CN114878046B - 一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法 - Google Patents

一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法。该发明基于固有应变法,通过对焊接固有应变进行分解,将原始焊接试样切割成不同形式的简单试样;采用X射线衍射法测量简单试样的残余应力值,进而采用有限元方法反算各简单试样的固有应变分布情况;通过固有应变的施加对内部残余应力进行有限元求解。包括:根据固有应变的分布特点,对固有应变分布进行分解,切割焊接件,分离出多个不同试样;对切割表面进行处理并以X射线衍射法测量其残余应力;根据测量结果建立试样二维固有应变计算模型,反算固有应变;最后建立原厚板焊接件内部残余应力计算模型,将固有应变作用到模型中,获得厚板焊接件内部残余应力分布,测量结果可靠,效率高。

Description

一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法
技术领域
本发明属于焊接残余应力测量领域,具体涉及一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法。
背景技术
焊接是一个不均匀的加热及冷却过程,焊接件不可避免地会产生残余应力。残余应力对结构刚度、强度、尺寸稳定性的影响使其成为焊接结构设计和制造时应考虑的重要因素。目前,石油、化工、核电、船舶等工业领域广泛采用大厚度板材制造大型焊接结构,复杂、恶劣的服役环境会加速结构的失效和破坏。而对于厚板焊接件,得到其表面残余应力是远远不够的。因此,对厚板焊接件内部残余应力进行测量,进而评价其可靠性是十分有必要的。
内部残余应力的测量方法有中子衍射法、深孔法、阶梯孔法、逐层剥削法、裂纹柔度法、固有应变法等。例如,中子衍射法可以测量厘米级深度的内部残余应力,但中子源的获取较为困难;深孔法和阶梯孔法可以测量大厚度焊接件内部残余应力沿厚度方向的分布规律,但无法直接测量厚度方向的应力;逐层剥削法只适用于仅有沿长度方向残余应力,且同一厚度的应力均匀分布的构件。
专利CN103822874A(公开日期2014年5月28日)提供了一种基于裂纹柔度法的板材内部残余应力检测方法。该方法对试样正、反面粘贴应变片,通过线切割引入一条深度逐渐增加的裂纹,在释放应力的同时记录应变数据,采用有限元软件进行柔度函数的计算并得出内部残余应力。该方法需要对切割过程引起的应变量进行实时监测,当切割到拉应力区或材料属性特殊时,可能产生裂纹扩展或闭合的情况,需从头切入,测量过程繁琐且稳定性较差。一般应变片的尺寸为10mm*10mm,测量得到的数据是粘贴应变片区域的平均值,所以对梯度变化较大的应力测量存在较大的误差。
固有应变法的原理是通过计算或者测量焊接过程中残余应力的生成源——固有应变,并将其代入无应力的有限元模型中,经过弹性力学理论推算结构的内部残余应力及变形。它具有方法简单、测量精度高等优点,但准确地获取固有应变分布存在一定的难度。
专利CN113042923A(公开日期2021年6月29日)提供了一种超厚板与薄板焊接变形控制方法及控制装置。该装置根据相关的焊接工艺参数和材料属性,由公式计算得到固有应变,只包含纵向固有应变和横向固有应变,虽降低了固有应变的获取难度,但实际焊接过程较为复杂,固有应变计算结果与实际结果可能存在较大误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法,该方法测量的主要对象符合以下两个特征:内部残余应力沿厚度方向呈现先增大后减小的变化趋势;沿焊缝长度方向存在残余应力准稳态区。测量方法的基本假设如下:
