CN107991457A - 一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备 - Google Patents

一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备 Download PDF

Info

Publication number
CN107991457A
CN107991457A CN201810067169.7A CN201810067169A CN107991457A CN 107991457 A CN107991457 A CN 107991457A CN 201810067169 A CN201810067169 A CN 201810067169A CN 107991457 A CN107991457 A CN 107991457A
Authority
CN
China
Prior art keywords
welding
residual stress
stress
elema
test specimen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810067169.7A
Other languages
English (en)
Inventor
陈民昌
严梦凡
高亮
赵忠快
翁祖隆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University of Technology
Original Assignee
Tianjin University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University of Technology filed Critical Tianjin University of Technology
Priority to CN201810067169.7A priority Critical patent/CN107991457A/zh
Publication of CN107991457A publication Critical patent/CN107991457A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/20—Metals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/32—Polishing; Etching

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备，其特征是：通过改变焊缝金属成分，使焊接组织发生转变，用应变片检测焊接时的应力走向记录组织转变对焊接应力的影响关系，从而控制焊缝组织来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能。其设备包括了底座、滑动固定板、硅碳棒、固定板、热电偶、应变花、圆柱销、丝杆螺母、丝杆、拉紧块及控制系统。本发明的特点是：（1）原理上将焊接残余应力的产生原因由多元化转化为一元化，方便了对焊接残余应力的预测及控制；（2）通过测出的焊接应力与该试样的金相组织进行对比，预测出焊接组织与应力分布及大小的关系。

