CN103353360B - 一种焊接转子残余应力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接转子残余应力的测量方法，1）测量试样内外表面的残余应力，然后在试样正反面各加工矩形槽，测量矩形槽底面的残余应力，重复在矩形槽底面加工矩形槽并测量其底面的残余应力直至总的测量深度大于试样壁厚的0.5倍；2）对步骤1）得到的结果进行对称分布处理，然后对没有测量到的区域利用一维插值得到其残余应力，最后将得到整个试样的残余应力用等值线绘制成残余应力分布云图。通过本发明方法不但可以得到焊接转子表面积内部的残余应力，而且可以得到轴向和环向残余应力分布。

Description

一种焊接转子残余应力的测量方法

技术领域

本发明涉及一种焊接残余应力测量方法，特别涉及一种焊接转子残余应力的测量方法。

背景技术

残余应力是指工件在不承受外力的情况下，存在于工件内部并且保持自平衡的应力。焊接转子在生产过程中，由于焊接过程中的不均匀的加热和冷却过程会导致焊接接头发生不均匀的塑性变形，最终会在焊接接头区域形成一个残余应力场。残余应力会导致一系列的问题，例如转子承载能力降低、结构稳定性下降、应力腐蚀及使用寿命下降等。因此全面的了解焊接转子残余应力大小和分布对于提高电站运行的安全性和可靠性有重要意义。

残余应力的测试方法通常分为两大类：物理法和机械法。物理法又称无损测量法，是根据材料的某些物理性能受应力的影响发生变化的原理，通过测量材料的某些物理参数的变化计算残余应力的方法。物理法包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法、磁性法等。机械测量方法属破坏性测量，也称应力释放法，在释放应力的同时，用电阻应变片、机械应变仪、栅线、光弹、表面脆裂涂层等方法测得其相应的弹性应变量，再反推出原有残余应力的大小。机械法包括小孔法、轮廓法、逐层钻孔法、环芯法、逐层剥削法、裂纹柔度法等。相比物理法，机械法的费用低廉，设备相对简单，实用性强，因此得到了更为广泛的应用。

目前国内测量焊接转子通常采用环芯法，也有采用环切法、X射线衍射法和小孔法等。然而这几种方法只能测量转子表面的残余应力，不能够测量其内部的残余应力。而且上述提到的大部分残余应力的测量方法都只能够测量厚壁工件的表面残余应力，能够测量厚壁工件内部残余应力的方法目前只有少数几种，这些方法主要有中子衍射法、深孔法、裂纹柔度法、逐层剥削法、轮廓法、阶梯孔法、局部去除盲孔法等。在这些方法中，中子衍射法测量所需的设备非常昂贵，而且不能测量尺寸较大的试样。裂纹柔度法和逐层剥削法只能测量均匀平面应力状态的残余应力，不适合测量存在较大梯度的焊接残余应力。而阶梯孔法和深孔法在测量过程中，需要将测量点周围的材料去除掉，因此只能测量单点残余应力沿厚底方向的变化，不适合测量一个平面区域内残余应力的梯度变化。而轮廓法只能够测量垂直于测量面的应力二维应力分布，也就是只能测量焊接转子的环向残余应力，不能测量其轴向残余应力。局部去除盲孔法能够测量转子内部的残余应力分布，但是其测量过程中需要不断检测工件的变形情况，以控制因应力释放导致的误差，测量所需设备比较复杂，测量比较繁琐。此外，这些能够测量厚壁工件内部残余应力的方法中，除轮廓法之外，其余方法的测量结果均为残余应力在一条直线上的分布曲线，不能得到整个转子截面上的残余应力二维分布云图。而残余应力的二维云图能够清楚明了的表明残余应力的分布情况，让科研研究人员和工程技术人员更方便的了解残余应力的分布趋势，寻找高值应力区域，了解工件的薄弱环节。因此残余应力的二维云图分布是一种比一维曲线分布更加先进的表示方法。

