CN106033037B - 一种残余应力标样制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种残余应力标样制备方法，属于材料分析测试技术领域。该方法首先加工出圆环和圆盘2个标样毛坯，在圆盘毛坯上开双面V形坡口；然后通过退火处理去除材料中的残余应力；再通过焊接方法预置残余应力，最后测量残余应力标样表面中心区域的残余应力均匀区范围和数值。本发明制备的残余应力标定试样，用于对比分析不同残余应力测量方法的差别或对比不同检测人员采用同一种测量方法获得数值的一致性。标定试样尺寸适当，无复杂的附属装置，标样制备的重复性好，预置的残余应力数值在深度2mm、直径20mm范围内均匀稳定，也可根据要求改变数值大小和范围。
Description
技术领域
本发明涉及材料分析测试技术领域，具体涉及一种残余应力标样制备方法。
背景技术
在焊接、锻造等材料加工过程中，材料经常因不均匀的变形和受热而产生残余应力。残余应力的存在影响了工件的疲劳强度、抗腐蚀性能和静力强度，严重时使工件变形甚至开裂，降低工件的性能及使用寿命。因此，为了保证工件的安全可靠性，需要准确地测量工件的残余应力。残余应力的测试方法可以分为无损法、机械释放法和应力叠加法。无损法中以X射线衍射法最为流行，该方法对被测构件的表面要求较高，操作方便性较差。机械释放法包括盲孔法、分割切条法和环芯法等。机械释放法会对工件产生破坏，但测量精度较高，技术成熟，因此应用广泛。压痕应变法属于应力叠加法，具备无损法和释放法的优点。
在采用某种方法对工件进行残余应力测量之前，实验人员的操作技巧和设备的自身精度对应力检测结果至关重要。为此，往往需要针对不同测试人员进行某种方法的相互验证，或者针对不同方法进行数值一致性的比较。故准备一种已知残余应力场的标准试样十分必要。目前残余应力标定试样的研究，主要针对超声法和X射线法。专利1(徐春广,等.一种用于拉压残余应力超声检测系统的自动校准方法[P].专利号:CN201310659777.4)中提出的校准方法需要制备专用的拉伸试样，利用拉伸试验机对试样进行加载，从而获得已知残余应力的试样进行残余应力超声检测系统校准。专利2(姜传海,等.X射线应力测量标定试样的制备方法[P].专利号:CN200510023292.1)公开了一种喷丸预应力制备标定试样的方法。该方法制作标样时，需要反复调整喷丸的参数以得到想要的残余应力值，而且在喷丸试样的表层应力梯度很大，不适合盲孔法或压痕法或全释放法的精度验证。
综上所述，拉伸法制备标定试样的方法存在现场操作不便的缺点，喷丸法制备标定试样存在制作过程复杂的缺点且应力场不均匀。因此，有必要发明一种便于现场实施并且制作过程简单的标定试样制备方法。
发明内容
本发明的目的在于利用环形试样的焊接残余应力场形成特点，提供一种残余应力标样制备方法，该方法制备的标样应力场均匀且稳定，制备过程简单，制备出的标样便于现场操作。
本发明的技术方案是：
一种残余应力标样制备方法，所述残余应力标样包括圆环和圆盘，圆环的内边缘与圆盘的边缘组焊为一个整体，该标样制备方法包括如下步骤：
1)加工残余应力标样毛坯：加工的残余应力标样毛坯包括圆环毛坯和圆盘毛坯，在圆盘毛坯上开双面V形坡口；其中：圆环毛坯的尺寸为：外径150-250mm，内径60-100mm，厚8-20mm；圆盘毛坯的直径比圆环毛坯内径小1mm，圆盘毛坯与圆环毛坯厚度相同；所述双面V形坡口参数为：角度45-60°，钝边1-2mm。
2)退火处理：根据标样毛坯的材质类型采用相应的工艺对其进行去应力退火处理，以去除材料中原始和机械加工中产生的残余应力。
3)通过焊接方法预置残余应力：经步骤2)退火处理后的标样毛坯进行组对焊接，形成具有封闭环形焊缝的标定试样，焊接后标定试样中即产生确定的残余应力，残余应力在标定试样中存在圆形均匀分布区域，该圆形均匀分布区域位于标定试样表面的中部区域。所述组对焊接是指将圆环毛坯的内边缘与圆盘毛坯的边缘组焊为一个整体形成标定试样(焊缝为封闭环形)，该过程采用自动化TIG或MIG/MAG焊接工艺，以保证所形成标样预置应力的一致性。
4)应力测量：确定步骤(3)所得标定试样中残余应力的圆形均匀分布区域的半径以及该区域中的残余应力数值(包括径向残余应力和切向残余应力)；该步骤可采用有限元法和实验测定结合的方法确定残余应力标样中径向应力和切向应力均匀区域的半径和数值。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明制备的残余应力标定试样，用于对比分析不同残余应力测量方法的差别或对比不同检测人员采用同一种测量方法获得数值的一致性。
2、本发明制备的残余应力标样，标定试样尺寸适当，制作重复性好，相同半径处的残余应力相同，工作区域残余应力均匀稳定，使用时无需复杂的附属设备，便于设备和人员的现场验证；预置的残余应力数值在深度2mm、直径20mm范围内均匀稳定，也可根据要求改变数值大小和范围。
附图说明
图1是残余应力标样毛坯尺寸示意图。
图2是304不锈钢残余应力标样中的径向和切向残余应力分布曲线。
图3是316L不锈钢残余应力标样中的径向和切向残余应力分布曲线。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明制备的残余应力标样包括圆环和圆盘，圆环的内边缘与圆盘的边缘通过组焊方式形成具有封闭环形焊缝的整体，圆盘中心存在圆形残余应力均匀区域；该标样制备方法包括如下步骤：
