CN111289608A - 一种焊接残余应力评价的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊接残余应力评价的方法，包括以下步骤：采集焊接接头磁信号；通过静载拉伸试验，采集不同应力时试验材料的磁信号，结合焊接接头纵向残余应力与横向残余应力间关联分析，实现磁信号的纵/横分离，进而提取可表征焊接纵向应力的磁信号特征参量。最终，通过建立应力与磁信号特征参量间的对应关系，实现焊接接头纵向残余应力的有效评价。本发明方法通过建立应力与磁信号特征参量间的对应关系，能够实现焊接试样应力值及其方向的定量评价，同时具有无损、快速、安全、可实现在线操作等优点。

Description

一种焊接残余应力评价的方法
技术领域
本发明涉及一种残余应力评价的方法，尤其涉及一种焊接残余应力评价的方法。
背景技术
残余应力是影响甚至决定焊接结构服役安全的重要因素之一，因而探讨可实现焊接残余应力评价的方法对焊接结构及其装备服役安全与质量的保障就显得极为重要。目前，残余应力评价方法可分为无损法与有损法两大类。有损法是在破坏焊接结构或其装备整体使用性能基础上实现应力评价的一类方法，如小孔法，该类方法虽可实现应力的评价，但存在如下问题：①不能实现现场、快速、在线应用；②评价结果为小样本抽查结果。无损法是在保证焊接结构或其装备整体使用性能基础上实现应力的评价，如磁学法、声学法、光学法、射线法等。对比而言，声学法对待检测试样表面质量及其形状等要求较高；光学法对检测环境要求极高；射线法的危害性程度较高，且设备价格昂贵。这也是导致上述方法在焊接残余应力评价中应用受局限的主要原因。
金属磁记忆技术是磁学法中的一种，具有检测效率高、操作方便安全、适于现场检测、便于实现机械化检测及可实现在线检测等优点，且设备价格便宜，便于携带，因而在焊接残余应力评价领域引起众多学者的关注。然而，现有方法中，金属磁记忆信号主要以均一/单向应力为评价对象，不能适用于焊接残余应力具有复杂性的特点。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现应力值及其方向定量评价的焊接残余应力评价的方法。
技术方案：本发明的焊接残余应力评价的方法，包括以下步骤：
(1)制备焊接试样，采集焊接试样不同位置的磁信号，并计算得到磁信号突变程度；
(2)制备标定试样，对标定试样进行静载拉伸试验，采集不同载荷时标定试样的磁信号，计算得到不同应力下的磁信号突变程度，并建立磁信号突变程度与应力间的对应关系；
(3)检测焊接试样的横向残余应力，根据步骤(2)得到的对应关系，计算所述横向残余应力对应的横向突变程度，与步骤(1)中的磁信号突变程度进行数值处理，得到纵向突变程度；
(4)根据步骤(3)得到的纵向突变程度及步骤(2)中的对应关系，计算得到纵向残余应力；设定不同检测位置，得到所述焊接试样的纵向残余应力的分布规律。
优选地，在步骤(1)之前，制备与步骤(1)相同的焊接试样，在所述焊接试样表面预制缺陷，并采集缺陷的磁信号，并计算相应的磁信号突变程度，为步骤(1)中磁信号的采集确定目标提离高度。
其中，所述目标提离高度的范围是不低于最大磁信号突变程度60％所对应的提离高度。
优选地，所述缺陷等间隔设置于焊接试样表面，所述相邻位置的缺陷深度差为定值。
优选地，步骤(2)中，采集所述磁信号之前，对焊接试样进行去应力处理。
优选地，步骤(3)中，所述磁信号突变程度为横向突变程度与纵向突变程度的合力。
优选地，步骤(1)中，对检测到的磁信号进行降噪处理；其中，所述降噪处理的方法为小波降噪法；优选地，所述小波降噪的信噪比不小于10db。
优选地，步骤(2)中，所述静载拉伸试验的加载速率不大于1.5kN/s，在达到预定载荷后保载时间不小于30s。
优选地，步骤(1)中，以所述焊接试样的焊缝为起点，等间距沿平行于焊缝方向采集焊接试样的磁信号。
优选地，步骤(1)中，所述焊接试样为铁磁性材料。
