CN103364336A - 一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，包括以下步骤：将环焊缝试件切割成两半，测试切割面因应力释放而造成的变形，然后将测试变形轮廓光滑拟合后作为三维有限元数值计算的边界条件经弹性计算获得切割前测试件的对应于切割面位置的内部残余应力；两次切割并通过叠加方法获得两个方向的内部残余应力全貌。本发明通过两次切割就能获得管件环焊缝内部双向残余应力全貌，测试效率和测试精度高，适合不同材料、不同管径及壁厚大于4mm的试件内部应力测试；尤其适合测试高能束、惯性摩擦焊接等焊接方法的窄小焊缝内部残余应力。

Description

一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法
技术领域
本发明涉及残余应力测试技术领域，具体涉及一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法。
背景技术
焊接过程由于高度集中的瞬时热输入，不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩，从而引起焊接应力和各类焊接变形。焊接残余应力的存在，一方面会使工件强度降低，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会使焊接结构的疲劳强度、应力腐蚀等性能降低。明了残余应力的分布和大小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。
现有的残余应力测试方法按测试深度主要分为两类：（1）表层应力测试方法，如小孔法、X射线衍射法等；（2）内部应力测试方法，如逐层钻孔法、深孔法、裂纹柔度法、中子衍射法、阶梯孔法、环芯法、轮廓法、超声波法等。随现代工业大型化发展，焊接结构的厚度越来越大，焊接构件内部残余应力也越来越引起人们的关注。测量内部焊接残余应力对于分析和理解残余应力的特征和规律，对于评价焊接结构的安全性和可靠性有着更重要的意义。
深孔法可以测量厚达100mm的构件内部残余应力，测量精密，误差小，但是该方法需要加工一直径较大的环芯槽，不适合测试焊缝窄小试件，且该方法设备昂贵，测量耗时。逐层钻孔法的测试深度较小，约2mm深度范围内的应力。裂纹柔度法和逐层剥削法适合测试测量在垂直厚度的各平面内分布均匀的构件残余应力。阶梯孔法是小孔法的一种发展，其操作难度大，基本上是单点测试。中子衍射法可以获得试件内部应力分布全貌，但测试设备昂贵，并且测试精度对材料组织较敏感。
西安交通大学的张建勋申请了“一种焊接残余应力测试方法”（申请号：200910021661.1）发明专利，其主要技术特征是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试残余应力，此发明专利能实现局部逐层测量构件内部残余应力，操作方便、测试效率高。但该测试方法没有考虑到去除材料对原始残余应力的影响，并且该方法对于管状构件和较薄构件的内部应力测试操作较难。
北京理工大学的徐春广等人申请的“金属材料近表面残余应力检测装置”（申请号：201110283075.1）发明专利，其主要特征是采用超声波测试表层残余应力，该发明通过减小楔块与被测试件的接触面积，可有效消除板面变形对测量结果的影响。该方法对于表层应力比较合适，测试结果为一定深度内的平均应力。
轮廓法是一种将有限元方法和应力释放技术结合起来的一种破坏性残余应力测试技术，它具有测试方法简单、经济适用、对微观组织不敏感等特点，可获得测试件整个截面上的应力分布全貌（将试件切割开，获得整个切割面上垂直切割面方向的应力分布）。该方法的适用性广，可测试不同材料、不同焊接方法及其他制造方法形成的残余应力，测试精度高。其基本原理是将切割后试件因应力释放造成的切割面变形轮廓作为有限元计算的边界条件，经弹性计算获得切割面上原始应力。对于管件环焊缝的内部应力，采用轮廓法测试时，Brown等人（Brown DW,Holden TM,Clausen B,et al.Criticalcomparison of two independent measurements of residual stress in an electron-beam weldeduranium cylinder:Neutron diffraction and the contour method[J].Acta Materialia,2011,59:864–873.）首先管试件切开，获得环向弯曲应力，然后从试件中再次切割取出一小块，最后采用轮廓法测试该一小块试件的内部环向应力（第三次切割），将第一次切割得到的环向弯曲应力与第三次切割得到的环向应力进行叠加，最后得到管件环焊缝的内部环向应力。
