CN101539506A - 一种焊接残余应力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接残余应力测量方法-局部逐层去除盲孔法，基于盲孔法测量残余应力方法，提出局部逐层去除盲孔法来测量构件内部残余应力。正反两面局部去除被测构件上一定深度材料后再采用盲孔法测量残余应力。该方法为半破坏性残余应力测量方法，可以进行多点测量和应力变化剧烈的构件内部残余应力，且操作方便，测量效率高。通过厚板碳钢焊接残余应力测量试验，表明该方法测量结果比较准确。

Description

一种焊接残余应力测量方法

技术领域

本发明属于工程领域的残余应力测试方法，具体涉及一种焊接残余应力测量方法。

背景技术

残余应力是指产生应力的各种外部因素撤除之后材料内部依然存在，并自身保持平衡的应力。这些外部因素很多，如相变、析出、温度变化、表面处理、材料加工、喷丸处理等等。残余应力与内应力略有区别，内应力是指产生应力的各种外部因素去除之后或在约束条件下材料内部或构件中存在的并自身保持平衡的应力。例如，铆接件、桥梁的桁架等结构件长期存在着约束，这些约束作用的结果造成了构件内部自身保持平衡的应力。

工程上，构件残余应力和构件使用过程中的外作用力相互作用叠加，因而残余应力对结构的强度、疲劳性能和使用寿命影响很大。残余应力的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此，残余应力的测量，对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。因而需要通过一定试验测量来定量评价工程结构中残余应力的大小，方向和分布，评价残余应力对结构使用性能的影响程度，以便更准确评估工程结构在服役过程中的安全性。

目前传统残余应力的测量方法主要分为两大类。(1)机械法。有切条法、切槽法、剥层法、钻孔法等。机械法测量残余应力需释放应力，这就需要对工件局部分离或者分割，从而会对工件造成一定的损伤或者破坏，但机械法理论较完善，技术成熟，目前在现场测试中广泛应用，其中尤以盲孔法的破坏性最小。(2)物理检测法。主要有X射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测法，对工件不会造成破坏。

目前最成熟的机械法残余应力测量方法为钻孔应变释放法，通常称作小孔法，根据所钻小孔的深度是否达到试板厚度又分为通孔法和盲孔法。小孔法是一种最广泛的残余应力测试技术，这种方法相对简单、便宜、迅速和通用，技术成熟，理论较完善。所需设备可以是放置于实验室也可以是携带至出场测量，并适合于范围较广的材料与零件。美国材料试验协会(ASTM)于1981年制订了钻孔法的标准ATSM837-81，1999年进行了修订ASTM837-99。我国尚无自己的国家标准，1987年引用上述美国标准参照执行。而我国船舶行业于1992年制订了自己的行业标准CB3395-92(该标准由中船总公司第七二五研究所、西安交通大学和大连铁道学院负责起草)。但小孔法去除的材料很少因而释放的应力有限，所以只能测量表层残余应力。X射线衍射法是具有代表性的无损测量残余应力技术，但它的价格昂贵、对被测物体的表面状况有较严格的要求，测量时要格外小心谨慎，否则可能带来较大测量误差。

多达十余种残余应力测试方法中大都是测量材料表面或浅表层残余应力，材料内部残余应力的测试研究则比较少，构件内部残余应力测量一直是工程技术中的棘手问题。

只是测量表面残余应力不能全盘了解其内部应力分布(如焊接件内部残余应力分布随厚度变化，最大残余应力位置往往不在表层，而内部最大残余应力的位置是最容易产生裂纹等缺陷的位置。)。因而测量内部残余应力对于分析和理解残余应力的特征和规律对于工件的安全性和可靠性有着更重要的意义。

现有的能用于内部残余应力测量的方法主要有：

(1)深孔法：该方法是先在厚度方向钻一直径很小的通孔作为参考孔，然后使用空气探针测量参考孔的直径；接着在参考孔周围加工出环芯槽，再次用空气探针测量去除材料后的参考孔直径；通过参考孔直径的变化计算去除材料后所释放的应力。这种方法可以测量厚达100mm的构件内部残余应力，测量精密，误差小，但是加工环芯槽的直径较大，包含了焊焊缝和热影响区，且设备昂贵，测量耗时。

(2)逐层剥削法：从构件上剥去一层材料，该层内的残余应力就被释放，这相当于在剩余厚度部分施加了一个与释放应力大小相等、符号相反的应力，从而使剩余部分发生变形，剩余部分内的应力也重新达到平衡。测出剥层后的变形量并算出应力，该应力就是存在于被剥去的那部分材料内的残余应力，或者在剥层对面粘贴应变片测量由应力释放引起的应变变化来计算应力。这种方法是全破坏方法，要剥除构件一定厚度整层材料，测量变形和应变误差较大，且受加工过程影响很大(如测量应力释放引起的应变受加工过程影响很大)，这种方法适合测量残余应力在垂直厚度的各平面内分布均匀的构件残余应力。

