CN114777979A - 基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，包括如下步骤：垂直于焊接接头焊缝方向打磨出带状测试区，按照测试需求标记测试点位置；在每个测试点采用装载有努氏压头的压痕仪进行两次加载压入；在每个测试点采用装载有球形压头的压痕仪进行连续球压痕测试，获得该测试点材料的屈服强度σy及硬化指数n；将每个测试点对应的屈服强度σy及硬化指数n带入无应力曲线斜率公式中得到该测试点的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0；将每个测试点的C0带入F＝C0h2中，得到该测试点的无应力状态的努氏压头压痕曲线；分析每个测试点的数据，得到焊接接头残余应力分布。本发明解决了焊接接头局部材料梯度、应力梯度影响测试结果准确性的问题。

Description

基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法
技术领域
本发明涉及残余应力测试技术领域，具体涉及一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法。
背景技术
残余应力在压力容器焊接制造过程中无法避免，有害的拉伸残余应力会引起设备应力腐蚀、疲劳、断裂等事故，降低设备的安全可靠性。科学调控残余应力是确保设备本质安全的必要举措，如热处理消除残余应力等。但目前缺乏一种方便现场使用的针对焊接接头的无损测试残余应力的方法。
虽然现有技术可以测试残余应力，但其不适用于对焊接接头测试，其原因主要有两个：
(1)焊缝填充材料通常与母材有所不同，且焊缝及其附近热影响区内的金属材料由于经过了复杂剧烈的热循环，其相组织和力学性能会发生改变，即焊接接头属于梯度材料。而现有残余应力测试方法通常假设焊接接头为均匀材料，以无应力标准试样或待测试样的远离焊缝位置作为无应力参考，必然导致测试结果包含了残余应力和材料自身力学性能差异两部分影响，导致测试结果不准确，甚至偏离实际；
(2)现有残余应力测试理论通常假设测试区域内应力均匀分布，是一种理想的应力分布状态，然而焊接残余应力场实际上是剧烈变化的，残余应力在焊缝局部区域可以达到甚至超过材料屈服强度，并且随着远离焊缝而迅速衰减至零应力附近甚至是压应力，显然应力均匀分布假设在焊接残余应力测试中不适用，会导致测试结果偏离实际。
专利202010834376.8《一种基于压入能量差测试残余应力的方法》提供了一种方便快捷的残余应力测试方法，如图1所示，采用努氏压头在待测应力场中正交两次压入得到载荷深度曲线1、载荷深度曲线2，与参考(无应力)曲线0对比分析，利用有无应力状态下的压入能量差来计算得到两次压入区域内的二向应力大小。但是该方法是基于材料连续均匀、应力分布均匀提出的理论算法，不适用于具有材料梯度、应力梯度的非均匀焊接接头残余应力检测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法。
本发明采用的技术解决方案是：
本发明提供了一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，包括如下步骤：
(1)垂直于焊接接头焊缝方向打磨出带状测试区，按照测试需求标记测试点位置；
(2)在每个测试点采用装载有努氏压头的压痕仪进行两次加载压入，且两次加载压入中努氏压头的长轴方向分别平行于焊接接头焊缝方向及垂直于焊接接头焊缝方向，分别得到相应的载荷-深度曲线1及载荷-深度曲线2；
(3)在每个测试点采用装载有球形压头的压痕仪进行连续球压痕测试，获得该测试点材料的屈服强度σy及硬化指数n；
(4)将步骤(3)中每个测试点对应的屈服强度σy及硬化指数n带入无应力曲线斜率公式中得到该测试点的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0，所述无应力曲线斜率公式为：
C0＝237σy+387277n-13172；
将每个测试点的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0带入F＝C0h2中，得到该测试点的无应力状态的努氏压头压痕曲线，记为载荷-深度曲线0；
(5)分析每个测试点的数据，得到焊接接头残余应力分布。
进一步地，所述步骤(2)中每个测试点的努氏压头两次加载压入位置沿平行于焊缝方向排布，且两次加载压入位置之间的间距为4～6mm。
进一步地，所述步骤(3)中每个测试点的连续球压痕测试位置与努氏压头两次加载压入位置均沿平行于焊缝方向排布，且连续球压痕测试位置与其中一次努氏压头加载压入位置之间的间距为5～8mm。
进一步地，所述步骤(4)中的无应力曲线斜率计算公式的确定方法为：