金属磁记忆技术是以压磁效应为理论基础，通过提取金属磁记忆信号变化梯度，并建立该梯度与应力间对应关系实现应力的评价的一种技术。但影响金属磁记忆评价应力的因素繁多，且当前金属磁记忆技术难以实现应力方向的评判，因而在影响因素优化基础上，建立可实现不同方向上应力的评价，对金属磁记忆技术实现焊接残余应力的评价就显得极为关键。本发明以规则缺陷为检测对象，实现了金属磁记忆探头提离高度的优化，通过静载拉伸试验，建立了金属磁记忆信号变化梯度与应力间的对应关系，结合沿两垂直方向上应力对金属磁记忆信号影响规律分析基础上，最终实现了金属磁记忆技术评价焊接残余应力的技术方法。
有益效果：本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、通过建立应力与磁信号特征参量间的对应关系，能够实现焊接试样应力值及其方向的定量评价。2、结合焊接试样纵向残余应力与横向残余应力间关联分析，实现磁信号的纵/横分离，进而提取可表征焊接纵向应力的磁信号特征参量。3、以规则缺陷为检测对象，实现了金属磁记忆探头提离高度的优化，通过静载拉伸试验，建立了金属磁记忆信号变化梯度与应力间的对应关系。4、结合沿两垂直方向上应力对金属磁记忆信号影响规律分析基础上，实现了利用金属磁记忆评价焊接残余应力的方法。5、本发明方法具有无损、快速、安全、可实现在线操作等优点。
附图说明
图1为本发明中不同提离高度时矩形槽处的金属磁记忆信号；
图2为本发明中不同应力时焊接试样的金属磁记忆信号。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
本发明焊接残余应力评价的方法，包括以下步骤：
步骤一，选择厚度为3.0mm的热轧态Q235钢为焊接母材，碳钢焊丝为添加材料，82％氩气和18％二氧化碳气的混合气体作为保护气，调节焊接工艺参数，主要为焊接电流、电弧电压、气体流量、焊丝的干伸长、焊接速度，获得无外观和内部缺陷的焊接接头；
步骤二，加工制备尺寸为200×30×3mm的Q235钢，采用线切割方法在其表面制备宽度为0.5mm，深度分别为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5mm的矩形槽，其间距均为30mm，并采用真空热处理方法对该试样进行去应力处理，其热处理参数为：真空度为10-1Pa，最高加热温度为860℃，保温时间为30min，炉冷至200℃后取出试样；
步骤三，搭建金属磁记忆评价应力实验系统与平台，优化金属磁记忆探头扫描速度，认为当扫描速度为2500mm/min时可获得连续且满足实验要求的金属磁记忆信号，进而水平放置预制矩形槽试样，并由左向右连续采集不同深度矩形槽的金属磁记忆信号，见图1，磁信号突变程度与磁信号之间的关系式如式(1)所示，综合考虑，当突变程度为最大值的90％时，即1.0mm为金属磁记忆探头的最优提离高度，其中提离高度是金属磁记忆探头末端与缺陷位置之间的竖向距离；
Figure BDA0002421244150000041
式(1)中，k为磁信号突变程度，Δy为最大磁信号与最小磁信号的差值，Δx为最大磁信号与最小磁信号所对应缺陷位置的横坐标差值。
步骤四，依据国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》制备并加工实验用标定试样，并对其进行真空热处理，其热处理参数为：真空度为10- 1Pa，最高加热温度为860℃，保温时间为30min，炉冷至200℃后取出试样，进而获得无初始应力的标定试样，并采集无初始应力时试样的金属磁记忆信号，然后将去应力后的标定试样竖直夹持于试验机夹头上，以0.5kN/s的速率加载，预制载荷间隔为5kN，待达到预定载荷后，保载120s，依次采集各载荷时试样的金属磁记忆信号，见图2，并根据式(1)计算得到各应力时磁信号的斜率k，进而建立k与应力间的对应关系，见式(3)，并通过式(3)对其进行拟合得到用于评价焊接接头残余应力的公式，见式(4)；
k＝A·σ+B (3)
k＝0.0068σ-0.15 (4)
其中，A和B为拟合系数，σ为试验加载的应力值。
步骤五，水平放置焊接接头，固定金属磁记忆探头的提离高度为1.0mm，扫描速度为2500mm/min，以焊缝为起点，每间隔10mm沿平行于焊缝方向采集焊接接头的金属磁记忆信号，并采用小波降噪方法对信噪比不小于10db的金属磁记忆信号进行降噪处理，其降噪参数为：母小波为bior6.8小波、分解层次为4层、降噪阈值为软阈值，进而代入式(1)计算不同位置处焊接接头金属磁记忆信号的斜率，也即磁信号突变程度k，见表1所示。