Description

一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备
技术领域
本发明涉及金属焊接领域,具体为一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备。
背景技术
在现代设备的制造生产过程中，焊接成为了重要的连接手段。焊接是使两试件通过提高局部温度产生原子间的迁移，使两试件达到连接的目的一种方法。在焊接的过程中材料局部产生重熔再结晶的过程，局部达到很高的温度，试件整体温度不均匀，在焊接结束后使焊接试件产生焊接残余应力；焊接残余应力是指在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。焊接残余应力的产生使焊接结构的强度及使用寿命造成很大的影响。在焊接结构的使用过程因焊接残余应力的存在使焊接结构突然的破坏严重影响了结构及设备的使用安全，严重影响焊接结构整体的安全性及使用寿命。
焊接过程中焊缝和热影响去的组织都不同程度的进行了组织的转变，焊接相同的试件采用不同的焊接材料或不同的热输入功率使材料在焊接过程中产生的组织产生不一样的转变，组织的成分也发生变化。组织的体积变化会使焊接所产生的焊接残余应力松弛或使焊接残余应力增加，通过观测试件组织的变化预测和控制焊接结构焊接残余应力，使焊接过程中对焊接材料的选择提供依据。目前社会对于焊接时内应力预测和控制装置是一个空白，在研究是带来很大的不便利，因此焊接研究方面急需一种基于组织对焊接残余应力预测的方法及控制设备。
发明内容
本发明的目的是提供将焊接残余应力的产生原因由多元化转化为一元化的方法及设备，主要控制焊接时的组织来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能。实现上述目的，本发明采取以下技术解决方案：
一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备，包括了底座、滑动固定板、硅碳棒上固定板、硅碳棒下固定板、热电偶、应变花、圆柱销、丝杆螺母、丝杆、拉紧块及控制系统。其中，滑动固定板可以在底座上滑动；圆柱销连接着硅碳棒下固定板与滑动固定板，且在硅碳棒下固定板伸长出一段距离用于固定试件；硅碳棒上固定板和硅碳棒下固定板压合在试件上，由安装在固定板上的硅碳棒加热试件；应变花状在焊接中检测材料应力变化，当内部应力使试件产生变形时准确收集数据，方便后续的数据处理，具体包括以下步骤：
（1）将试件加工至尺寸要求测量面用砂纸打磨干净表面露出金属光泽；
（2）在试件测量焊接残余应力上画线确定应变花粘贴位置；
（3）将上的孔穿入圆柱销，使试件置于装有硅碳加热棒的下固定板上，在焊接试件时使其与加热装置上具有确定的相对位置，调整焊接试件对接间隙，将装有硅碳棒的下固定板闭合，贴合在焊接试件上；
（4）将八片应变花粘贴在两块试件划线所确定的粘贴位置上，每块试件都贴有四片应变花，且每片应变片与焊接试件的坡口边界距离相等；
（5）将应变仪调零位，利用硅碳棒加热模块将焊接试件加热至300℃，开始焊接试件，将焊接过程中通过应变片得出的焊接应力-应变曲线及热电偶测出的温度曲线记录下来作为基础数据；
（6）分别在四处贴应变片位置距离五毫米处钻直径为5MM的通孔，记录测出的残余应力数据作为焊接残余应力的基础数据；
（7）将离应变片距离最近的熔合区的焊缝部分和母材部分一起切下来，切成金相试样，利用砂纸对金相试样进行打磨，用研磨膏和研磨机对金相试样进行抛光，用腐蚀剂对金相试样进行腐蚀，利用金相显微镜及扫描电子显微镜观察金相组织及组织成分比例记录作为基础数据；
（8）改变焊接所使用的焊料或焊条，重复（1）-（7）的步骤，使焊缝、熔合区、热影响区的组织发生转变，组织成分比例发生改变；
（9）分别对比基础数据中应力-应变曲线与焊接残余应力数据与不同焊料或焊条试验下不同组织及组织成分比例的焊接过程中应力-应变曲线与焊接残余应力数据。根据组织梯度预测该焊接材料的焊接结构的焊接残余应力；
（10）根据上述分析通过对组织梯度预测即可对焊接材料在同等热输入功率下焊接结构的焊接残余应力的预测。
所述的滑动固定板与硅碳棒下固定板通过圆柱销相互固定着，试件通过销孔安装在硅碳棒下固定板；
所述的拉紧块与底座连接，螺栓固定在滑动固定板上，且连接着拉紧块，通过旋转螺母使动固定板在底座上滑动，以此调节焊缝宽度。
本发明的主要特色在于：
1.机械结构紧凑，适用于研究不同材料的焊接内应力；
2.原理上将焊接残余应力的产生原因由多元化转化为一元化，方便了对焊接残余应力的预测及控制；
3.通过测出的焊接应力与该试样的金相组织进行对比，预测出焊接组织与应力分布及大小的关系。
附图说明
图1是本发明的三维结构爆炸图；
图2是本发明的硅碳棒固定方式；
图3是焊接试样的标准形状；
图4是本发明的工作状态示意图。
图中，1. 硅碳棒上固定板2硅碳棒下固定板3.圆柱销 4.滑动固定板5.丝杆螺母6. 拉紧块 7.丝杆 8.底座 9.硅碳棒10.试件 11.应变花 12.热电偶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明的要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
参照附图1-4，本发明提供一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备，通过改变金属焊接时的焊料或焊条的材料，用应变片检测焊接时的应力走向记录组织转变对焊接应力的的影响关系，从而控制金属焊接时的焊料或焊条的材料来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能。设备包括了底座8、滑动固定板4、硅碳棒上固定板1、硅碳棒下固定板2、热电偶12、应变花11、圆柱销3、丝杆螺母5、丝杆7、拉紧块6及控制系统。其中，滑动固定板4可以在底座8上滑动；圆柱销3连接着硅碳棒下固定板2与滑动固定板4，且在硅碳棒下固定板2伸长出一段距离用于固定试件；硅碳棒上固定板1和硅碳棒下固定板2压合在试件10上，由安装在固定板1上的硅碳棒9加热试件；应变花11状在焊接中检测材料应力变化，当内部应力使试件产生变形时准确收集数据，方便后续的数据处理，具体包括以下步骤：
（1）如图3所示，制备250X100X10的焊接试样9，单边加工60°坡口，加工两中心距为120直径为φ20的圆孔。在焊接试样上划线，标定出贴应变花11的位置及钻孔测残余应力的位置。
（2）将焊接试样9组对通过圆柱销3和硅碳棒上固定板1与硅碳棒下固定板2固定在固定滑板3上。
（3）通过丝杆6、丝杆螺母4、拉紧块5，拉动滑动固定板3，调整焊接试样9的组对间隙值，使两试样组对间隙值为3MM。将式样两头预焊5MM长度的焊缝，使两焊接试样组对间隙固定。
（4）拆下丝杆6、丝杆螺母4、拉紧块5、圆柱销3，将8片3向应变花贴在标定的位置，使每片应变花与焊接试件的坡口边界距离相等，将应变花接入应变仪。
（5）将硅碳棒8通电，利用硅碳棒将焊接试件加热至300℃，试件温度由热电偶11控制。当焊接试件加热温度值300℃时，将应变仪调零。
（6）硅碳棒8断电结束加热，开始焊接焊接试件，将焊接过程中通过应变片得出的焊接应力-应变曲线及热电偶测出的温度曲线记录下来作为基础数据；
（7）焊接结束等待焊接试件冷却至室温，分别在一块焊接试样4处贴应变片位置距离五毫米处钻直径为φ5的通孔，记录测出的残余应力数据作为焊接残余应力的基础数据；
（8）将离应变片距离最近的熔合区的焊缝部分和母材部分一起切下来，切成金相试样，利用砂纸对金相试样进行打磨，用研磨膏和研磨机对金相试样进行抛光，用腐蚀剂对金相试样进行腐蚀，利用金相显微镜及扫描电子显微镜观察金相组织及组织成分比例记录作为基础数据；
（9）改变焊接所使用的焊料或焊条，重复（1）-（8）的步骤，使焊缝、熔合区、热影响区的组织发生转变，组织成分比例发生改变；
（10）当材料的成分梯度与金相实验观测到的组织成分梯度拟合不上时在另一块焊接试样上重复（7）-（8）的步骤进行数据的采集与分析。
(11)分别对比基础数据中应力-应变曲线与焊接残余应力数据与不同焊料或焊条试验下不同组织及组织成分比例的焊接过程中应力-应变曲线与焊接残余应力数据；
（12）根据上述分析通过对组织梯度预测即可对焊接材料在同等热输入功率下焊接结构的焊接残余应力的预测。