(3)阶梯孔法：该方法是结合盲孔法测量构件内部残余应力。在已测量表面残余应力位置钻一大孔，在大孔底部采用盲孔法测量残余应力，该方法目的是缩短释放应力与应变片的距离，把应变片贴在离释放应力最近的地方。但是阶梯孔法必须保证大孔底部平整，以便于粘贴应变片；当钻孔深度达到20mm后，粘贴应变片就很难了；阶梯孔法只能测量局部较少位置的残余应力。

(4)裂纹柔度法：裂纹柔度法的测定原理是在被测物体表面引入一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应力，从而测定应变、位移或转角等量值，这些测定量与裂纹深度有关。由于测定应变较为精确与方便，一般通过测定应变随裂纹深度的变化来计算残余应力。该方法需要特殊的应变片和用线切割机床来加工裂纹，应变测量易受操作过程影响，适合测量残余应力在垂直厚度的各平面内分布均匀的构件残余应力。

(5)逐层钻孔法：逐层钻孔法是改进的小孔法，通过逐渐增加钻孔度来测量不同层深度时三个应变敏感栅的应变值，然后根据这些应变值来计算各个深度处的主应力值。该方法需要钻大孔来释放足够的应力才能测量较厚构件内部的应力，因而只能测量出大孔所在部位的平均应力。

不同的技术适用于不同的应力分布条件和测量深度。对于焊接残余应力的测量，由于焊缝和热影响区存在大梯度残余应力，需要多点测量来评价应力在各个方向上的梯度变化，以上方法除深孔法外都不合适用于测量局部应力变化剧烈的构件的残余应力，而深孔法却又测量耗时，设备昂贵，也需要切除较大区域的材料因而不合适多点测量。因此，需要一种适合工程应用的、简单高效的、能够多点测量构件内部残余应力的方法。

残余应力的存在一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。测量内部残余应力，了解构件残余应力分布，对于服役前构件有助于了解生产工艺对所产生的残余应力以优化工艺，对于服役中构件可以分析服役载荷下残余应力的变化而预测构件寿命，分析残余应力和载荷的相互作用。已有的残余应力测量方法存在成本高，无法测量焊接构件内部剧烈变化残余应力以及无法多点测量的问题，需要一种适合工程应用的能多点测量和能测量大梯度变化的内部残余应力测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适合焊接件内部残余应力测量，局部去除材料最大限度保证原始残余应力的完整性，可以进行多点测量，以便分析各测量位置的应力分布状态，操作方便，测量效率高的焊接残余应力测量方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先，采用盲孔法对构件进行上下表面焊接残余应力测量；

2)将构件一端压紧放置在水平工作台上，采用位移传感器或者千分表测量构件上表面或下表面上距焊缝中心100mm-120mm位置几个基准点相对于水平工作台的位置；

3)其次，在构件上表面通过机加工方法去除局部材料，在构件上表面形成矩形槽，去除材的料深度至少达到盲孔法钻孔深度；

4)再次将构件压紧在水平工作台的同一位置，测量基准点相对于水平工作台的位置，与去除材料前的测量结果相减，得到基准点的位移变化量，如果该位移量小于0.01mm，采用盲孔法在矩形槽上测量残余应力，如果位移量大于0.01mm，则进行第(5)步；

5)将构件下表面去除材料，去除材料区域位置和大小与上表面去除材料区域一致，去除材料深度至少为盲孔法的钻孔深度，去除材料后采用步骤4)测量并计算构件上基准点相对于去除材料前的位移变化量，如果该位移变化量得到减小且小于0.01mm，则采用盲孔法在构件上、下表面矩形槽表面测量残余应力，如果该位移变化量大于0.01mm，则继续在下表面矩形槽内去除材料，直至位移变化量小于0.01mm；

6)采用步骤(2)到步骤(5)在上、下两面矩形槽内逐层去除材料并测量构件不同深度的残余应力。

本发明采用局部逐层去除盲孔法多点测量较厚构件内部残余应力，发展了盲孔法的应用范围，使之能进行内部残余应力测量；局部去除材料，是一种半破坏性残余应力测量方法，去除材料占整个测量构件材料的比重非常少；通过检测去除材料前后的变形量在上下表面局部去除材料，减小了材料去除后因应力释放构件产生变形而引起的附加应力，最大限度保证了原始残余应力的完整性；可以进行多点测量，能分析各测量位置的应力分布状态；适合测量如焊接等加工方法引起的剧烈变化残余应力；该方法操作方便，测量效率高。

