CN111366283A - 一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法 - Google Patents

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董文超
李殿中
张雷
金静飞
王大海
张秀纯
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Abstract

本发明公开了一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，属于焊接结构件残余应力与变形检测技术领域。该方法包括：(1)利用Hypermesh软件建立三维实体模型并进行网格划分；(2)建立经过校核的焊接热源模型，设置材料的各项物理性能、对流换热系数及装夹条件，对其焊接过程进行模拟仿真分析；(3)获得残余应力场分布，确定残余应力集中区域及其大小；(4)在实际焊件该区域内粘贴应变花，用压痕应变法测量残余应力大小，并比较模拟结果和实测结果；若两者相差较小，则以实测值作为该位置处的应力值。本发明可获得焊件残余应力峰值位置及其值大小，提高残余应力检测结果的准确性。

Description

一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法
技术领域
本发明涉及焊接结构件残余应力与变形检测技术领域，具体涉及一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法。
背景技术
工程结构件的成型和加工离不开焊接技术。由于焊接过程避免不了产生残余应力，焊缝局部区域存在应力梯度较大的残余应力分布，而残余应力(特别是残余拉应力)对结构件的承载能力和抗应力腐蚀能力具有重要影响，因此，准确地获知焊接残余应力的分布范围，特别是峰值残余拉应力的位置及其大小，是设计和使用人员最为关注的重要问题。
残余应力的检测方法有盲孔法、压痕应变法、X射线衍射法、中子衍射法等，且主要分为有损检测和无损检测两大类。在各种无损检测残余应力的方法中，X射线衍射法受材料表面组织状态影响较大，而中子衍射法则无法检测尺寸较大的焊件。压痕应变法作为无损检测应力的最佳手段，是目前公认最可靠和最实用的检测技术，广泛应用于机械工程和材料科学。
但是，在采用压痕应变法对焊件进行检测时，存在着效率低、准确性差、成本高等不足。对于具有大应力梯度的残余应力分布特点的焊件，一般难以凭经验确定峰值残余应力所在位置，实验测量需要耗费很多时间和测量耗材。同时，对于大型工程焊接结构件，如高速列车车体端墙，测试过程更为复杂，需要花费大量的时间，而且在测试过程中，一旦测试设备与焊接结构件之间设置的位置存在偏差，就会影响焊接结构件残余应力测试的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，以解决现有技术中在采用压痕应变法对焊接结构进行残余应力检测时，由于测试设备与焊接结构之间设置位置存在偏差而造成检测结果准确性较差的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，包括如下步骤：
(1)根据焊接结构件的实际尺寸、焊接道次和焊缝尺寸，利用Hypermesh软件建立三维实体模型并进行网格划分，得到焊接结构件的三维有限元模型；
(2)基于已有双椭球体热源模型，模拟焊接稳态过程，预设焊接热源模型参数，并结合平板堆焊试验，校核模型参数，采用校核后模型参数建立准确焊接热源模型；
(3)利用步骤(2)建立的准确焊接热源模型模拟焊件的焊接过程，得到焊件残余应力分布，并确定残余应力集中区域及集中区域内残余应力的模拟值；
(4)在焊件的残余应力集中区域内粘贴应变花，用压痕应变法测量检测点残余应力的实测值；
(5)比较步骤(3)所得集中区域内残余应力的模拟值与步骤(4)所得检测点残余应力的实测值，如残余应力实测值与残余应力的模拟值接近，则将该残余应力实测值作为所述焊接结构件残余应力。
上述步骤(3)中，所述集中区域内残余应力的模拟值为集中区域内各点残余应力的平均值。
上述步骤(3)中，利用焊接数值模拟软件对所述焊件的三维模型进行仿真分析。
上述步骤(5)在比较集中区域内残余应力模拟值与残余应力的实测值时，若两者的差值不大于100MPa，则残余应力的实测值作为所述焊接结构件残余应力；若检测点的残余应力的实测值与集中区域内残余应力模拟值的差值大于100MPa，则沿焊缝方向重新选择一个位置，再进行测量，得到新的残余应力的实测值；如果新的残余应力的实测值与第一次残余应力的实测值的差值不大于50MPa，则将该新的残余应力实测值作为所述焊接结构件残余应力。
所述焊接结构件为高速列车车体端墙结构。
所述残余应力集中区域是指残余应力值大于最大应力值0.8倍的区域。
本发明的有益效果如下：
本发明首先根据三维焊接结构件焊接过程的数值模拟确定其残余应力集中区域，在采用压痕应变法进行测试过程中，根据各检测点残余应力与集中区域的残余应力模拟值之差，判断测试的结果是否存在错误，从而提高对焊接结构件残余应力检测结果的准确性。作为对检测点残余应力检测结果是否存在错误的改进，如果检测点的残余应力与集中区域残余应力模拟值之差大于100MPa，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不大于50MPa，则检测结果正确，否则检测结果错误。作为对焊接结构件的进一步限定，所述焊接结构件为高速列车车体端墙结构。将焊接结构件设为高速列车车体端墙结构，能够对高速列车车体端墙结构的残余应力进行检测。作为对残余应力集中区域的进一步改进，所述残余应力集中区域是指残余应力值大于最大应力值0.8倍的区域。根据残余应力的最大值确定残余应力集中区域，更符合仿真测试的需求。
附图说明
图1为本发明实施例中辅助压痕应变法检测焊件残余应力的方法的流程图。
图2为本发明实施例中5083铝合金焊接残余应力模拟结果(单位：MPa)；其中：(a)纵向；(b)横向。
图3为本发明实施例中焊件实测应力与模拟应力对比。
具体实施方式
本发明提供一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，按以下步骤实现：
第一步，根据焊件的实际尺寸、焊接道次和焊缝尺寸，利用Hypermesh软件建立三维实体模型并进行网格划分；
第二步，基于已有焊接热源经验模型，模拟焊接稳态过程，预设焊接热源模型参数，并结合焊缝截面宏观形貌等，校核模型参数，建立准确的焊接热源模型；
第三步，设置材料的各项物理性能、对流换热系数及装夹条件，对焊件的焊接过程进行模拟仿真分析，得到焊件残余应力分布，确定残余应力集中区域及其值大小；
第四步，在实际焊件残余应力集中区域内粘贴应变花，用压痕应变法测量残余应力大小，并比较模拟结果和实测结果，若两者相差较大(大于100MPa)，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(大于50MPa)，则重复该步骤；否则，确定该值为该位置处的应力值。
实施例1：
本实施例以高速列车端墙结构常用的5083-H111铝合金的MIG焊多层多道焊焊接试板为研究对象，利用本发明方法进行残余应力测试，验证本发明的有益效果，具体流程如图1所示。包括如下步骤：
第一步：基于Hypermesh软件进行多层多道次对接试板实体建模和网格划分，靠近焊缝的区域采用单元较小的加密型网格，离焊缝越远，网格尺寸越大。
第二步：采用双椭球体热源模型进行焊接热源模型的拟合，如公式(1)-(3)：
Figure BDA0002430292420000051
Figure BDA0002430292420000052
qV＝qf+qr (3)；
公式(1)～(3)中：QV为双椭球体热源占有的能量，af、ar、b、c为双椭球体热源形状参数；qf和qr分别为前、后半椭球体内的热流密度分布；qV为双椭球体热源热流密度分布；
模拟校核的双椭球热源模型参数如表1：
表1
Figure BDA0002430292420000053
第三步：设置工件地面与工作台之间存在传导换热，其他表面的热边界条件为热对流和热辐射。采用Sysweld软件求解焊接过程，获得对接试板残余应力分布如图2所示，焊缝两侧一般为应力集中的区域，将其中残余应力大于最大应力值80％以上的区域作为残余应力的集中区域(距离焊缝中心线10～20mm区域内)。依据此图在实际焊件划定检测范围，作为后期应力检测重点区域；在焊件上选取残余应力的集中区域，如图2中方框所示，根据仿真结果，在已划定的应力集中区域，利用压痕应变法检测应力值，并与仿真结果进行对比。
第四步：计算残余应力集中区域残余应力模拟值的平均值，设该平均值为a0；在试板残余应力集中区域内选取一个检测点，采用压痕应变法对该检测点的残余应力进行检测，得到该检测点的残余应力实测值a1；判断残余应力集中区域残余应力的平均值a0与检测点的残余应力实测值a1之间的差值是否大于100MPa，如果a0与a1之间的差值不大于100MPa，则判断为检测结果正确，接收检测结果；否则沿焊缝方向重新选择一个位置，再进行测量，得到新的检测点的残余应力实测值a2；如果a1和a2之差大于50MPa，则重复测试；如果a1和a2之差不大于50MPa(且残余应力实测值a2与a0之差不大于100MPa)，则检测结果正确，接收检测结果；否则检测结果出现错误，不接收检测结果。

