CN102778385B - 一种焊接残余应力测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法，属于测量材料加工测试领域。包括金相试验、局部力学性能试验和残余应力测试试验，本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法基于弹塑性力学，通过弹塑性有限元分析，采用形状改变比能修正了由于孔边应力集中在孔周围产生塑性变形的影响，取代了现有的或曾有的采用线弹性有限元分析方法或通过应变释放系数分级计算法估算焊接残余应力，使得计算得到的焊接残余应力跟接近于真实值。本发明通过电测法测量不同组织区域的局部力学性能，取代了现有的或曾有的通过试样标距段获得接头宏观力学性能或借用与焊缝相近材料的标定关系，减小了焊接残余应力的计算误差。

Description

一种焊接残余应力测量方法
技术领域
本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法，属于测量材料加工测试领域。
背景技术
焊接结构相对于其他连接形式，例如铆接、螺栓连接等最大优势是能够在满足相同强度要求的情况下，最大限度的降低结构重量，因此在航空航天及民用领域得到广泛的应用。
焊接时，由于材料受热不均匀使得焊接结构产生较大的残余应力，造成焊接结构承载时接头区域的应力应变重新分配，影响零件的尺寸及形位精度，降低构件的疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂性能，最终影响设备的性能与使用寿命。
小孔法是现今工程中较为常用的残余应力测量方法。然而采用小孔法测量残余应力时，由于孔边应力集中使得孔周围产生一定的塑性应变。ASTM标准E837-81和E837-85中规定，小孔法测量残余应力范围不应大于材料屈服强度的一半。而焊接残余应力通常为高水平的应力，这就使得小孔法测量焊接残余应力时存在较大的误差。
焊接过程中，由于接头局部受热不均匀，导致接头处材料和母材的力学性能，主要是塑性延伸存在较大的差异。国家标准GB/T 24179-2009中采用借用与焊缝塑性延伸强度相近的材料的标定关系进行残余应力计算。但其存在两个问题：首先，寻找与焊缝区塑性延伸强度相近的材料的标定关系在实际操作中较为困难；其次，国标中仅考虑焊缝区和母材力学性能的差异，但却没考虑接头处其他区域，例如熔合区、热影响区和母材力学性能差异对焊接残余应力测量的影响。因此其依然无法解决焊接残余应力精确测量的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的焊接残余应力测量方法，以解决焊接残余应力精确测量的技术问题。
本发明采用如下技术方案：
1、一种焊接残余应力测量方法，包括金相试验、局部力学性能试验和残余应力测试试验，步骤如下：
1）、将整块式样切割成不同尺寸的金相试验件，焊接拉伸试验件，焊接残余应力测试试验件；
2）、对金相试验件进行研磨、抛光、侵蚀处理，
3）、进行金相试验，使用金相显微镜观察浸蚀后的金相试验件，并测量金相试验件不同组织区域的尺寸大小；
4）、根据上述金相试验结果，在焊接拉伸试验件上不同组织区域内粘贴电阻应变片；
5）、使用拉伸试验机，对粘贴好电阻应变片的焊接拉伸试验件进行拉伸试验，得到接头不同区域属性的局部力学性能；
6）、在焊接残余应力测试试验件的测量点处粘贴电阻应变片，使用台钻（7）在测量点处钻孔，得到测量点处释放应变；
7）、基于弹塑性力学，采用非线性有限元到不同区域属性情况下测量点处形状改变比能与应变释放系数的关系；
8）、根据步骤6得到的测量点出释放应变计算形状改变比能，结合步骤7得到的形状改变比能与应变释放系数的关系，得到不同属性情况下测量点处应变释放系数；
9）、根据如下公式计算不同区域属性情况下测量点焊接残余应力
10）、根据测量点处不同组织区域所占比例，利用如下公式计算
Figure 468975DEST_PATH_IMAGE002
最终的焊接残余应力。
有益效果
本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法基于弹塑性力学，通过弹塑性有限元分析，采用形状改变比能修正了由于孔边应力集中在孔周围产生塑性变形的影响，取代了现有的或曾有的采用线弹性有限元分析方法或通过应变释放系数分级计算法估算焊接残余应力，使得计算得到的焊接残余应力跟接近于真实值。
第二，本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法采用区域属性离散思想，离散接头处不同组织区域的属性，分别计算不同区域属性情况下测量点处残余应力，再根据测量点处不同组织区域所占比例合成最终的焊接残余应力，取代了现有的或曾有的将接头处材料单一的视为焊缝或母材的方法，使得焊接残余应力计算更加精确以及具有物理意义。
第三，本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法基于焊接接头金相试验的结果，通过电测法测量不同组织区域的局部力学性能，取代了现有的或曾有的通过试样标距段获得接头宏观力学性能或借用与焊缝相近材料的标定关系，减小了焊接残余应力的计算误差。
附图说明
图1：本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法中的金相试验示意图。
图2：本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法中的局部力学试验示意图。
图3：本发明的基于材料属性离散的焊接残余应力测量方法中的残余应力测试试验示意图。
图4：本发明的焊接残余应力测试试验件示意图；
图中1是金相试验件；2是金相显微镜；3是拉伸试验机；4是电阻应变片；5是焊接拉伸试验件；6是焊接残余应力测试试验件；7是台钻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明：
如图所示：一种焊接残余应力测量方法，包括金相试验、局部力学性能试验和残余应力测试试验，步骤如下：
1）、将整块式样切割成不同尺寸的金相试验件1，焊接拉伸试验件5，焊接残余应力测试试验件6；
2）、对金相试验件1进行研磨、抛光、侵蚀处理；
3）、进行金相试验，使用金相显微镜2观察浸蚀后的金相试验件（1），母材区组织呈现板条状，焊缝区晶粒较为粗大，熔合区组织形态较为复杂，且主要为柱状晶粒，热影响区组织为等轴晶粒，测量金相试验件1不同组织区域的尺寸大小，由焊缝中心线至母材方向测量，得到焊缝区尺寸为5mm，熔合区尺寸为2mm，热影响区尺寸为3mm，其余均为母材；
4）、根据上述金相试验结果，在焊接拉伸试验件5上不同组织区域内粘贴电阻应变片4；
5）、使用拉伸试验机3，对粘贴好电阻应变片4的焊接拉伸试验件（5）进行拉伸试验，得到焊接结构不同区域属性的局部力学性能；
6）、在焊接残余应力测试试验件6上，沿焊缝方向每隔一定距离（垂直于焊缝方向间隔2mm，沿焊缝方向间隔20mm）布置一个测量点，在测量点处沿焊缝方向和垂直于焊缝方向粘贴两片电阻应变片4，使用台钻7在测量点处钻孔，通过电阻应变片测量得到测量点处释放应变；
7）、基于弹塑性力学，采用非线性有限元数值仿真技术，建立不同区域属性情况下的焊接残余应力测试试验件模型，通过施加不同的边界载荷（载荷选取原则为：在极限强度范围内每隔10MPa选取一个边界载荷值），得到不同区域属性情况下测量点处形状改变比能与应变释放系数的关系，如下
焊缝区：
Figure 2012102382302100002DEST_PATH_IMAGE003
熔合区：
Figure 283348DEST_PATH_IMAGE004
热影响区：
Figure 2012102382302100002DEST_PATH_IMAGE005
母材区：
Figure 542028DEST_PATH_IMAGE006
式中，A'、B'为应变释放系数，S为形状改变比能；
8）、根据步骤6得到的测量点出释放应变，根据下式计算形状改变比能
Figure 2012102382302100002DEST_PATH_IMAGE007
    式中，S为形状改变比能，μ为泊松比，εx为沿焊缝方向释放应变，εy为垂直于焊缝方向释放应变；
    将步骤6中得到的形状改变比能S代入步骤7得到的形状改变比能与应变释放系数的关系，得到不同属性情况下测量点处应变释放系数；
9）、根据如下公式计算不同区域属性情况下测量点焊接残余应力
Figure 746745DEST_PATH_IMAGE008
式中，
Figure 2012102382302100002DEST_PATH_IMAGE009
为测量点处焊接残余应力，E为材料弹性模量，A、B为应变释放系数，
Figure 883328DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 2012102382302100002DEST_PATH_IMAGE011
分别为沿焊缝和垂直于焊缝方向的释放应变；
10）、根据测量点处不同组织区域所占比例（即钻孔直径范围内，不同组织区域的体积除以钻孔直径范围内的体积），利用如下公式计算最终的焊接残余应力。
Figure 552207DEST_PATH_IMAGE012
式中，
Figure 2012102382302100002DEST_PATH_IMAGE013
为最终的焊接残余应力，
Figure 483254DEST_PATH_IMAGE014
为根据i区域属性计算所得的残余应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为钻孔区域i区域属性所占比例。

