CN103808438A - 一种薄板焊接残余应力的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄板焊接残余应力的测量方法，所述测量方法为：首先在焊接件上粘贴两列对称分布的电阻式应变片，并使应变栅的方向与焊缝方向一致，然后沿着垂直于焊缝的方向将焊接件切割成尺寸相同的两部分，使残余应力得到释放；通过观测并且记录两组应变片的读数变化，得到沿焊缝方向释放的两组应变值，并将所得的焊接件两切割面的两组应变值进行数值平均，用EXCEL进行多项式拟合，最后根据胡克定律换算得到沿焊缝方向的原始残余应力分布曲线；本发明的有益效果：测量精度高，能进行多点测量，可靠性高，操作方便，设备成本低。
Description
（一）技术领域
本发明涉及工程领域的结构残余应力的测量技术，具体涉及一种薄板焊接残余应力的测量方法。
（二）背景技术
残余应力指在没有外加负荷的情形下，存在于结构体内的应力。残余应力的产生来自物体非均匀的永久变形，如热处理、表面处理、滚压、焊接、铸造等，而因为在制造或组装过程中，材料多少都会受到局部塑形变形，因此几乎所有结构体，都存在有残余应力。
焊接构件的残余应力危害较大，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，在研究焊接构件的工作性态、承载能力、安全储备等方面，都必须考虑残余应力的影响。这样就要求能够准确地测定焊接构件的残余应力的数值及其分布。实际上，在各个工程领域，如化工机械、航空航天、石油化工等领域，残余应力测试技术及其研究应用一直受到高度的重视，近年来，为了与国际接轨，残余应力测试已经成为各个行业必要的检验手段。
常用的残余应力测试方法一般分为有损测试和无损测试。有损测试法有盲孔法、切条法、切槽法、逐层剥削法等；无损测试法有X射线法、中子衍射法、超声波法、磁性法等。传统的有损测试法一般精度不高，局限性较大；而无损测试法投资较大，操作又过于复杂。可见，实际应用的残余应力测试方法都存在一定的缺陷，在有效性、准确性和操作性等方面还不能完全满足需求。因此，为了方便、快捷、准确测量焊接构件残余应力，需要开发测量焊接残余应力的新方法。
（三）发明内容
针对现有的残余应力测量方法的缺点，本发明提供一种测量薄板焊接残余应力的新方法。
将焊接构件沿着需要研究应力分布的平面完整切开成两部分，由于应力的释放，切割面轮廓发生变形，假设变形是由于残余应力弹性释放造成的，如果施加外力将变形后的切割面恢复到切割前的状态，那么得到的应力状态就等效于切割前该平面上的原始残余应力。因此可以利用焊接构件切割面上的变形得到原始残余应力的分布。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种薄板焊接残余应力的测量方法，所述测量方法为：
a、在焊接件上沿着垂直于焊缝的方向，粘贴两列对称分布的电阻式应变片，两列应变片的间距以及同一列中相邻应变片的间距可取适当值，本发明中两列应变片的间距取25～30mm，同一列上相邻的应变片相隔14～20mm，并使应变栅的方向与焊缝方向一致，用预调平衡箱将两组应变片的初始读数调至零；
b、沿着垂直于焊缝的方向将焊接件切割成尺寸相同的两部分，使残余应力得到释放；
c、观测并且记录两列应变片的读数变化，得到沿焊缝方向释放的两组应变值，用于应变值的数值平均，从而得到更精确的切割面应变；
d、将焊接件两切割面的两组应变值进行数值平均，得到一组应变平均值，然后用EXCEL进行多项式拟合，得到切割面上沿焊缝方向上的应变ε拟合曲线，并假设沿厚度方向和垂直焊缝方向的应力可以忽略不计，即处于单向应力状态；
e、最后根据胡克定律
σ=-Eε
换算得到沿焊缝方向的原始残余应力的曲线，其中σ代表沿焊缝方向的应力，ε代表沿焊缝方向的应变，E代表焊接件的弹性模量，负号表示拉应力时应变小于0，压应力时应变大于0。