步骤六，使用X射线法测量焊接接头检测线中间点处的横向残余应力，为90MPa，代入公式(4)中，得k横为0.462，结合表1计算焊接纵向残余应力所对应的k纵，见表2，其中，k横与k纵的关系满足关系式：
k横 2+k纵 2＝k2 (5)
式(5)中，k横为横向突变程度，k纵为纵向突变程度。横向突变程度与纵向突变程度的方向相互垂直。
表2
检测线 k<sub>纵</sub>
-6 0.0383
-5 0.0830
-4 0.1624
-3 0.2482
-2 0.4097
-1 0.6260
0 1.2529
1 0.5831
2 0.4389
3 0.2847
4 0.1862
5 0.0986
6 0.0557
步骤七，将k纵代入式(4)中计算得到与其对应的焊接纵向残余应力，见表3。
表3
Figure BDA0002421244150000051
Figure BDA0002421244150000061
步骤八，定义焊接接头的直角坐标系，并以焊缝中心为横坐标零点，检测位置到焊缝中心的间距为检测位置，以焊缝向左为负，向右为正，最终得到该焊接接头残余应力的分布规律。

Claims (10)

1.一种焊接残余应力评价的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备焊接试样，采集焊接试样不同位置的磁信号，并计算得到磁信号突变程度；
(2)制备标定试样，对标定试样进行静载拉伸试验，采集不同载荷时标定试样的磁信号，计算得到不同应力下的磁信号突变程度，并建立磁信号突变程度与应力间的对应关系；
(3)检测焊接试样的横向残余应力，根据步骤(2)得到的对应关系，计算所述横向残余应力对应的横向突变程度，与步骤(1)中的磁信号突变程度进行数值处理，得到纵向突变程度；
(4)根据步骤(3)得到的纵向突变程度及步骤(2)中的对应关系，计算得到纵向残余应力；设定不同检测位置，得到所述焊接试样的纵向残余应力的分布规律。
2.根据权利要求1所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，在步骤(1)之前，制备与步骤(1)相同的焊接试样，在所述焊接试样表面预制缺陷，并采集缺陷的磁信号，计算相应的磁信号突变程度，为步骤(1)中磁信号的采集确定目标提离高度。
3.根据权利要求2所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，所述目标提离高度为不低于最大磁信号突变程度60％所对应的提离高度。
4.根据权利要求2所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，所述缺陷等间隔设置于焊接试样表面，所述相邻位置的缺陷深度差为定值。
5.根据权利要求1所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，步骤(2)中，采集所述磁信号之前，对焊接试样进行去应力处理。
6.根据权利要求1所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述磁信号突变程度为横向突变程度与纵向突变程度的合力。
7.根据权利要求1所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，步骤(1)中，对所述检测到的磁信号进行降噪处理。
8.根据权利要求7所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，所述降噪处理的方法为小波降噪法。
9.根据权利要求1所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，步骤(1)中，以所述焊接试样的焊缝为起点，等间距沿平行于焊缝方向采集焊接试样的磁信号。
10.根据权利要求1所述的焊接残余应力评价的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述焊接试样为铁磁性材料。
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