Claims (1)

1.一种焊接残余应力测量方法，包括金相试验、局部力学性能试验和残余应力测试试验，其特征在于步骤如下：
1）、将整块式样切割成不同尺寸的金相试验件（1），焊接拉伸试验件（5），焊接残余应力测试试验件（6）；
2）、对金相试验件（1）进行研磨、抛光、侵蚀处理，
3）、进行金相试验，使用金相显微镜（2）观察浸蚀后的金相试验件（1），并测量金相试验件（1）不同组织区域的尺寸大小；
4）、根据上述金相试验结果，在焊接拉伸试验件（5）上不同组织区域内粘贴电阻应变片（4）；
5）、使用拉伸试验机（3），对粘贴好电阻应变片（4）的焊接拉伸试验件（5）进行拉伸试验，得到接头不同区域属性的局部力学性能；
6）、在焊接残余应力测试试验件（6）的测量点处粘贴电阻应变片（4），使用台钻（7）在测量点处钻孔，得到测量点处释放应变；
7）、基于弹塑性力学，采用非线性有限元得到不同区域属性情况下测量点处形状改变比能与应变释放系数的关系：如下
焊缝区：
Figure 2012102382302100001DEST_PATH_IMAGE001
熔合区：
热影响区：
母材区：
Figure 433006DEST_PATH_IMAGE004
式中，A'、B'为应变释放系数，S为形状改变比能；
8）、根据步骤6得到的测量点出释放应变计算形状改变比能，结合步骤7得到的形状改变比能与应变释放系数的关系，通过下式
得到不同属性情况下测量点处应变释放系数，
Figure 2012102382302100001DEST_PATH_IMAGE005
    式中，S为形状改变比能，μ为泊松比，εx为沿焊缝方向释放应变，εy为垂直于焊缝方向释放应变；
9）、根据如下公式计算不同区域属性情况下测量点焊接残余应力
Figure 337377DEST_PATH_IMAGE006
式中，为测量点处焊接残余应力，E为材料弹性模量，A、B为应变释放系数，、
Figure DEST_PATH_IMAGE009
分别为沿焊缝和垂直于焊缝方向的释放应变；
10）、根据测量点处不同组织区域所占比例，利用如下公式计算
Figure 923789DEST_PATH_IMAGE010
最终的焊接残余应力；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为最终的焊接残余应力，
Figure 870886DEST_PATH_IMAGE012
为根据i区域属性计算所得的残余应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为钻孔区域i区域属性所占比例。
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