对若干种无应力金属材料进行努氏压头压入试验或数值模拟，得到若干个不同屈服强度和硬化指数材料的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0，并通过连续球压痕法测试该若干种无应力金属材料的屈服强度σy及硬化指数n，通过将C0、σy及n进行拟合，建立无应力努氏压头压痕曲线斜率C0关于材料屈服强度σy及硬化指数n的计算公式。
进一步地，所述步骤(5)中数据分析步骤为：
(5-1)用计算机对载荷-深度曲线0、载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2进行拟合；
(5-2)对拟合后的三条载荷深度曲线计算相同压入深度下的积分值获得对应的压头做功W0、W1、W2，进一步求得ΔW1＝W0-W1，ΔW2＝W0-W2；
其中，W0为无应力状态下压头压入所取压入深度所做的功；W1为努氏压头第一次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；W2为努氏压头第二次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；ΔW1为无应力状态下与第一次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；ΔW2为无应力状态下与第二次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；所述压入能量差为有残余应力和无应力状态下努氏压头压入同样深度时的做功之差；
(5-3)将ΔW1、ΔW2代入残余应力计算公式，计算获得所要测试焊接接头的平行于焊缝方向及垂直于焊缝方向残余应力的大小和符号，残余应力计算公式如下：
Figure BDA0003612954020000031
Figure BDA0003612954020000032
其中：σ1，σ2分别为平行于焊缝方向及垂直于焊缝方向的残余应力；α为深度系数，代表不同压入深度下的能量变化；ε为努氏压头系数，代表努氏压头非对称性。
本发明的有益效果为：
(1)以分布式参考的无应力曲线代替传统单一参考的无应力曲线，分离了材料强度差异对残余应力测试结果的影响，解决了焊接接头力学性能不均匀造成测试结果不准确的问题；
(2)通过合理布置努氏压头的两次压入位置，避免了焊接接头残余应力梯度较大造成测试结果无法反应真实应力分布的问题；
(3)通过引入无应力努氏压头压痕曲线斜率计算公式，节省了对不同材料的无应力标定工作，使测试范围更广。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是背景技术中努氏压头两次加载压入方向；
图2是无应力曲线斜率与屈服强度及硬化指数的拟合结果；
图3是努氏压头两次加载压入方向沿垂直于焊缝方向布置的残余应力分布曲线；
图4是努氏压头两次加载压入方向沿平行于焊缝方向布置的残余应力分布曲线；
图5是实施例1的测试点位置分布图；
图6是实施例1的焊接接头的纵向及横向残余应力测试值分布图及有限元模拟曲线；
图7是对比例的测试点位置分布图；
图8是对比例1与实施例1的纵向及横向残余应力测试值分布曲线；
图9是对比例2与实施例1的纵向残余应力测试值分布曲线；
图10是本发明的测试方法与对比例2的测试方法的区别示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本实施例提供了一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，包括如下步骤：
(1)垂直于焊接接头焊缝方向打磨出带状测试区，按照测试需求标记测试点位置；
(2)在每个测试点采用装载有努氏压头的压痕仪进行两次加载压入，且两次加载压入中努氏压头的长轴方向分别平行于焊接接头焊缝方向及垂直于焊接接头焊缝方向，分别得到相应的载荷-深度曲线1及载荷-深度曲线2；
该步骤中，努氏压头压入速度为1mm/min，最大压入深度为0.05mm，达到设定好的最大压入深度后，压头复位；
在该步骤中，每个测试点的努氏压头两次加载压入位置沿平行于焊缝方向排布，且两次加载压入位置之间的间距为4～6mm；
(3)在每个测试点采用装载有球形压头的压痕仪进行连续球压痕测试，获得该测试点材料的屈服强度σy及硬化指数n；
该步骤中，球形压头压入速度为0.5mm/min，最大压入深度为0.1mm，达到设定好的最大压入深度后，压头复位；
在该步骤中，每个测试点的连续球压痕测试位置与对应的努氏压头两次加载压入位置沿平行于焊缝方向排布，且连续球压痕测试位置与其中一次努氏压头加载压入位置之间的间距为5～8mm；
(4)将步骤(3)中每个测试点对应的屈服强度σy及硬化指数n带入无应力曲线斜率公式中得到该测试点的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0，所述无应力曲线斜率公式为：
C0＝237σy+387277n-13172；
将每个测试点的无应力曲线斜率C0带入F＝C0h2中，得到该测试点的无应力状态的努氏压头压痕曲线，记为载荷-深度曲线0；
