CN105486430A - 一种焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，包括步骤：1）根据被焊工件参数，建立3D有限元模型，进行焊接过程数值模拟，获得工件的残余应力分布；2）分析残余应力分布特征，选择打孔测量位置，并计算这些测量位置的应力梯度；3）在应力梯度大的测量位置，选择尺寸较小的应变花；4）粘贴应变花，用盲孔法进行残余应力测量，比较模拟结果和测量结果；5）若结果相差较大，沿焊缝方向重新选择一个位置，再进行测量，若两次测量结果误差较大，则重复该步骤；6）重复步骤4）直至完成所有选定位置的残余应力测量。本发明能够更准确地得到峰值应力的大小的位置，使得残余应力的测量能够有的放矢，提高测量效率，保障测量结果的有效性和准确性。

Description

一种焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法

技术领域

本发明属于残余应力测量技术领域，涉及一种焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法。

背景技术

焊接是现代制造业中最为重要的材料成形和加工技术之一。在焊接结构的制造过程中，局部不均匀的热输入导致焊接应力的产生，冷却后保留在焊件内部的应力即为焊接残余应力。焊接残余应力是影响构件承载能力和服役寿命的主要因素之一，实验测量和理论预测焊接残余应力具有重要的理论意义和工程价值。

在平板对接焊中，焊缝及热影响区的金属在经历焊接热循环后通常会形成拉伸的纵向残余应力，峰值应力达到材料的屈服强度，而母材的纵向残余应力值较小，因而形成局部区域应力梯度较大的残余应力分布，应力梯度可达200MPa/mm。在采用能量非常集中的高能束焊接方法时，或者采用发生固态相变的焊接材料进行焊接时，又或者对材料热物理性能和力学性能相差较大的异种钢进行焊接时，在焊接接头处可能会产生应力梯度更大的残余应力分布。这种应力梯度较大区域的残余应力分布和焊接接头峰值应力的大小与位置一直是工程实际关注的重点。

随着计算机技术的快速发展和计算焊接力学的日臻完善，数值模拟方法作为实验测量的辅助手段，逐渐应用于焊接结构残余应力的分析中。诸多实例证明，如果建立具有一定精度的材料模型，采用数值模拟方法可以获得具有较高精度的计算结果，有效地解决工程实际问题。但是，由于焊接过程十分复杂，涉及到温度、组织和应力等多场耦合，且具有多重非线性特点，因此，数值模拟方法无法完全代替实验测量，目前仍需要采用实验进行验证。

焊接残余应力的实验检测主要有盲孔法、轮廓法、X射线衍射法、中子衍射法等。X射线衍射法、中子衍射法等检测方法不会对工件造成破坏，但设备昂贵、操作复杂，而且只能测量被焊工件表面浅层残余应力。盲孔法、轮廓法属于破坏性检测手段，具有理论完善、技术成熟、测量精度较高等优点。其中，盲孔法用于测量各向同性线弹性材料近表面的残余应力，适用于测量金属材料面内应力梯度较小的应力状态，对被测工件的破坏较小，能够用于测量表面应力分布复杂的焊接结构，目前已成为工程上最常用的残余应力测量方法。

然而，用盲孔法测量应力梯度大的残余应力分布，具有效率低、准确性差、成本高等不足。一方面，对于具有应力梯度大的残余应力分布特点的焊接工件，一般仅凭经验很难判断峰值应力所在位置，实验测量需要耗费很多时间和测量耗材。另一方面，由于盲孔法是通过钻孔移除材料释放残余应力，并由事先贴在小孔周围的应变花测量释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力，从本质而言，盲孔法得到是所钻孔洞边界内局部残余应力的平均值，理论上应变花尺寸越小越能准确测出钻孔位置的残余应力值。因此，需要借助焊接数值模拟手段判断峰值应力区域，并且在应力梯度大的区域，需要使用孔心片心距更小的应变花进行测量。

发明内容

为了提高盲孔法的测量效率和保证测量结果的有效性，使测量结果真实反映焊接工件残余应力分布特征，并得到峰值应力的位置和大小，本发明提出一种焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法。