1)加工残余应力标样毛坯：加工出圆环和圆盘2个标样毛坯，在圆盘毛坯上开双面V形坡口；
2)退火处理：去除毛坯材料中原始和机械加工中产生的残余应力，根据毛坯材质选择相应的去应力退火处理工艺；
3)通过焊接方法预置残余应力：对步骤2)退火处理后的试样进行组对焊接形成标定试样，试样中即产生确定的残余应力，残余应力在试样中存在圆形均匀分布区域；
4)应力测量：确定标定试样中心部位表面残余应力均匀区的半径，测量残余应力标样表面中心区域(残余应力均匀分布区域)的残余应力。
实施例1
本实施例中，选择304不锈钢材料作为实施对象。
1)加工残余应力标样毛坯
如图1所示，在304不锈钢板材上切取圆环毛坯，其外径D为200mm，内径d为80mm，厚度t为10mm；再切取一个直径79mm、厚度10mm、同时开有双面单V型坡口的圆盘毛坯，其坡口参数为：角度45°，钝边1mm。
2)退火处理
对304不锈钢标样毛坯进行彻底去应力退火处理，工艺为1000℃保温4小时。
3)通过焊接方法预置残余应力
将退火处理后的标样毛坯组焊固定，采用自动化TIG焊接工艺对标样毛坯中的圆环毛坯和圆盘毛坯进行焊接，焊接工艺参数为：φ1.2mm ER308焊丝，焊接电压20-25V，焊接电流120-150A，焊接速度2-5mm/s；焊后形成标定样品，圆环内边缘与圆盘边缘之间形成环形封闭焊缝。
4)应力测量
如图2所示，用有限元模拟的方法获得应力标样中的圆形残余应力均匀区域直径为20mm，计算和压痕应变法获得的后焊面圆盘中心附近区域(残余应力均匀区域)的径向残余应力为60MPa，切向残余应力为50MPa。
实施例2
本实施例中，选择316L不锈钢材料作为实施对象。
1)加工残余应力标样毛坯
如图1所示，在316L不锈钢板材上切取圆环毛坯，其外径D为200mm，内径d为80mm，厚度t为20mm；再切取一个直径79mm、厚度20mm、同时开有双面单V型坡口的圆盘毛坯，其坡口参数为：角度45°，钝边1mm。
2)退火处理
对316L不锈钢标样毛坯进行彻底去应力退火处理，工艺为980℃保温4小时缓冷。
3)通过焊接方法预置残余应力
将退火处理后的标样毛坯组焊固定，采用自动化TIG焊接工艺对标样毛坯中的圆环毛坯和圆盘毛坯进行焊接，焊接工艺参数为：φ1.2mm ER308焊丝，焊接电压20-25V，焊接电流120-150A，焊接速度2-5mm/s；焊后形成标定样品，圆环内边缘与圆盘边缘之间形成环形封闭焊缝。
4)应力测量
如图3所示，用有限元模拟的方法获得应力标样中的圆形残余应力均匀区域直径为22mm，计算和压痕应变法获得的后焊面圆盘中心附近区域(残余应力均匀区域)的径向残余应力为248MPa，切向残余应力为253MPa。
上述实施例仅用来说明本发明残余应力标样制备方法，但本发明不局限于实施例。采用此方法制备的残余应力标样可用于各种残余应力检测方法测量结果的对比。
Claims (6)
1.一种残余应力标样制备方法，其特征在于：所述残余应力标样包括圆环和圆盘，圆环的内边缘与圆盘的边缘组对焊接为一个整体，该标样制备方法包括如下步骤：
1)加工残余应力标样毛坯：加工的残余应力标样毛坯包括圆环毛坯和圆盘毛坯，在圆盘毛坯上开双面V形坡口；
2)退火处理：对标样毛坯进行退火处理以去除材料中原始和机械加工中产生的残余应力；
3)通过焊接方法预置残余应力：经步骤2)退火处理后的标样毛坯进行组对焊接，形成具有环形焊缝的标定试样，焊接后标定试样中即产生残余应力，残余应力在标定试样中存在圆形均匀分布区域；
4)应力测量：确定步骤(3)所得标定试样中残余应力的圆形均匀分布区域的半径以及该区域中的残余应力数值。
2.根据权利要求1所述的残余应力标样制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述圆环毛坯的尺寸为：外径150-250mm，内径60-100mm，厚8-20mm；所述圆盘毛坯的直径比圆环毛坯内径小1mm，圆盘毛坯与圆环毛坯厚度相同；所述双面V形坡口参数为：角度45-60°，钝边1-2mm。
3.根据权利要求1所述的残余应力标样制备方法，其特征在于：步骤2)中，根据标样毛坯的材质类型采用相应的工艺进行去应力退火。
4.根据权利要求1所述的残余应力标样制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述组对焊接是指将圆环毛坯的内边缘与圆盘毛坯的边缘组焊为一个整体形成标定试样，该过程采用自动化TIG或MIG/MAG焊接工艺，以保证所形成标样预置应力的一致性。
5.根据权利要求1所述的残余应力标样制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述残余应力的圆形均匀分布区域位于标定试样表面的中部区域。
6.根据权利要求1所述的残余应力标样制备方法，其特征在于：步骤4)中，采用有限元法和实验测定结合的方法确定残余应力标样中径向应力和切向应力均匀分布区域的半径和数值。
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