因此，现有的内部残余应力测试方法存在测试成本高（如中子衍射法）、测试区域大不适合窄小焊缝测量（如深孔法）、不能反映焊接大梯度应力变化（如裂纹柔度法）以及不适合管件及较薄构件测试（如逐层剥削盲孔法）等问题，对于管件环焊缝，轮廓法是现有测试管环焊缝内部应力的高效经济及高精度方法，但现有的轮廓法测试技术需要进行三次切割才能获得一个方向的应力（环向应力），而轴向焊接应力是环焊缝的一个主要残余应力，需要进一步对该方法进行改进获得环焊缝两向内部残余应力分布。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，基于轮廓法测试的基本原理，通过两次切割可以获得环焊缝内部环向和轴向应力全貌，能够提高测试效率；可以测试不同直径、壁厚大于4mm的不同焊接方法形成的环焊缝；尤其适合测试高能束、惯性摩擦焊接等焊接方法的窄小焊缝内部残余应力。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，包括以下步骤：
（1）将环焊缝试件采用高精度慢走丝线切割机床沿垂直焊缝方向切割成均匀两半试件；
（2）采用高精度三坐标测量仪测试切割面垂直方向上的变形轮廓；
（3）将步骤（2）测试得到的两半试件上对应位置切割面（切割前为同一位置）的轮廓数据进行两两平均并采用样条函数进行光滑拟合处理；
（4）以切割成一半试样尺寸建立三维有限元模型，将步骤（3）获得的光滑拟合后的切割面轮廓数据反向后作为位移边界条件施加在有限元模型对应的切割面节点上；施加防止模型刚性移动和转动的位移约束边界条件后进行弹性分析，得到的切割面上的垂直方向应力分布即为切割前该平面上的环向应力分布；同时该计算结果也获得切割前环焊缝试件部分轴向应力分布；
（5）将切割后试件中的一半从焊缝中心位置采用步骤（1）的设备和参数再次切割成两半，切割时试件两端面采用垫铁夹紧；然后采用步骤（2）相同的高精度三坐标测量仪测试第二次切割面垂直方向上的变形轮廓；
（6）将第二次切割后两切割面的变形轮廓进行平均并采用样条函数进行光滑拟合处理；
（7）以第二次切割后的试件尺寸建立三维有限元模型，将步骤（6）获得的切割面光滑轮廓数据反向后作为位移边界条件施加在有限元模型上的切割面位置对应节点上，施加防止模型刚性平移和转动的附加位移约束后进行弹性计算；
（8）将步骤（4）的计算结果中与步骤（7）的切割面相同位置的沿轴向方向应力与步骤（7）得到的切割面上的垂直方向应力（即轴向应力）进行叠加，就获得焊缝中心位置整个半环面上的轴向应力分布。
本发明中，环焊缝试件通常为管件。本发明次用两次切割，第一次切割后测试的测试点间距与第二次切割后测试点间距不一样，第一次切割是分区域测试，第二次切割是不分区域测试。
所述步骤（1）中，切割时，是将环焊缝试件从其中截面位置沿垂直焊缝方向切割成均匀两半，高精度慢走丝线切割机床的切割误差为[-5，5]μm/m；切割面粗糙度要求小于0.2μm；切割时试件两端面采用垫铁夹紧；切割时采用的电极丝为直径为0.1～0.25mm的铜丝，切割速度小于0.2mm/min。
所述步骤（2）中，高精度三坐标测量仪的测试误差为[-5,5]μm/m；测试第一次切割后的切割面垂直方向上的变形轮廓时，采用分区域测试的方法：焊缝区域两个方向的测试点间距≤0.5mm，其它区域的测点间距为≤2mm；所述步骤（5）中，测试第二次切割后的切割面垂直方向上的变形轮廓时，采用不分区域的测试方法：两个方向测试点间距≤2mm。测试第一次切割后的切割面变形轮廓时，每一半试件上的两切割面变形轮廓在相同坐标系下进行测量。
有益效果：本发明的测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，与现有技术相比，具有以下优点：
（1）可获得整个切割面上的内部应力全貌，两次切割获得两个方向上的内部应力全貌，能够提高测试效率；
（2）测试精度高，操作方便；
（3）适用于各种材料的环焊缝焊接应力测试，不需要标定相关系数，只需要获得材料的弹性模量和泊松比即可获得测试结果；
（4）可测试管径0～300mm及壁厚大于4mm的试件；