(1)由于存在准稳态区,在各个焊缝横截面内,除了焊缝两端,焊接残余应力分量和固有应变分量的分布是一致的,即只存在σx,σy,σz,τyz应力分量和固有应变分量,σx,σy,σz分别为原厚板焊接件纵向、横向、厚度方向上的正应力,τyz为焊缝横截面上的切应力;/>分别为原厚板焊接件纵向、横向、厚度方向上的正应变,/>分为焊缝横截面上的切应变
(2)切割过程不产生新的塑性应变,即切割过程引起的应变变化是弹性的。
若测量对象和切割过程不符合以上假设,则本方法不适用于测量该对象的内部残余应力。
通过对焊接件进行切割,分离出多个不同形状的简单试样,在简单试样上保留了固有应变的不同分量,以X射线衍射法测量其残余应力,根据测量应力、弹性应变和固有应变的关系进行有限元计算,将计算所得固有应变作用到厚板模型中,对内部残余应力进行有限元仿真,计算结果可靠,测量效率高,其步骤包括:
步骤1:固有应变的分解。
基于固有应变的不变性,对厚板焊接件进行切割分离,获得1个焊缝横截面T型试样以及n个平行于焊接平面的Ln型试样。其中,T型试样保留了横向及厚度方向的固有应变分量Ln型试样保留了纵向固有应变分量/>
步骤2:简单试样表面残余应力的测量。
①设置测量点,使相邻两测量点间的距离小于15mm。
②对T型、Ln型试样表面进行处理。
③通过X射线衍射法测量并获得在固有应变作用下T型试样的横向和厚度方向残余应力δy、δz,以及Ln型试样的纵向残余应力δx
步骤3:固有应变有限元求解。
采用Inhs2d有限元软件,进行固有应变有限元计算,获得纵向、横向和厚度方向固有应变的分布。具体操作如下:
①以T型、Ln型试样的焊缝中心线为对称轴建立二维对称几何模型,并根据步骤2表面残余应力测量点的分布进行网格划分,将模型离散成有限个单元。其中,单元类型设置为4节点平面应力矩形单元,用m2(m≥2,且m为整数)个相同的矩形单元划分一个测量点所代表的区域,以确定单元的数量。
②设置厚板材料属性的弹性模量和泊松比,约束对称边垂直方向上的自由度,约束对称边两顶点的自由度以防止刚体位移。
③输入步骤2所得表面残余应力的测量值并进行固有应变有限元计算,最终输出各单元的固有应变值。
步骤4:残余应力有限元求解。
采用Abaqus有限元软件,将固有应变作用到模型中,进行一次弹性运算,便可获得厚板焊接件内部残余应力δ2的分布。具体操作如下:
①以厚板焊接件的焊缝纵截面为对称面建立三维对称模型,根据步骤3模型的单元尺寸进行网格划分,单元类型为C3D8R。
②设置对称面的对称约束,约束对称面底边两顶点的自由度以防止刚体位,将步骤3所得三维固有应变以各向异性热膨胀系数作用到厚板模型中,并输入材料的弹性模量和泊松比。
③为固有应变区内单元施加温度载荷,进行一次弹性运算,最终输出三维残余应力分布云图。
上述技术方案中,所述步骤1,切割取样的位置应处于焊缝准稳态区。
上述技术方案中,所述步骤1,切割速度应保持在50~70mm2/min以内,使工件表面切割处的温度处于100~200℃之间,以避免金属材料发生相变和蠕变对固有应变的影响。
上述技术方案中,所述步骤2,T型、Ln型试样的表面处理包括清洗、打磨,并进行电解抛光去除应力层,去除厚度大于0.2mm,以避免加工过程和表面污染物对原有残余应力测量精度的影响。
上述技术方案中,所述步骤2,测量区域至少包含固有应变区。
本发明通过切割分离原始试样、X射线测量各分离试样的表面残余应力、有限元建模计算固有应变分量等工作,最终通过对厚板焊接件原始试样进行有限元建模及弹性分析,可获得厚板焊接件的表面和内部的三维残余应力分布。相对于其他现有技术,使用本方法测量厚板焊接件残余应力具有测量结果可靠、效率高等诸多有益效果。
附图说明
图1本发明方法示意图
图2结构切割分离示意图
图3 T型、Ln型试样表面残余应力测量点分布示意图。
图4厚板焊接件中截面残余应力分布云图,其中(a)纵向残余应力(b)横向残余应力(c)厚度方向残余应力
图5厚板焊接件表面残余应力测量值对比图
具体实施方式
为了使技术领域的人员更好地理解,现结合具体实例对本发明进行进一步地详细说明。