Claims (6)

1.一种辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)根据焊接结构件的实际尺寸、焊接道次和焊缝尺寸，利用Hypermesh软件建立三维实体模型并进行网格划分，得到焊接结构件的三维有限元模型；
(2)基于已有双椭球体热源模型，模拟焊接稳态过程，预设焊接热源模型参数，并结合平板堆焊试验，校核模型参数，采用校核后模型参数建立准确焊接热源模型；
(3)利用步骤(2)建立的准确焊接热源模型模拟焊件的焊接过程，得到焊件残余应力分布，并确定残余应力集中区域及集中区域内残余应力的模拟值；
(4)在焊件的残余应力集中区域内粘贴应变花，用压痕应变法测量检测点残余应力的实测值；
(5)比较步骤(3)所得集中区域内残余应力的模拟值与步骤(4)所得检测点残余应力的实测值，如残余应力实测值与残余应力的模拟值接近，则将该残余应力实测值作为所述焊接结构件残余应力。
2.根据权利要求1所述的辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述集中区域内残余应力的模拟值为集中区域内各残余应力的平均值。
3.根据权利要求1所述的辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，其特征在于：步骤(3)中，利用焊接数值模拟软件对所述焊件的三维模型进行仿真分析。
4.根据权利要求1所述的辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，其特征在于：所述焊接结构件为高速列车车体端墙结构。
5.根据权利要求1所述的辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，其特征在于：所述残余应力集中区域是指残余应力值大于最大应力值0.8倍的区域。
6.根据权利要求1所述的辅助压痕应变法检测焊接结构件残余应力的方法，其特征在于：步骤(5)的具体过程为：比较集中区域内残余应力模拟值与残余应力的实测值时，若两者的差值不大于100MPa，则残余应力的实测值作为所述焊接结构件残余应力；若检测点的残余应力的实测值与集中区域内残余应力模拟值的差值大于100MPa，则沿焊缝方向重新选择一个位置，再进行测量，得到新的残余应力的实测值；如果新的残余应力的实测值与第一次残余应力的实测值的差值不大于50MPa，则将该新的残余应力实测值作为所述焊接结构件残余应力。
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