本方法的主要步骤如下：

1、根据被焊工件材料、尺寸和焊接参数，建立3D有限元模型，利用热-弹-塑性有限元计算方法进行焊接过程数值模拟，获得整个工件的残余应力分布；

2、分析残余应力分布特征，在能充分反映残余应力分布特点的区域，如峰值区域、平缓区域等，选择打孔测量位置，并计算这些测量位置的应力梯度；

3、在应力梯度大（最好是大于100MPa/mm）的测量位置，选择尺寸较小（最好是孔心片心距小于5mm）的应变花，其他区域的应变花尺寸没有特殊要求；

4、在选中的测量位置粘贴应变花，用盲孔法进行残余应力测量，比较模拟结果和测量结果；

5、若模拟结果和测量结果相差较大（最好是超过100MPa），则沿焊缝方向重新选择一个位置，再次进行残余应力测量加以验证，若两次测量结果误差较大（最好是大于50MPa），则重复该步骤；

6）重复步骤（4）直至完成所有选定测量位置的残余应力测量。

优选地，在步骤1）中，焊缝区宽度方向网格尺寸小于整个宽度的1/4，深度方向网格小于1/2，长度方向的网格尺寸小于焊接速度的值。

优选地，在步骤1）中，对于中、高碳钢焊接工件的数值模拟，应采用考虑冶金因素的热-弹-力学有限元计算方法，提高计算精度；

优选地，在步骤2）中，在焊接过程稳定区域内选择测量位置；

优选地，在步骤2）中，选择打孔测量位置的间距不小于25mm；

优选地，在步骤4）中，按GB/T31310-2014或ASTME837-13a标准执行盲孔法测量；

优选地，在步骤5）中，在重新选取测量位置时，两个测量位置的残余应力模拟值相差小于5%，且两点连线的应力变化小于5MPa/mm；

进一步，在步骤6）中，测量结束后，由于沿焊缝方向应力梯度较小，可以沿焊缝方向将各测量点的测量结果投影到一条垂直于焊缝的直线上；

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在进行残余应力测量之前，先通过数值模拟手段预测被焊工件中残余应力的分布特点，再根据计算结果指导测量位置的选取，并针对不同的应力分布特点采取对应的测量策略，使得残余应力的测量能够有的放矢，提高测量效率，保障测量结果的有效性和准确性。

附图说明

图1焊接数值模拟辅助实验测量残余应力方法的流程图；

图2有限元模型；

图3试件的纵向残余应力分布云图；

图4盲孔法打孔测量位置分布示意图；

图5实际测量位置分布图；

图6数值模拟结果与测量结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐释本发明。应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1展示了一种焊接数值模拟辅助焊接残余应力测量方法的流程图。流程具体如下：

首先根据工件材料、尺寸和焊接参数建立有限元模型，并采用热-弹-塑性有限元方法进行焊接过程数值模拟，得到残余应力模拟结果。然后根据残余应力分布特点，选择盲孔法打孔测量位置和应变花尺寸。在选定的测量位置粘贴应变花后，进行残余应力测量。在完成选定测量位置的残余应力测量后，对比模拟结果与测量结果，若模拟结果与测量结果相差大于100MPa，应沿焊缝方向重新选择一个位置，再次进行残余应力测量加以验证，若两次测量结果误差大于50MPa，且模拟结果与第二次测量结果仍相差大于100MPa，则进行最后一次验证性测量，否则结束验证性测量。在完成选定位置的残余应力测量和验证性测量之后，得到被焊工件的残余应力分布测量结果。

以下以P92平板重熔试件的焊接残余应力测量为实例，阐述本发明方法的完整流程。焊接试件尺寸为200mm×200mm×6mm，采用TIG焊在在试件中心表面进行单道重熔焊接。

首先根据被焊工件材料、尺寸进行特征建模和网格划分，采用热-弹-塑性有限元进行焊接过程数值模拟，得到P92单道重熔试件的纵向残余应力分布，如图2、图3所示。

从图3可以看出，由于端部效应，焊缝两端的应力值较小，且应力分布相对复杂，而中间区域的残余应力在沿焊缝方向分布平缓。另一方面，由于P92钢在焊接冷却过程中发生马氏体相变，相变导致的体积膨胀补偿了冷却收缩作用，使得焊缝和热影响区中产生压缩的纵向应力，而在靠近热影响区的母材中形成很高的拉应力。参考模拟结果，在图4中标注出拉、压应力区和应力值较低的区域。