（5）适合测试窄小焊缝如高能束焊接和惯性摩擦焊接环焊缝的内部应力；
（6）该方法对材料组织结构不敏感。
附图说明
图1为测试焊接件尺寸及第一次切割时切割面示意图；
图2为轮廓测试不同点距区域示意图；
图3为相同位置切割面测试轮廓经平均及光滑拟合后曲面图；
图4为施加边界条件后的变形有限元模型图；
图5为测试获得的切割面上环向应力分布图；
图6为第二次切割时切割面位置示意图；
图7为第二次切割后切割面上的轴向应力分布图；
图8为测试获得的第二次切割面上的原始轴向应力分布图；
图9为本方法测试得到的表层应力和小孔法测试应力比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至9所示，本发明中采用轮廓法测试镍基合金管惯性摩擦焊接件的两向内部应力。焊接后的试件尺寸如图1所示，管件外径为60mm，内径为40mm，长度为70mm。焊接前，材料经过去应力热处理，焊后将焊缝区域的飞边采用铣削加工方式去除。
按照测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法来测试该惯性摩擦焊接件的内部双向应力，测试过程如下：
（1）将焊接管件沿垂直焊缝方向采用慢走丝线切割方法切割成两半。切割时管件两侧夹紧，切割面位置为图1中虚线位置，切割机床为Sodick AQ400LS慢走丝线切割机，该机床的加工精度±2μm，加工面粗糙度0.1μm。切割采用的电极丝为直径为0.1～0.25mm的铜丝，例如优选为直径为0.2mm的铜丝，可以在较高切割效率下保证切割精度；切割速度小于0.2mm/min，例如可以为0.15～0.18mm/min；
（2）分别测试两半切割面的轮廓。参见图2，测试时将切割后的试件摆放在垫块上并保持水平，以远离焊缝区域为基准区域，测试整个切割面的变形轮廓；测试设备为斯瑞三坐标测量机，测试精度为3μm/m，采用分区域测试的方法：距焊缝中心±10mm区域（图2中所示A区域和B区域）的两个方向测试点间距≤0.5mm，例如可以为0.5mm，其它区域测试点间距≤2mm，例如可以为1mm；测试第一次切割后的切割面变形轮廓时，每一半试件上的两切割面变形轮廓在相同坐标系下进行测量，每一半试件上的两切割面是指图3中的A1-A2面，B1-B2面；
（3）将两半试件的相对应位置（图3中A1-B1，A2-B2切割面）的切割面轮廓测试数据进行平均，然后将平均轮廓采用样条函数光滑拟合，拟合后曲面见图3中A1-B1，A2-B2切割面各自对应的曲面图；
（4）以切割后的一半焊接件尺寸建立有限元模型，将步骤（3）中光滑处理后的两部分切割面轮廓数据反向后作为位移边界条件施加在有限元模型的对应切割面上，图4所示为加载边界条件后的变形模型，然后，施加防止模型刚性移动和转动的附加位移边界条件，进行弹性有限元计算，获得该焊接件切割面上的环向应力分布，计算结果也获得部分轴向应力，如图5所示；
（5）将切割后的一半试件，沿焊缝中心进行再次切割，如图6所示。切割时两端面夹紧，切割设备和切割参数与步骤（1）相同；
（6）采用与步骤（2）相同的测试设备，测试第二次切割面的轮廓，本次测试采用不分区域的测试方法：两个方向测试点间距≤2mm，例如可以为1mm；然后采用和步骤（3）一致方法对第二次切割的两切割面测试轮廓进行平均和样条曲面光滑拟合；
（7）以第二次切割后的试件尺寸建立三维有限元模型，将步骤（6）中得到的第二次切割面平均轮廓值的光滑拟合数据反向后作为边界条件施加在模型上进行弹性计算，获得焊接件第二次切割面上的部分轴向应力（第一次切割释放了部分应力，故该步骤计算应力为部分轴向应力），如图7所示；
（8）将步骤（4）中计算得到的对应于步骤（7）中模型的切割面相同位置的轴向应力与步骤（7）中得到的切割面上的垂直方向应力进行叠加，最终获得焊缝中心位置的焊接轴向残余应力分布，如图8所示。