针对上述这些情况，根据残余应力测量的现状，需要一种能够同时测量焊接转子轴向和环向残余应力在截面上的二维分布的残余应力测量方法。

发明内容

本发明提供一种适合测量焊接转子残余应力的测量方法。该方法能够测量焊接转子的表面和内部残余应力，并能够得到焊接转子在整个截面上双向残余应力的二维分布云图。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种焊接转子残余应力的测量方法，包括如下步骤：（1）取样：取样的总长度大于焊缝宽度的20倍以上；（2）残余应力测量：2.1）利用盲孔法测量试样内外表面的残余应力大小和分布；2.2）对称地在试样正反面的中心区域各加工一个深度为h的矩形槽，测量该矩形槽底面的残余应力分布；2.3）重复步骤2.2）直至总的测量深度至少大于试样壁厚的0.5倍，得到每一层的残余应力分布曲线；（3）数据处理：3.1）将步骤2）得到的试样内部残余应力测量结果进行对称分布处理；3.2）利用一维插值，对试样中没有测量到的区域进行插值，得到试样中心的残余应力分布；3.3）对步骤3.2）得到的数据进行二维插值，得到整个试样残余应力的分布；3.4）将步骤3.3）得到的数据用等值线绘制试样残余应力分布云图。

作为本发明的优选实施例，所述步骤（1）中，取样的内径不小于1.3米；

作为本发明的优选实施例，经所述步骤3.1）对称分布处理后，距焊缝中心相同距离处的残余应力值相同。

与现有技术相比，本发明测量方法至少具有以下优点：本发明将焊接转子测得的残余应力数据进行插值和图形处理后得到了残余应力在焊接转子截面上的整体分布，更好地反映了焊接转子残余应力的分布，降低了测量结果读取的难度。

附图说明

图1是本发明方法取样的示意图；

图2是在取样的上下表面切削矩形槽后的示意图；

图3是图2的矩形槽底部的布点示意图；

图4是切削后的内表面残余应力测量结果；

图5是切削后的距离内表面45mm处的残余应力测量结果；

图6是得到的环向残余应力的等值线云图；

图7是得到的轴向残余应力的等值线云图；

图8是最后渲染后的环向残余应力的等值线云图；

图9是最后渲染后的轴向残余应力的等值线云图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的一种实施例进行详细阐述：

本发明焊接转子残余应力的测量方法包括以下步骤：

一、待测试件取样

该方法测量过程中，为了保证铣削过程的对称性，试样的直径不能过小。同时，由于在测量过程中，仅一条直线的布点往往不能够满足测量需要，需要测量三条直线上的残余应力分布，为了保证在偏移直线上测量的点不过分偏移理想位置，需要转子有足够大的直径，应该保证焊接转子或者其模拟件的内径不小于1.95米。

残余应力测量过程中，需对焊接转子进行机械加工以去除材料。为了降低加工难度，需要进行合适的取样，使得试样的尺寸足够大，以保证原始应力状态尽量不被破坏。从焊接转子焊接接头区域取样，或者直接从焊接转子模拟件上取样。取样的总长度应该大于焊缝宽度的20倍以上，以保证由于切割面应力释放导致的残余应力误差不会影响到试样中心位置的原始应力状态，并保证后续机械加工和残余应力测量有足够的空间。待测试样的取样示意图如图1所示，图中w为转子环焊缝宽度。

二、残余应力测量

试样从焊接转子或者焊接转子模拟件上取下后，残余应力测量的步骤如下：

1）利用盲孔法测量试样内外表面的残余应力大小和分布；然后对试样进行铣削加工，即对称地在焊接转子正反面中心区域各加工一个深度为h的矩形槽，以尽量控制变形，降低由于应力释放导致的应力重分布，铣削后的试样示意图如图2所示；