在对焊接残余应力进行分析时，为了清晰展示垂直于焊缝方向上的应力分布特点，需要尽可能密集地获得平板上表面中央线L1上的残余应力测量结果。然而在实际测量中，考虑到应变花之间需要保持一定间距，无法在一条线上密集布置应变花。因此在测量L1线上的残余应力分布时，可以将测量位置沿焊缝方向进行适当偏离，在中间应力平缓区域内选择测量位置，且这两个位置的残余应力模拟结果相差小于5%，然后进行测量，并将测量得到的残余应力值投影到L1线上对应位置。

盲孔法打孔测量位置分布如图4所示，总共对10个位置的残余应力进行了测量，其中点2是对点1的验证性测量，点10是对点4的验证性测量。应变花间距大于25mm。图3中，点1、2、6-9处应力梯度较大，选用3轴应变花BSF120-1.0CA-T进行测量；点3-5、10处应力分布比较平缓，选用3轴应变花BSF120-1.5CA-T进行测量。图5为实际测量位置分布图。

选定盲孔法打孔测量位置后，将试件待测区域打磨、清洗后粘贴应变花，常温静置10~12小时，然后进行盲孔法残余应力测量。

以3轴应变花BSF120-1.5CA-T为例，采用ASM1.0应力、应变监测仪测量残余应力，设置弹性模量E为210GPa，Poisson比为0.27，孔心片心距为2.5mm，孔半径为0.75mm，释放系数A为–0.057，释放系数B为–0.164。安装RSD1残余应力打孔装置，钻头直径为1.5mm，打孔深度为2mm。打孔前需清零三个通道的应变值，打孔时控制调速器的电流在45~50A，打孔后待读数稳定后打印测量结果，测量过程满足标准ASTME837-13a。

在对比模拟结果和测量结果时，发现点1处模拟值为66.2MPa，测量值为148.8MPa，相差82.6MPa，因此在点2处进行验证性测量，测得点2的残余应力值为109.7MPa，模拟值与测量值相差较小。同样的，点4处模拟值为–11.4MPa，测量值为105.8MPa，相差107.2MPa，因此在点10处进行验证性测量，测得点10的残余应力值为–53.4MPa，模拟值与测量值相差较小，结束测量过程。

图6中对比了P92单道重熔试件沿L1线的纵向残余应力测量结果和数值模拟结果，测量结果和模拟结果吻合良好，反映出焊接数值模拟辅助实验测量残余应力方法的有效性。

Claims (8)

1.一种焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据被焊工件材料、尺寸和焊接参数，建立3D有限元模型，利用热-弹-塑性有限元计算方法进行焊接数值模拟，预测整个工件的残余应力分布；

2）分析残余应力分布特征，在能充分反映残余应力分布特点的区域选择盲孔法打孔测量位置，计算这些测量位置的应力梯度；

3）在应力梯度大于100MPa/mm的测量位置，选择孔心片心距小于5mm的应变花，其他区域的应变花尺寸没有特殊要求；

4）在选中的测量位置粘贴应变花，用盲孔法进行残余应力测量，比较模拟结果和测量结果；

5）若模拟结果和测量结果相差大于100MPa，应沿焊缝方向重新选择一个位置，再次进行残余应力测量加以验证，若两次测量结果误差大于50MPa，则重复该步骤；

6）重复步骤4）直至完成所有选定位置的残余应力测量。

2.根据权利要求1所述的焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于上述步骤1）中，焊缝区宽度方向上网格尺寸小于整个宽度的1/4，深度方向上小于1/2，长度方向上的网格尺寸小于焊接速度的值。

3.根据权利要求1所述的焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于，所述步骤1）中，对于中、高碳钢焊接工件的数值模拟，采用考虑冶金因素的热-弹-塑性有限元计算方法。

4.根据权利要求1所述的焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于，所述步骤2）中，能充分反映残余应力分布特点的区域是指峰值区域、平缓区域。

5.根据权利要求1所述的焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于，所述步骤2）中，在焊接过程稳定区域内选择测量位置。

6.根据权利要求1所述的焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于，所述步骤2）中，打孔测量位置的间距不小于25mm。

7.根据权利要求1所述的焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于，所述步骤5）中，在重新选取测量位置时，两个测量位置的残余应力模拟值相差小于5%，且两点连线的应力变化小于5MPa/mm。

8.根据权利要求1所述的焊接数值模拟辅助实验测量残余应力的方法，其特征在于，所述步骤6）中，量结束后，沿焊缝方向将各测量点的测量结果投影到一条垂直于焊缝的直线上。