结果。 试验采用ＹＥ３８１８／０１动态电阻应变仪．是一种高 性能、多通道信号调节放大器，主要用于应变测量和小 信号电压测量。 ｌ 蕊 ＼一’ ｒ 圈１用于锤击试验的Ｔ形构件 １．２试验方法 由于使用应力波对焊接构件进行检测，且目前我 国尚无已制订好的标准，所以为了得到准确而完整的 波形，需要对试验方法进行设计。试验装置原理图如 图２所示。 圈２试验装Ｉ原理图 通常钢结构中传播的波是多种模态耦合的复杂 形式，即所谓的导波。为减少导波中非对称模态对 试验结果的影响．将应变片粘贴于Ｔ形构件的中间 线位置，而在中间线顶端进行锤击，以保证获得对 称波形。 将构件进行焊接后。在竖直和水平方向的２块 板上分别粘贴应变片．并在焊缝处粘贴应变片，将 引线连接于电桥盒上，加以温度补偿形成半桥电路。 Ｉｌ ：Ｉ －▲●●・ 一～…Ｊ… ～ ’◆ ＿● 图３锤击应力波经过焊缝前的波形圈 ｊ 工 ｌ ▲ ． Ｌ～一一一● …Ｊ －一’… Ｖ Ｖ 图４锤击应力波经过焊缝时的波形圈 ． ：▲ 一▲▲▲一一． ， ｛－ Ｉ 图５锤击应力波经过焊缝后的波形圈 从图中可以看出，由于锤击可以产生不同频率的 应力波，图像是由很多种波叠加而成，故而波形复 杂。由于试验中２个应变片距离较近，所以基本上在 同一时间产生应力波。在锤击瞬间．应力波迅速达到 Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｅｈｎｏｌｏｇｖ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１０ 最大值，而后逐渐减小。在经过很短时间后。３个图 都出现了反射波。由于焊缝处应变片位置与应力波的 传播方向不是平行的，而且焊缝处由于形貌复杂，波 的反射较多，所以此处的波形复杂，而且呈现出明显 的不对称性。 对比上述３组波形．发现在经过焊缝后应力波的 峰值明显变小，说明焊缝对应力波有衰减作用。图５ 所示的波形衰减较图４所示的更快．这是由于图５所 示的应力波形与地面接近．应力波传至地面后迅速传 递，导致信号衰减速度变快。 由于应力波的频率较低，与试验器材的震动频率 相近，故对信号的测量有干扰作用，因此，试验时应 对信号测量端进行有效保护。以避免测量时受到干扰。 试验时需要对不同频率的波进行分析。以确定哪 个频率范围的波形最能反映焊缝处的特征，从而为利 用应力波检测焊缝质量建立较能反映真实情况的理论 基础。 ２．２应力波的频率特性 将经过焊缝前后的应力波进行傅里叶变换，得到 频率分布，如图６～８所示。 ２０ １８ １６ １４ Ｅ １２ １０ 璀８ ６ ４ ２ ０ 频率／Ｈｚ 图６应力波经过焊缝前的频率分布 频率／１４ｚ 圈７应力波经过焊缝处的频率分布 ・试验与研究・ ７ ｌ６ ｌ４ 鞲８ ６ ４２ Ｏ 频率／Ｈｚ 图８应力波经过焊缝后的频率分布 从以上３个图中可以看出，应力波的频率分布比 较分散。在焊缝处。由于应变片的方向与锤击方向不 同，故应力波的幅值较小。在到达焊缝前， １ ０００ Ｈｚ的低频波所占比例较大，而经过焊缝后，低频波 发生衰减，在３ ０００～４ ０００ Ｈｚ，５ ０００～６ ０００ Ｈｚ范围 内会出现频率集中。而高频波在传播时没有发生很大 衰减，并且波形变化不大。 ３结论 （１）通过动态应变仪可以得到经过焊缝前后的锤 击应力波波形。 （２）锤击后的应力波瞬问达到最大值，而后逐渐 减小，并且有反射波出现。 （３）经过焊缝后，应力波的峰值变小，焊缝对应 力波有衰减作用。低频波在传播时衰减比较严重。 （４）试验器材的振动会干扰应力波的测量效果， 应对测量端进行有效保护。 参考文献： ［１］齐晓冰，孔祥夷．Ｔ型焊缝超声波检测技术［Ｊ］．河南科技，２００７ （１０）：５９． ［２］程载斌，王志华，马宏伟．管道应力波检测技术及研究进展［Ｊ］． 太原理工大学学报，２００３，３４（４）：４２６—４３１． ［３］Ｙｅ Ｗｅｉ，Ｆａｎ Ｙｏｕ—ｈｕａ，Ｚｈａｏ Ｗｅｎ—ｇｕａｎｇ，ｅｔ ａ１ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅｎ￣ｈ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌｔｕｂｅ ｐｉｌｅ ｂｙｍｅａｎｓｏｆ ｓｔｒｅｓｓｗａｖｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，３７（２）：５５２—５５４． ［４］王彦秀，金山，李勇，等．应力波在管道中传播的实验研究 ［Ｊ］．实验力学，２００４，１９（１）：９７—１０２． 作者简介：宋宏伟（１９８６一），男，天津大学材料学院材料加工专业硕 士研究生，现从事应力波检测方面研究，指导老师罗震教授．