Claims (3)

1.本发明公开了一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备，其特征是：通过改变金属焊接时的焊料或焊条的材料，用应变片检测焊接时的应力走向记录组织转变对焊接应力的的影响关系，从而控制金属焊接时的焊料或焊条的材料来预测金属材料在焊接后的内部应力分布及状态，减少材料焊接后的残余应力，优化焊接后的力学性能具体包括以下步骤：
（1）将试件加工至尺寸要求测量面用砂纸打磨干净表面露出金属光泽；
（2）在试件测量焊接残余应力上画线确定应变花粘贴位置；
（3）将上的孔穿入圆柱销，使试件置于装有硅碳加热棒的下固定板上，在焊接试件时使其与加热装置上具有确定的相对位置，调整焊接试件对接间隙，将装有硅碳棒的下固定板闭合，贴合在焊接试件上；
（4）将八片应变花粘贴在两块试件划线所确定的粘贴位置上，每块试件都贴有四片应变花，且每片应变片与焊接试件的坡口边界距离相等；
（5）利用硅碳棒加热模块将焊接试件加热至300℃，将应变仪调零位，开始焊接试件，将焊接过程中通过应变片得出的焊接应力-应变曲线及热电偶测出的温度曲线记录下来作为基础数据；
（6）分别在四处贴应变片位置距离五毫米处钻直径为的通孔，记录测出的残余应力数据作为焊接残余应力的基础数据；
（7）将离应变片距离最近的熔合区的焊缝部分和母材部分一起切下来，切成金相试样，利用砂纸对金相试样进行打磨，用研磨膏和研磨机对金相试样进行抛光，用腐蚀剂对金相试样进行腐蚀，利用金相显微镜及扫描电子显微镜观察金相组织及组织成分比例记录作为基础数据；
（8）改变焊接所使用的焊料或焊条，重复（1）-（7）的步骤，使焊缝、熔合区、热影响区的组织发生转变，组织成分比例发生改变；
（9）分别对比基础数据中应力-应变曲线与焊接残余应力数据与不同焊料或焊条试验下不同组织及组织成分比例的焊接过程中应力-应变曲线与焊接残余应力数据。根据组织梯度预测该焊接材料的焊接结构的焊接残余应力；
（10）根据上述分析通过对组织梯度预测即可对焊接材料在同等热输入功率下焊接结构的焊接残余应力的预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备，其特征在于：所述的滑动固定板与硅碳棒下固定板通过圆柱销相互固定着，试件通过销孔安装在硅碳棒下固定板。
3.根据权利要求1所述的一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备，其特征在于：所述的拉紧块与底座连接，螺栓固定在滑动固定板上，且连接着拉紧块，通过旋转螺母使动固定板在底座上滑动，以此调节焊缝宽度。
CN201810067169.7A 2018-01-24 2018-01-24 一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备 Pending CN107991457A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810067169.7A CN107991457A (zh) 2018-01-24 2018-01-24 一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810067169.7A CN107991457A (zh) 2018-01-24 2018-01-24 一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107991457A true CN107991457A (zh) 2018-05-04

