CN111595498A - 一种焊接残余应力的测量方法 - Google Patents

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马汉生
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Abstract

本发明公开了一种焊接残余应力的测量方法，所述测量方法具体为：制备焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样并进行去应力退火；利用水浸超声法测量已退火拉伸试样的临界折射纵波传播时间；利用应力加载装置对拉伸试样进行应力加载并确定各个区域的声弹性系数；水浸超声法测量待测试样各个区域的临界折射纵波传播时间并计算得到各个区域的焊接残余应力。本发明通过制备不同区域拉伸试样进行声弹性系数的测量以及使用水为耦合剂，避免了试样微观组织、温度、耦合剂对测量结果的影响；另外，本发明使用点聚焦探头测量微区的平均残余应力，进一步提高了测量精度。

Description

一种焊接残余应力的测量方法
技术领域
本发明涉及一种焊接残余应力的测量方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
焊接作为一种制造技术，在现代制造业中起到非常重要的作用，一直以来都被广泛的应用于各种金属材料的连接，无论是在建筑、桥梁等行业，还是在车辆、火车以及飞机等行业，绝大多数产品若离开焊接技术则无法生产，而且随着焊接生产智能化以及自动化的发展，使得焊接技术迎来了蓬勃发展的时代。
在焊接过程中，由于加热会造成不均匀的温度场，从而引起不均匀的塑形变形，最终会产生残余应力。残余应力的存在不仅会降低工件强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷，而且在成形后初期不易被观察到，但是在材料长期服役过程中残余应力会释放，导致疲劳裂纹、应力腐蚀等失效，产生较大的危害。
超声波法具有检测速度快、方便等优点，但是现有超声波法在测量焊接残余应力时存在着一些不足：(1)焊缝区、热影响区以及母材区的声弹性系数被默认为相同；(2)测量时，环境温度不易控制，温度的变化会引起测量误差；(3)传统的超声波探头体积比较大，测量的是较大区域的平均残余应力，测量精度低。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种焊接残余应力测量方法，该测量方法能够分别测得焊缝区、热影响区以及母材区的声弹性系数，从而排除材料组织对测量结果的影响，有效提高测量精度，同时结合水浸超声测量残余应力，可以测量微小区域的残余应力，从而可以消除传统超声测量大区域中平均残余应力所带来的测量误差，进一步提高测量精度。
技术方案：一种焊接残余应力的水浸超声测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
(1)制备一组与待测试样相同的焊接试样，在焊接试样的焊缝区、热影响区和母材区分别切割出拉伸试样，将三个区域对应的拉伸试样均进行去应力退火处理；
(2)用水浸超声法测量已退火零应力拉伸试样的临界折射纵波传播时间t0MPa(水浸)；
(3)把三个区域对应的拉伸试样依次固定在万能拉伸试验机上，以拉伸试样的屈服强度值作为最高加载应力，设定加载程序，通过等值增加加载应力，采集各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射纵波传播时间，以施加的应力σ为纵坐标，临界折射纵波传播时间差Δt＝tσ-t0MPa为横坐标，进行拟合，得到的直线的斜率为声弹性系数K；分别得到三个区域的声弹性系数K焊、K热和K母；
(4)把待测试样放入水槽的样品台上，移动点聚焦的激发探头与接收探头采集不同区域临界折射纵波传播时间t(水浸)，再根据公式σ＝K(t(水浸)-t0MPa(水浸))得到待测试样三个区域的残余应力情况。
其中，步骤(2)中，所述t0MPa(水浸)是指水浸超声中临界折射纵波在零应力拉伸试样中传播2mm的时间。
其中，步骤(3)中，所述激发探头与接收探头之间的距离为30mm。
其中，步骤(3)中，所述临界折射纵波传播时间差为不同应力时的超声波传播时间与零应力时超声波传播时间的差值。
其中，步骤(4)中，所述点聚焦的激发探头与接收探头之间的距离为2mm。
有益效果：本发明通过制备焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样来获得这三个区各自的声弹性系数，避免了不同区域微观组织的不同而导致的测量误差；同时采用水浸法可以控制水温来保证测量焊接残余应力的过程中温度不变，极大的消除温度变化对测量结果的影响；另外，本发明通过采用点聚焦探头来测量微小区域的平均残余应力，可以减小由于传统超声法中普通探头测量区域大所带来的误差。
附图说明
图1为制备纵向拉伸试样的示意图；
图2为普通探头的结构示意图；
图3为水浸超声测量焊接残余应力的原理图；
图4为点聚焦探头的结构示意图；
图5为制备横向拉伸试样的示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
实施例1
对尺寸为350mm×300mm×8mm的7N01铝合金焊接板材纵向残余应力进行测量，其操作步骤如下：
(1)按照国标GB/T32073-2015制备三个拉伸试样(分别为焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样)，三个拉伸试样的尺寸为200mm×20mm×8mm，如图1所示，再把拉伸试样进行去应力退火处理；