2）在步骤1）切削的矩形槽的底面利用盲孔法测量该深度的残余应力分布；

3）重复步骤1）、2），测量不同深度处的残余应力分布，得到每一层的残余应力分布曲线。应该保证总的测量深度至少大于0.5倍的工件壁厚，否则难以准确绘制整个焊接转子残余应力的二维云图。

三、数据处理

利用步骤二的测量结果，可以得到焊接转子不同深度的轴向和环向残余应力分布。按照如下步骤对数据进行处理，以得到轴向残余应力和环向残余应力的在截面上的二维分布：

（1）将步骤二得到的焊接转子内部残余应力测量结果进行对称分布处理，认为残余应力在距焊缝中心相同距离处是一致的。

（2）利用一维插值，对工件中心没有测量到的区域插值，以得到工件中心的残余应力分布；

（3）对整体数据进行二维插值，得到其在整个截面上的分布；

（4）用步骤（3）得到的数据，用等值线绘制焊接转子截面上残余应力分布云图；

（5）对云图进行色彩渲染，即可以分别得到轴向和环向残余应力的彩色云图。

下面，利用一个具体实例进行举例说明。

1、取样

待测试件为一个内径为1950mm，壁厚为142mm的焊接转子模拟件，模拟件焊缝宽度为12mm。从焊接转子模拟件上进行取样，试样长度为300mm左右。

2、残余应力测量

1）表面残余应力测量

利用盲孔法测量焊接转子内外表面的残余应力分布。

2）局部材料去除

利用机械加工在焊接转子内外表面分别加工一个深度为5mm，长170mm，宽90mm的矩形槽。内外表面的矩形槽需保证大小一致，位置对称。

3）内部残余应力测量

利用盲孔法在矩形槽底面进行布点，测量新形成的底面上的残余应力分布。内部残余应力的布点如图3所示，重复步骤1）和2）进行逐层测量，直至测量到距离内外表面深度为45mm处。

3、数据处理

1）得到数据的一维分布情况

根据盲孔法测试残余应力原理中的应力应变关系，利用步骤2测量的应变值计算出各个点的应力值，并将内部残余应力测试结果进行对称分布处理。图4和图5分别为内表面残余应力和距离内表面45mm处的残余应力的测量结果。

2）一维插值，得到转子内部未测量区域的残余应力分布数值利用一维插值的方法，对距离内外表面超过45mm处的区域的残余应力进行插值。

3）二维插值，得到残余应力的整体分布数值

利用二维插值的方法，对整个截面上的残余应力进行插值。

4）利用等值线绘制二维云图，利用步骤3）得到的结果绘制等值线云图。绘制得到的云图结果如图6和图7所示

5）进行颜色渲染，得到彩色的二维分布云图：利用不同的颜色代表不同的应力幅值，得到的轴向和环向残余应力的彩色应力云图如图8和图9所示。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种焊接转子残余应力的测量方法，焊接转子或者其模拟件的内径不小于1.95米，其特征在于：包括以下步骤：

1)取样：取样的总长度大于焊缝宽度的20倍；

2)残余应力测量：2.1)利用盲孔法测量试样内外表面的残余应力大小和分布；2.2)对称地在试样正反面的中心区域各加工一个深度为h的矩形槽，测量该矩形槽底面的残余应力分布；2.3)重复步骤2.2)直至总的测量深度大于试样壁厚的0.5倍，得到每一层的残余应力分布曲线；

3)数据处理：3.1)将步骤2)得到的试样内部残余应力测量结果进行对称分布处理；3.2)利用一维插值，对试样中没有测量到的区域进行插值，得到试样中心的残余应力分布；3.3)对步骤3.2)得到的数据进行二维插值，得到整个试样残余应力的分布；3.4)将步骤3.3)得到的数据用等值线绘制试样残余应力分布云图。

2.根据权利要求1所述的焊接转子残余应力的测量方法，其特征在于：经所述步骤3.1)对称分布处理后，距焊缝中心相同距离处的残余应力值相同。