附图说明

图1为去除材料前的基准点位置测量示意图；

图2为去除材料后的基准点位置测量示意图；

图3是低碳钢多道焊接顺序示意图；

图4是局部逐层去除盲孔法测量的焊接残余应力在厚度上的分布图，图4a是低碳钢多道焊接焊缝中心线的残余应力，其中横坐标为残余应力，纵坐标距下表面的距离；图4b距焊缝中心7mm位置的残余应力，其中横坐标为残余应力，纵坐标距下表面的距离；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图3，采用测量厚度为18mm的低碳钢板多道焊接残余应力。焊接试验前，材料经过去应力热处理，先采用手工TIG点固和打底焊接，再采用机器人CO₂气体保护焊接进行剩余焊道焊接，焊接件尺寸为：100mm×300mm×18mm。焊道顺序示意见图3。

按照局部逐层去除盲孔法的测量步骤进行内部残余应力测量，测量过程如下：

1)首先，采用盲孔法测量构件上下表面焊接残余应力；

2)将构件1一端压紧放置在水平工作台2上，采用位移传感器3测量构件上表面或下表面上沿焊接方向3个基准点相对于水平工作台的位置；

3)在构件上表面中间区域通过机加工方法(如铣削)去除局部材料，在构件上表面形成一个200mm×60mm×3mm尺寸的矩形槽4，加工时的工件装夹力尽可能小以避免引起工件塑性变形从而造成附件的应力，且保证加工时构件没有明显振动；

4)再次将构件压紧在水平工作台的同一位置，测量距焊缝中心100mm-120mm位置上几个基准点相对于水平工作台的位置与去除材料前的测量结果比较，得到构件上基准点相对于去除材料前的位移变化量，如果该位移变化量小于0.01mm，采用盲孔法在矩形槽上测量残余应力，如果该位移变化量大于0.01mm，则进行第(5)步；

5)将构件下表面去除材料，去除材料区域位置和大小与上表面去除材料区域一致，去除材料深度至少为盲孔法的钻孔深度，去除材料后采用步骤4)测量并计算基准点相对于去除材料前的位移变化量，如果该位移变化量得到减小且小于0.01mm，则采用盲孔法在构件上、下表面矩形槽表面测量残余应力，如果位移变化量大于0.01mm，则继续在下表面矩形槽内去除材料，直至位移变化量小于0.01mm；

6)采用步骤(2)到步骤(5)在上、下两面矩形槽内逐层去除材料并测量构件不同深度的残余应力。

参见图4，测量得到的焊缝中心和距焊缝中心7mm位置的焊接残余应力在厚度上的分布。

文献(Shim Y，Feng Z，Lee S，Kim D，Jaeger J，Papritan J C，Tsai C L.Determination of residual stresses in thick-section weldments.Welding Journal，1992，71(9)：305s-312s)中采用表面残余应力测量和数值模拟方法研究50.4mm厚钢板多道焊接厚度上的应力分布(该文献中焊接件的材料、坡口形式和焊接方法和本方法测量的焊接件相似)，得到的焊缝中心处的残余应力分布趋势和采用本方法测量18mm厚的焊缝中心残余应力分布趋势非常接近。说明局部逐层去除盲孔法测量内部残余应力分布具有相当的准确性。

Claims (1)

1、一种焊接残余应力测量方法，其特征在于：

1)首先，采用盲孔法对构件进行上下表面焊接残余应力测量；

2)将构件一端压紧放置在水平工作台上，采用位移传感器或者千分表测量构件上表面或下表面上距焊缝中心100mm-120mm位置几个基准点相对于水平工作台的位置；

3)其次，在构件上表面通过机加工方法去除局部材料，在构件上表面形成矩形槽，去除材的料深度至少达到盲孔法钻孔深度；

4)再次将构件压紧在水平工作台的同一位置，测量基准点相对于水平工作台的位置，与去除材料前的测量结果相减，得到基准点的位移变化量，如果该位移量小于0.01mm，则采用盲孔法在矩形槽上测量残余应力，如果位移量大于0.01mm，则进行第(5)步；

5)将构件下表面去除材料，去除材料区域位置和大小与上表面去除材料区域一致，去除材料深度至少为盲孔法的钻孔深度，去除材料后采用步骤4)测量并计算构件上基准点相对于去除材料前的位移变化量，如果位移变化量得到减小且小于0.01mm，则采用盲孔法在构件上、下表面矩形槽表面测量残余应力，如果构件位移量大于0.01mm，则继续在下表面矩形槽内去除材料，直至位移量小于0.01mm；

6)采用步骤(2)到步骤(5)在上、下两面矩形槽内逐层去除材料并测量构件不同深度的残余应力。

Images