Family

ID=62041210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810067169.7A Pending CN107991457A (zh) 2018-01-24 2018-01-24 一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107991457A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109799020A (zh) * 2019-02-19 2019-05-24 中国石油大学(华东) 一种能够在制造现场测试焊接残余应力的方法
CN110625211A (zh) * 2019-08-13 2019-12-31 桂林电子科技大学 焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法
CN112355451A (zh) * 2020-09-21 2021-02-12 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种矿用圆环链的焊接方法
CN114295260A (zh) * 2021-12-29 2022-04-08 福建省锅炉压力容器检验研究院 一种焊缝残余应力可靠性模拟测试装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102778385A (zh) * 2012-07-11 2012-11-14 南京航空航天大学 一种焊接残余应力测量方法
CN104897320A (zh) * 2015-06-16 2015-09-09 黄小莲 焊接残余应力的测量方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102778385A (zh) * 2012-07-11 2012-11-14 南京航空航天大学 一种焊接残余应力测量方法
CN104897320A (zh) * 2015-06-16 2015-09-09 黄小莲 焊接残余应力的测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘建平等: "焊后热处理对高温合金异种材料焊接组织的影响", 《沈阳工业大学学报》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109799020A (zh) * 2019-02-19 2019-05-24 中国石油大学(华东) 一种能够在制造现场测试焊接残余应力的方法
CN110625211A (zh) * 2019-08-13 2019-12-31 桂林电子科技大学 焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法
CN110625211B (zh) * 2019-08-13 2021-09-10 桂林电子科技大学 焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法
CN112355451A (zh) * 2020-09-21 2021-02-12 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种矿用圆环链的焊接方法
CN114295260A (zh) * 2021-12-29 2022-04-08 福建省锅炉压力容器检验研究院 一种焊缝残余应力可靠性模拟测试装置
CN114295260B (zh) * 2021-12-29 2024-03-26 福建省锅炉压力容器检验研究院 一种焊缝残余应力可靠性模拟测试装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107991457A (zh) 一种基于组织转变对焊接残余应力预测的方法及控制设备
Shawn Lee et al. Characterization of joint quality in ultrasonic welding of battery tabs
US20210262960A1 (en) System for thermally influencing a crack tip of crack within a specimen and related methods
Florea et al. Quantifying residual stresses in resistance spot welding of 6061-T6 aluminum alloy sheets via neutron diffraction measurements
Zhang et al. Effect of creep feed grinding on surface integrity and fatigue life of Ni3Al based superalloy IC10
Aval et al. The influence of tool geometry on the thermo-mechanical and microstructural behaviour in friction stir welding of AA5086
Su et al. Improving friction drilling and joining through controlled material flow
Farhang et al. Effect of friction stir welding parameters on the residual stress distribution of Al-2024-T6 alloy
CN107617800A (zh) 一种镍基单晶高温合金的瞬间液相连接方法
Piscopo et al. Machining induced residual stresses in AlSi10Mg component produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)
CN108032016A (zh) 一种基于温度梯度对焊接残余应力预测的方法及控制设备
Gigax et al. Sizing up mechanical testing: Comparison of microscale and mesoscale mechanical testing techniques on a FeCrAl welded tube
Arab et al. The effect of friction stir processing by stepped tools on the microstructure, mechanical properties and wear behavior of a Mg-Al-Zn alloy
CN109482799A (zh) 一种带法兰gh4169机匣锻件的制造方法
Manière et al. How to overcome the main challenges of SPS technology: Reproducibility, multi-samples and elaboration of complex shapes
Melendez et al. Tool forces developed during friction stir welding
CN115138867B (zh) 一种激光增材制造梯度材料成型质量实时监测反馈与优化的装置与方法
Saarimaki et al. 3D residual stresses in selective laser melted Hastelloy X
Arafat et al. Fully coupled thermo-mechanical finite element modeling of friction stir processing of super duplex stainless steel
Liu et al. Numerical simulation of welding residual stresses in 6082-T6 thin aluminum alloy
CN214842395U (zh) 一种热压烧结装置的加热及测温单元
Rowson et al. Observation of microstructure evolution during inertia friction welding using in-situ synchrotron X-ray diffraction
CN113777270A (zh) 高温合金粉末热裂敏感性和热裂敏感温度的表征方法
Huang et al. Study of machining-induced microstructure variations of nanostructured/ultrafine-grained copper using XRD
Kim et al. An experimental investigation on semi-solid forming of micro/meso-scale features

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180504