本发明的有益效果：测量精度高，能进行多点测量，可靠性高，操作方便，设备成本低。
（四）附图说明
图1为本发明的焊接件图示；
图2为本发明沿焊缝方向的应变平均值拟合曲线；
图3为本发明沿焊缝方向的应力拟合曲线。
（五）具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
采用钨极惰性气体保护电弧焊方法不加丝表面堆焊尺寸为200mm×75mm×2.5mm的Q235钢板。
a、在焊接件1上粘贴两列对称分布的BF350高精度电阻式应变片2，使其分布在距离两条长边25mm处的两条直线上，两列应变片的间距为25mm，同一列中相邻的BF350高精度电阻式应变片2相隔20mm，应变栅的方向与焊缝3方向一致，记录应变片的初始读数，用预调平衡箱将两组应变片的初始读数调至零，对两列应变片2从左往右依次进行编号；
b、采用高精度的AW310T慢走丝切割机（丝径：Ф0.3mm）沿着垂直于焊缝3的方向将焊接件1切割成尺寸相同的两部分，使残余应力得到释放，切割时，焊接件采用支撑板、压板或压块夹持；
c、观测并且记录两列应变片2的读数变化，得到沿焊缝3方向释放的两组应变值，结果见下表；
d、将焊接件1两切割面的两组应变值进行数值平均，得到一组应变平均值，然后用EXCEL进行多项式拟合，得到切割面上沿焊缝方向上的应变ε拟合曲线，并由于目前测量的是薄板，所以可以假设沿厚度方向和垂直焊缝3方向的应力忽略不计，即处于单向应力状态；
e、最后根据胡克定律
σ=-Eε
换算得到沿焊缝3方向的原始残余应力的曲线，其中σ代表沿焊缝3方向的应力，ε代表沿焊缝3方向的应变，E代表焊接件1的弹性模量，负号表示拉应力时应变小于0，压应力时应变大于0。通过拟合得到焊缝左侧残余应力的表达式为
y=0.001x3+0.242x2+15.47x+246.6
焊缝右侧残余应力的表达式为
y=-0.001x3+0.256x2-15.96x+246.6
其中最大拉应力为246.6MPa，最大压应力为67MPa。
实施例2
采用盲孔法进行薄板焊接残余应力测量的试验，材料同样采用钨极惰性气体保护电弧焊方法不加丝表面堆焊的Q235钢板，且尺寸不变。
a、将实施例1中的各个应变片粘贴点作为测试部位，用记号笔标出各个测点的位置；
b、在各个测点位置上粘贴BE120-2CA-K型3向应变花；
c、将所有3向应变花与YC-III型应力测量仪进行连接，将标定的释放系数输入仪器，并对仪器进行调零处理；
d、采用ZDL-1型钻孔仪依次在测点位置进行钻孔，慢速钻孔至2mm深；
e、钻孔完毕后，仪器会自动通过测得的应变值计算出应力值，记录读数。结果见下表：
实测结果表明，通过盲孔法测得的应力值与实施例1中测得的应力值相差并不大，所测结果基本一致，从而证明了本发明方法的实用性和精度。
Claims (1)
1.一种薄板焊接残余应力的测量方法，其特征在于，所述测量方法为：
a、在焊接件上沿着垂直于焊缝的方向，粘贴两列对称分布的电阻式应变片，两列应变片的间距为25～30mm，同一列中相邻应变片的间隔为14～20mm，并使应变栅的方向与焊缝（3）方向一致，用预调平衡箱将两组应变片的初始读数调至零；
b、沿着垂直于焊缝的方向将焊接件切割成尺寸相同的两部分，使残余应力得到释放；
c、观测并且记录两列应变片的读数变化，得到沿焊缝方向释放的两组应变值；
d、将焊接件两切割面的两组应变值进行数值平均，得到一组应变平均值，然后用EXCEL进行多项式拟合，得到切割面上沿焊缝方向的应变ε拟合曲线，并假设沿厚度方向和垂直焊缝方向的应力可以忽略不计，即处于单向应力状态；
e、根据胡克定律
σ=-Eε
换算得到沿焊缝方向的原始残余应力的分布曲线，其中σ代表沿焊缝方向的应力，ε代表沿焊缝方向的应变，E代表焊接件的弹性模量，负号表示拉应力时应变小于0，压应力时应变大于0。
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