(5)分析每个测试点的数据，得到焊接接头残余应力分布。
上述步骤(4)中的无应力曲线斜率计算公式的确定方法为：
对若干种无应力金属材料进行努氏压头的压入试验或努氏压头压入数值模拟，得到若干个不同屈服强度和硬化指数材料的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0，并通过连续球压痕法测试该若干种无应力金属材料的屈服强度σy及硬化指数n，通过将C0、σy及n进行拟合，建立无应力努氏压头压痕曲线斜率C0关于材料屈服强度σy及硬化指数n的计算公式，拟合数据及结果如图2所示。当测得焊缝不同测试点处的屈服强度σy及硬化指数n后，调用步骤(4)中的计算公式，即可得到该测点处(受焊接影响后的)材料的实际无应力努氏压头压痕曲线斜率C0；
上述步骤(5)中数据分析步骤为：
(5-1)用计算机对载荷-深度曲线0、载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2进行拟合；
(5-2)对拟合后的三条载荷深度曲线计算相同压入深度下的积分值获得对应的压头做功W0、W1、W2，进一步求得ΔW1＝W0-W1，ΔW2＝W0-W2；
其中，W0为无应力状态下压头压入所取压入深度所做的功；W1为努氏压头第一次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；W2为努氏压头第二次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；ΔW1为无应力状态下与第一次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；ΔW2为无应力状态下与第二次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；所述压入能量差为有残余应力和无应力状态下努氏压头压入同样深度时的做功之差；
(5-3)将ΔW1、ΔW2代入残余应力计算公式，计算获得所要测试焊接接头的平行于焊缝方向及垂直于焊缝方向残余应力的大小和符号，残余应力计算公式如下：
Figure BDA0003612954020000051
Figure BDA0003612954020000052
其中：σ1，σ2分别为平行于焊缝方向的残余应力(纵向应力)及垂直于焊缝方向的残余应力(横向应力)；α为深度系数，代表不同压入深度下的能量变化；ε为努氏压头系数，代表努氏压头非对称性。
另外，本发明步骤(2)中努氏压头两次加载压入时，限定每个测试点的努氏压头两次加载压入位置沿平行于焊缝方向排布，而非任意位置排布，这是由焊接残余应力分布规律所确定的，参照图3及图4，焊接残余应力在垂直于焊缝方向的应力梯度较大，可达数十兆帕/毫米；而在平行于焊缝方向的应力梯度较小(焊缝起止端除外)，约1兆帕/毫米，在压痕范围内可忽略不计。并通过有限元分析发现，当一组正交压痕平行于焊缝方向排布时，应力梯度对测试结果的影响最小，当以其他排布方式测试时，测试结果偏离较大。因此，本发明限定步骤(2)中努氏压头两次加载压入时，每个测试点的努氏压头两次加载压入位置沿平行于焊缝方向排布。
实施例1
参照图5，按照上述基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，对Q345R焊接接头进行残余应力检测(努氏压头加载压入检测)及力学性能检测(连续球压痕法检测)，测试路径垂直于焊缝方向，沿测试路径设置9个测试点，9个测试点沿焊缝中心线对称分布，其中，每个测试点的努氏压头两次加载压入位置及连续球压痕测试位置沿平行于焊缝方向排布，且两次加载压入位置之间的间距为5mm，连续球压痕测试位置与其中一次努氏压头加入位置之间的间距为8mm。
通过上述连续球压痕法检测得到每个测试点的屈服强度和硬化指数后，代入无应力曲线斜率计算公式，计算得到每个测试点的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0，然后将C0代入F＝C0h2中，计算得到9条载荷-深度曲线0，通过上述努氏压头压痕仪对每个测试点进行两次加载压入，且两次加载压入中努氏压头的长轴方向分别平行于焊接接头焊缝方向及垂直于焊接接头焊缝方向，分别检测得到9条载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2，然后对每个测试点处的载荷-深度曲线0、载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2进行拟合，并对拟合后的三条载荷深度曲线计算相同压入深度下的积分值获得对应的压头做功W0、W1、W2，根据残余应力计算公式计算每个测试点的平行于焊缝方向及垂直于焊缝方向的残余应力，将实施例1中9个测试点的残余应力测试值与有限元模拟值进行对比，如图6所示，测试值与有限元模拟值非常吻合，说明本发明的测试方法检测误差小、精度高，适用于非均匀焊接接头残余应力检测。