结合图1,一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法,通过试验测试与有限元模拟相结合,测量焊接件内部残余应力。
本实例中,尺寸为250mm*160mm*150mm的TC4钛合金厚板形成厚度方向完全熔透的“钉形”焊缝,满足内部应力沿厚度方向先增大后减小、且沿焊缝长度方向存在残余应力准稳态区的条件,故可根据本方法按如下步骤进行内部残余应力的测量:
步骤1,固有应变的分解。
结合图2,利用线切割机对TC4钛合金厚板焊接件以50mm2/min的速度进行切割,使工件切割处表面温度维持在150℃左右,获取T型和L1~L7型试样,试样厚度均为10mm。其中,L1~L7型试样切割线的位置与厚板上表面距离分别为10、20、30、70、80、90、130、140mm。
步骤2,简单试样表面残余应力的测量。
①结合图3设置测量点。其中,T型试样不同深度(z向)处的测量点位置与厚板上表面的距离分别为5、15、25、75、85、135、145mm,不同横向(y向)处的测量点与焊缝中心线的距离分别为0、15、25、35、45、55、65、75mm;Ln型试样测量点位于纵向(x向)中心处,不同横向(y向)处的测量点与焊缝中心线的距离分别为0、15、25、35、45、55、65、75mm。
②对T型、Ln型试样表面进行处理。首先利用酒精对切割表面进行浸泡、擦拭,去除表面油污和杂质;利用砂纸从粗到细(800目)进行打磨,直至表面划痕一致,再次利用酒精对其进行清洗,去除线切割引起的表面不平整;利用电解抛光10~15s以消除表面应力层。
③利用X射线残余应力分析仪对T型、Ln型试样表面待测点进行测量,获得在固有应变作用下T型试样的横向和厚度方向残余应力δy、δz,以及Ln型试样的纵向残余应力δx。测量参数如下:采用V靶,衍射晶面为(103),X射线加速电压30.00kV,激发电流1.00mA,X射线的波长为样品距离29mm。
步骤3,固有应变有限元求解。
①以T型、Ln型试样的焊缝中心线为对称轴,使用Hypermesh软件建立二维对称几何模型,根据步骤2表面残余应力测量点的分布进行网格划分,将模型离散成有限个单元。其中,单元类型设置为4节点平面应力矩形单元,在本实例中,一个测量点代表的区域大小为10*10mm,拟用4个网格单元代表一个测量点区域,将划分好的网格导出为16位网格数据,作为Inhs2d有限元软件输入文件的节点、单元信息。
②材料参数选择TC4钛合金,弹性模量为119GPa,泊松比为0.32。约束对称边垂直方向上的自由度,约束对称边两顶点x、y方向上的自由度以防止产生刚体位移。
③输入步骤2所得表面残余应力的测量值并进行固有应变有限元计算,通过inherent.txt输出文件获得各单元的固有应变值。
步骤4,残余应力有限元求解。
①采用Abaqus有限元软件,以厚板焊接件的焊缝纵截面为对称面建立三维对称几何模型,根据步骤3模型的单元尺寸对各边施加种子并进行网格划分,指派所有的单元类型为C3D8R,并创建网格部件。
②为对称面设置对称约束,约束其在y方向上的平动自由度和x、z方向上的转动自由度,约束其底边两顶点在x、y、z方向上的自由度以防止产生刚体位移;将步骤3所得三维固有应变以各向异性热膨胀系数作用到厚板模型中,并输入TC4钛合金的弹性模量为119GPa,泊松比为0.32。
③在预定义温度场模块中,为固有应变区内单元施加温度载荷,然后提交作业,进行仿真计算,最终通过Abaqus Viewer打开ODB结果文件,输出厚板焊接件内部残余应力分布云图。
厚板焊接件中截面残余应力分布云图如图4所示,图4(a)、(b)、(c)分别为厚板接头原始试样的纵向、横向、厚度方向残余应力。从图中可以看出,厚板焊接件内部的焊缝及附近区域呈现三轴拉伸的应力状态,且沿板厚与板宽方向的应力分布不均匀,高应力区集中在焊接件中、上部的焊缝及附近区域。为了验证该方法的可靠性,采用本发明测量得到的厚板焊接件表面残余应力与X射线衍射法测量结果进行对比,结果如图5所示,本发明测量值与X射线测量值呈现较好的一致性。