采用本发明的方法测试的镍基合金管惯性摩擦焊接内部环向和轴向应力分布趋势和文献（Karadge M,Grant B,Withers PJ,et al.Thermal relaxation of residual stresses innickel-based superalloy inertia friction welds[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2011,42A(8):2301-2311；Preuss M,Pang JWL,Withers PJ,et al.Inertia weldingnickel-based superalloy:Part II.residual stress characterization[J].Metallurgical andMaterials Transactions A,2002,33A(10):3227-3234.）中采用中子衍射法测试的镍基合金惯性摩擦焊接内部残余应力分布趋势非常接近，该两篇文献中的焊接件材料和焊接方法与本方法测试的焊接件相似，并且本方法测试得到的距表层1mm位置环向应力结果和采用小孔法测试本试件的表面环向应力分布非常接近，如图9所示。说明采用本发明的方法测试环焊缝的双向内部残应力具有相当的准确性。
综上所述，本发明的一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，将焊接管件切割成两半，测试切割面因应力释放而造成的变形，然后将测试变形轮廓光滑拟合后作为三维有限元数值计算的边界条件经弹性计算获得切割前测试件的对应于切割面位置的内部残余应力；两次切割并通过叠加方法获得两个方向的内部残余应力全貌。该方法通过两次切割就能获得管件环焊缝内部双向残余应力全貌，测试效率和测试精度高，适合不同材料、不同管径及壁厚大于4mm的试件内部应力测试。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将环焊缝试件采用高精度慢走丝线切割机床沿垂直焊缝方向切割成均匀两半试件；
（2）采用高精度三坐标测量仪测试切割面垂直方向上的变形轮廓；
（3）将步骤（2）测试得到的两半试件上对应位置切割面的轮廓数据进行两两平均并采用样条函数进行光滑拟合处理；
（4）以切割成一半试样尺寸建立三维有限元模型，将步骤（3）获得的光滑拟合后的切割面轮廓数据反向后作为位移边界条件施加在有限元模型对应的切割面节点上；施加防止模型刚性移动和转动的位移约束边界条件后进行弹性分析，得到的切割面上的垂直方向应力分布即为切割前该平面上的环向应力分布；同时该计算结果也获得切割前环焊缝试件部分轴向应力分布；
（5）将切割后试件中的一半从焊缝中心位置采用步骤（1）的设备和参数再次切割成两半；然后采用步骤（2）相同的高精度三坐标测量仪测试第二次切割面垂直方向上的变形轮廓；
（6）将第二次切割后两切割面的变形轮廓进行平均并采用样条函数进行光滑拟合处理；
（7）以第二次切割后的试件尺寸建立三维有限元模型，将步骤（6）获得的切割面光滑轮廓数据反向后作为位移边界条件施加在有限元模型上的切割面位置对应节点上，施加防止模型刚性平移和转动的附加位移约束后进行弹性计算；
（8）将步骤（4）的计算结果中与步骤（7）的切割面相同位置的沿轴向方向应力与步骤（7）得到的切割面上的垂直方向应力即轴向应力进行叠加，就获得焊缝中心位置整个半环面上的轴向应力分布。
2.根据权利要求1所述的测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的高精度慢走丝线切割机床的切割误差为[-5，5]μm/m。
3.根据权利要求1所述的测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，其特征在于：所述步骤（1）和步骤（5）中，切割时试件两端面采用垫铁夹紧；切割时采用的电极丝为直径为0.1～0.25mm的铜丝，切割速度小于0.2mm/min。
4.根据权利要求1所述的测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，高精度三坐标测量仪的测试误差为[-5，5]μm/m。
5.根据权利要求1所述的测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，测试第一次切割后的切割面垂直方向上的变形轮廓时，采用分区域测试的方法：焊缝区域的测试点间距≤0.5mm，其它区域的测点间距为≤2mm；所述步骤（5）中，测试第二次切割后的切割面垂直方向上的变形轮廓时，采用不分区域的测试方法：两个方向测试点间距≤2mm。
6.根据权利要求1所述的测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，测试第一次切割后的切割面变形轮廓，每一半试件上的两切割面变形轮廓在相同坐标系下进行测量。
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