(2)将经过去应力退火的拉伸试样放在水槽中，如图3～4所示，利用水浸超声法测得临界折射纵波在零应力拉伸试样中传播2mm的时间t0MPa(水浸)；
(3)将拉伸试样固定在万能拉伸试验机上，放上频率为5MHz的普通探头，激发探头与接收探头之间的距离保持为30mm，如图2所示；从0kN(0MPa)开始，加载速度为0.5kN/s，加载步长为2kN(12.5MPa)，每次保载5min，一直增加到20kN(125MPa)，以确保拉伸试件在弹性范围内变形而不会损坏，在每次保载时记录超声波传播时间t0MPa、t12.5MPa、t25MPa.......t125MPa，每次记录三次，取平均值，再以应力水平σ为纵坐标，对应的超声波传播时间时间差Δt＝tσ-t0MPa为横坐标，对数据进行拟合，所得直线的斜率即为声弹性系数K；分别将焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样进行上述步骤，获得各自的声弹性系数K焊、K热和K母；
(4)将待测试样放入水槽中的样品台上，如图3～4所示，通过二维移动装置移动频率为5MHz的点聚焦探头，激发探头与接收探头之间的距离保持为2mm，分别记录焊接区、热影响区以及母材区中各个小区域的超声波传播时间
Figure BDA0002506798590000031
其中i＝1，2，3(1表示焊接区，2表示热影响区，3表示母材区)，j＝1，2，3....(表示相对应的各个小区域)，再根据公式
Figure BDA0002506798590000032
计算出各个小区域的残余应力。
实施例2
对尺寸为350mm×300mm×8mm的7N01铝合金焊接板材横向残余应力进行测量，其操作步骤如下：
(1)按照国标GB/T32073-2015制备三个拉伸试样(分别为焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样)，三个拉伸试样的尺寸为200mm×20mm×8mm，如图5所示，再把拉伸试样进行去应力退火处理；
(2)将经过去应力退火的拉伸试样放在水槽中，如图3～4所示，利用水浸超声法测得临界折射纵波在零应力拉伸试样中传播2mm的时间t0MPa(水浸)；
(3)将拉伸试样固定在万能拉伸试验机上，放上频率为5MHz的普通探头，激发探头与接收探头之间的距离保持为30mm，如图2所示；从0kN(0MPa)开始，加载速度为0.5kN/s，加载步长为2kN(12.5MPa)，每次保载5min，一直增加到20kN(125MPa)，以确保拉伸试件在弹性范围内变形而不会损坏，在每次保载时记录超声波传播时间t0MPa、t12.5MPa、t25MPa.......t125MPa，每次记录三次，取平均值，再以应力水平σ为纵坐标，对应的超声波传播时间时间差Δt＝tσ-t0MPa为横坐标，对数据进行拟合，所得直线的斜率即为声弹性系数K；分别将焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样进行上述步骤，获得各自的声弹性系数K焊、K热和K母；
(4)将待测试样放入水槽中的样品台上，如图3～4所示，通过二维移动装置移动频率为5MHz的点聚焦探头，激发探头与接收探头之间的距离保持为2mm，分别记录焊接区、热影响区以及母材区中各个小区域的超声波传播时间
Figure BDA0002506798590000041
其中i＝＝1，2，3(1表示焊接区，2表示热影响区，3表示母材区)，i＝1，2，3....(表示相对应的各个小区域)，再根据公式
Figure BDA0002506798590000042
计算出各个小区域的残余应力。
实施例3
对尺寸为600mm×300mm×10mm的Q345C钢对接接头残余应力进行测量，其操作步骤如下：
(1)按照国标GB/T32073-2015制备三个拉伸试样(分别为焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样)，三个拉伸试样的尺寸为150mm×20mm×10mm，如图1所示，再把拉伸试样进行去应力退火处理；
(2)将经过去应力退火的拉伸试样放在水槽中，如图3～4所示，利用水浸超声法测得临界折射纵波在零应力拉伸试样中传播2mm的时间t0MPa(水浸)；
(3)将拉伸试样固定在万能拉伸试验机上，放上频率为5MHz的普通探头，激发探头与接收探头之间的距离保持为30mm，如图2所示；从0kN(0MPa)开始，加载速度为0.5kN/s，加载步长为4kN(20MPa)，每次保载5min，一直增加到40kN(200MPa)，以确保拉伸试件在弹性范围内变形而不会损坏，在每次保载时记录超声波传播时间t0MPa、t20MPa、t40MPa.......t200MPa，每次记录三次，取平均值，再以应力水平σ为纵坐标，对应的超声波传播时间时间差Δt＝tσ-t0MPa为横坐标，对数据进行拟合，所得直线的斜率即为声弹性系数K；分别将焊缝区、热影响区以及母材区的拉伸试样进行上述步骤，获得各自的声弹性系数K焊、K热和K母；
(4)将待测试样放入水槽中的样品台上，如图3～4所示，通过二维移动装置移动频率为5MHz的点聚焦探头，激发探头与接收探头之间的距离保持为2mm，分别记录焊接区、热影响区以及母材区中各个小区域的超声波传播时间
Figure BDA0002506798590000043
其中i＝1，2，3(1表示焊接区，2表示热影响区，3表示母材区)，j＝1，2，3....(表示相对应的各个小区域)，再根据公式
Figure BDA0002506798590000044
计算出各个小区域的残余应力。