对比例1
如图7所示，本对比例与实施例1的区别在于，本对比例在步骤(2)中每个测试点的努氏压头两次加载压入位置为垂直于焊缝方向布置，将本对比例1的检测结果与实施例1的检测结果进行对比，如图8所示。从图8中可以看出：当努氏压头两次加载压入位置不沿焊缝平行方向布置时，受到应力梯度影响较大，偏离实际值。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中的无应力参考曲线，即载荷-深度曲线0，按照专利202010834376.8中所述的以远离焊缝处的预压曲线作为无应力参考曲线。将对比例2的纵向应力测试结果与实施例1的纵向应力测试结果进行对比，如图9及图10所示，由于焊缝位置材料屈服强度较高，以远离焊缝处压痕曲线作为单一参考会高估焊缝附近的残余应力，考虑材料强度梯度后的分布式参考可更真实地反应残余应力水平。
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)垂直于焊接接头焊缝方向打磨出带状测试区，按照测试需求标记测试点位置；
(2)在每个测试点采用装载有努氏压头的压痕仪进行两次加载压入，且两次加载压入中努氏压头的长轴方向分别平行于焊接接头焊缝方向及垂直于焊接接头焊缝方向，分别得到相应的载荷-深度曲线1及载荷-深度曲线2；
(3)在每个测试点采用装载有球形压头的压痕仪进行连续球压痕测试，获得该测试点材料的屈服强度σy及硬化指数n；
(4)将步骤(3)中每个测试点对应的屈服强度σy及硬化指数n带入无应力曲线斜率公式中得到该测试点的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0，所述无应力曲线斜率公式为：
C0＝237σy+387277n-13172；
将每个测试点的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0带入F＝C0h2中，得到该测试点的无应力状态的努氏压头压痕曲线，记为载荷-深度曲线0；
(5)分析每个测试点的数据，得到焊接接头残余应力分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，其特征在于，所述步骤(2)中每个测试点的努氏压头两次加载压入位置沿平行于焊缝方向排布，且两次加载压入位置之间的间距为4～6mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，其特征在于，所述步骤(3)中每个测试点的连续球压痕测试位置与努氏压头两次加载压入位置均沿平行于焊缝方向排布，且连续球压痕测试位置与其中一次努氏压头加载压入位置之间的间距为5～8mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，其特征在于，所述步骤(4)中的无应力曲线斜率计算公式的确定方法为：
对若干种无应力金属材料进行努氏压头压入试验或数值模拟，得到若干个不同屈服强度和硬化指数材料的无应力努氏压头压痕曲线斜率C0，并通过连续球压痕法测试该若干种无应力金属材料的屈服强度σy及硬化指数n，通过将C0、σy及n进行拟合，建立无应力努氏压头压痕曲线斜率C0关于材料屈服强度σy及硬化指数n的计算公式。
5.根据权利要求1所述的一种基于压入能量差法的非均匀焊接接头残余应力测试方法，其特征在于，所述步骤(5)中数据分析步骤为：
(5-1)用计算机对载荷-深度曲线0、载荷-深度曲线1和载荷-深度曲线2进行拟合；
(5-2)对拟合后的三条载荷-深度曲线计算相同压入深度下的积分值获得对应的压头做功W0、W1、W2，进一步求得ΔW1＝W0-W1，ΔW2＝W0-W2；
其中，W0为无应力状态下压头压入所取压入深度所做的功；W1为努氏压头第一次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；W2为努氏压头第二次压入时，压头压入所取压入深度所做的功；ΔW1为无应力状态下与第一次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；ΔW2为无应力状态下与第二次压入时，压头压入所取压入深度的压入能量差；
(5-3)将ΔW1、ΔW2代入残余应力计算公式，计算获得所要测试焊接接头的平行于焊缝方向及垂直于焊缝方向残余应力的大小和符号，残余应力计算公式如下：
Figure FDA0003612954010000021
Figure FDA0003612954010000022
其中：σ1，σ2分别为平行于焊缝方向及垂直于焊缝方向的残余应力；α为深度系数，代表不同压入深度下的能量变化；ε为努氏压头系数，代表努氏压头非对称性。
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