Claims (5)

1.一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法,其特征在于,该方法测量的对象符合以下两个特征:内部残余应力沿厚度方向呈现先增大后减小的变化趋势;沿焊缝长度方向存在残余应力准稳态区;
测量方法的条件如下:
(1)由于存在准稳态区,在各个焊缝横截面内,除了焊缝两端,焊接残余应力分量和固有应变分量的分布是一致的,即只存在σx,σy,σz,τyz应力分量和固有应变分量,σx,σy,σz分别为原厚板焊接件纵向、横向、厚度方向上的正应力,τyz为焊缝横截面上的切应力;/>分别为原厚板焊接件纵向、横向、厚度方向上的正应变,/>分为焊缝横截面上的切应变
(2)切割过程不产生新的塑性应变,即切割过程引起的应变变化是弹性的;
具体操作步骤如下:
步骤1:固有应变的分解;
基于固有应变的不变性,对厚板焊接件进行切割分离,获得1个焊缝横截面T型试样以及n个平行于焊接平面的Ln型试样;其中,T型试样保留了横向及厚度方向的固有应变分量Ln型试样保留了纵向固有应变分量/>
步骤2:简单试样表面残余应力的测量;
①设置测量点,使相邻两测量点间的距离小于15mm;
②对T型、Ln型试样表面进行处理;
③通过X射线衍射法测量并获得在固有应变作用下T型试样的横向和厚度方向残余应力δy、δz,以及Ln型试样的纵向残余应力δx
步骤3:固有应变有限元求解;
采用Inhs2d有限元软件进行固有应变有限元计算,获得纵向、横向和厚度方向固有应变的分布;具体操作如下:
①以T型、Ln型试样的焊缝中心线为对称轴建立二维对称几何模型,并根据步骤2表面残余应力测量点的分布进行网格划分,将模型离散成有限个单元;其中,单元类型设置为4节点平面应力矩形单元,用m2个相同的矩形单元划分一个测量点所代表的区域,以确定单元的数量;其中m≥2,且m为整数;
②设置厚板材料属性的弹性模量和泊松比,约束对称边垂直方向上的自由度,约束对称边两顶点的自由度以防止刚体位移;
③输入步骤2所得表面残余应力的测量值并进行固有应变有限元计算,最终输出各单元的固有应变值;
步骤4:残余应力有限元求解;
采用Abaqus有限元软件,将固有应变作用到模型中,进行一次弹性运算,便可获得厚板焊接件内部残余应力δ2的分布;具体操作如下:
①以厚板焊接件的焊缝纵截面为对称面建立三维对称几何模型,根据步骤3模型的单元尺寸进行网格划分,单元类型设置为C3D8R;
②设置对称面的对称约束,约束对称面底边两顶点的自由度以防止刚体位,将步骤3所得三维固有应变以各向异性热膨胀系数作用到厚板模型中,并输入材料的弹性模量和泊松比;
③为固有应变区内单元施加温度载荷,进行一次弹性运算,最终输出三维残余应力分布云图。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,切割取样的位置应处于焊缝准稳态区。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,切割速度应保持在50~70mm2/min以内,使工件表面切割处的温度处于100~200℃之间,以避免金属材料发生相变和蠕变对固有应变的影响。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,T型、Ln型试样的表面处理包括清洗、打磨,并进行电解抛光去除应力层,去除厚度大于0.2mm。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,测量区域至少包含固有应变区。
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