Claims (5)

1.一种焊接残余应力的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
(1)制备一组与待测试样相同的焊接试样，在焊接试样的焊缝区、热影响区和母材区分别切割出拉伸试样，将三个区域对应的拉伸试样均进行去应力退火处理；
(2)用水浸超声法测量已退火零应力拉伸试样的临界折射纵波传播时间t0MPa(水浸)；
(3)把三个区域对应的拉伸试样依次固定在万能拉伸试验机上，以拉伸试样的屈服强度值作为最高加载应力，设定加载程序，通过等值增加加载应力，采集各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射纵波传播时间，以施加的应力σ为纵坐标，临界折射纵波传播时间差Δt＝tσ-t0MPa为横坐标，进行拟合，得到的直线的斜率为声弹性系数K；分别得到三个区域的声弹性系数K焊、K热和K母；
(4)把待测试样放入水槽的样品台上，移动点聚焦的激发探头与接收探头采集不同区域临界折射纵波传播时间t(水浸)，再根据公式σ＝K(t(水浸)-t0MPa(水浸))得到待测试样三个区域的残余应力情况。
2.根据权利要求1所述的焊接残余应力的测量方法，其特征在于：步骤(2)中，所述t0MPa(水浸)是指水浸超声中临界折射纵波在零应力拉伸试样中传播2mm的时间。
3.根据权利要求1所述的焊接残余应力的水浸超声测量方法，其特征在于：步骤(3)中，所述激发探头与接收探头之间的距离为30mm。
4.根据权利要求1所述的焊接残余应力的测量方法，其特征在于：步骤(3)中，所述临界折射纵波传播时间差为不同应力时的超声波传播时间与零应力时超声波传播时间的差值。
5.根据权利要求1所述的焊接残余应力的测量方法，其特征在于：步骤(4)中，所述点聚焦的激发探头与接收探头之间的距离为2mm。
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