CN115406782A - 考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，采用先切取零件再进行焊接的试样获取形式，并通过改变退火热处理条件定量调控引入的焊接残余应力大小，通过测试能够获得不同焊接残余应力对断裂韧性的影响。先切取再焊接的试样获取方式能够很好地在试样上还原焊接残余应力和焊接接头状态，能够避免试样切取过程中残余应力的松弛和再分配造成焊接残余应力变化不可控，通过调整裂纹和焊接接头的相对位置，可以实现对焊接接头不同类型和不同位置裂纹断裂韧性的测试。通过调整退火热处理条件能够按照研究需要准确调控试样中焊接残余应力的大小，进而可以实现不同焊接残余应力影响下断裂韧性的准确测量。
Description
技术领域
本发明明涉及金属材料断裂韧性检测技术领域，涉及一种考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法。
背景技术
随着生产力的发展，工业生产越来越朝着高效率、大功率的方向发展，与此同时也意味着工业构件将承受更大的负荷，面临的服役条件也更为苛刻。为保证工业生产安全，工业构件材料的断裂韧性测试显得尤为重要。焊接是工业构件生产过程中最重要的连接方式之一，广泛存在于工业生产的各种环节中，然而金属材料焊接过程中不可避免地会引入焊接残余应力，残余应力会影响裂纹驱动力，从而影响焊接接头的断裂性能，因此在焊接接头断裂韧性的研究中必须考虑焊接残余应力的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，解决了试样中焊接残余应力调控的问题，实现焊接残余应力大小的有效调控，并获取其对断裂韧性的影响。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，包括以下步骤：
步骤S1:根据待测需求，确定试样大小、裂纹类型，并由此确定裂纹和焊缝的相对位置；
步骤S2:以焊缝的相对位置为界，将试样分为两部分，并在构件中分别切取这两部分零件；
步骤S3：对切取得到的两部分零件进行焊接，组成待测试样；
步骤S4:对待测试样进行不同变量状态的退火热处理；
步骤S5：采用无损检测方法或无损检测与数值模拟相结合的方法获得待测试样的焊接残余应力;
步骤S6：根据研究裂纹和待测试样尺寸计算加载次数和载荷大小，然后对试样进行循环加载，获取符合要求的预制疲劳裂纹；
步骤S7：测量待测试样尺寸，根据尺寸计算加载载荷，采用单试样卸载柔度法进行测试并记录力和相关位移数据，然后进行数据处理计算断裂韧性值。
进一步的，所述裂纹类型包括纵向裂纹和横向裂纹。
进一步的，当裂纹类型为纵向裂纹时，分为三种情况确定焊缝位置：（1）焊缝位于定于试样中心，此时测试的为焊材断裂韧性；（2）焊缝位置适当偏移试样中心，使得裂纹位于热影响区，此时测试的为热影响区的断裂韧性；（3）焊缝位置偏移试样中心的程度增大，使得裂纹位于热影响区外的母材区域，此时测试的为母材的断裂韧性。
进一步的，当裂纹类型为横向裂纹，分为三种情况确定焊缝位置：（1）预制试样裂纹时控制裂纹尖端位于焊接接头中心，此时测试的为焊材断裂韧性；（2）预制试样裂纹时控制裂纹尖端位于热影响区，此时测试的为热影响区的断裂韧性；（3）预制试样裂纹时控制裂纹尖端位于热影响区外的母材区域，此时测试的为母材的断裂韧性。
进一步的，所述步骤S3焊接过程需要按照试样的实际焊接工艺要求进行焊接，先进行坡口加工和打磨，然后在固定夹具上组对，再依次进行定位焊、填充、盖料操作，以保证在试样上还原焊接残余应力和焊接接头状态。
进一步的，所述步骤S4具体为：先通过有限元数值计算模拟退火热处理过程，获得热处理效果，由此制定不同的退火热处理方案，然后根据制定的方案对试样进行不同退火热处理。
进一步的，通过改变保温温度、保温时间、升温降温速率的方式，实施不同的退火热处理方案。
进一步的，所述步骤S7具体为：按测试需要确定进行部分卸载和再加载的时间间隔，进行N次部分卸载和再加载操作使裂纹稳定扩展，获得载荷曲线；对载荷曲线进行数据处理，计算每个部分卸载和再加载循环的裂纹扩展量和对应的断裂参数，拟合得到阻力曲线，再确定断裂韧性值。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明可以实现对焊接接头不同类型和不同位置裂纹断裂韧性的测试，通过调整退火热处理条件能够按照研究需要准确调控试样中焊接残余应力的大小，进而可以实现不同焊接残余应力影响下断裂韧性的准确测量。。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为纵向裂纹与焊缝相对位置示意图；
图3为横向裂纹与焊缝相对位置示意图；
图4不同退火热处理方案示意图；
其中，图2中（a）中1是预制裂纹、2是热影响区、3是焊材、4是母材，图2中（b）、图2中（c）、图3中（a）、图3中（b）和图3中（c）中焊接接头对应标识区域的结构与图2中（a）一致。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据测试需要确定试样大小、裂纹类型，并由此确定裂纹和焊缝的相对位置。
如果研究对象为纵向裂纹，即焊缝与裂纹平行，如图2所示，分为三种情况确定焊缝位置：（1）焊缝位于定于测试试样中心，此时测试的为焊材断裂韧性；（2）焊缝位置适当偏移测试试样中心，使得裂纹位于热影响区，此时测试的为热影响区的断裂韧性；（2）焊缝位置偏移测试试样中心的程度增大，使得裂纹位于热影响区外的母材区域，此时测试的为母材的断裂韧性。
如果研究对象为横向裂纹，即焊缝与裂纹垂直，如图3所示，也分为三种情况确定测试试样裂纹位置：（1）预制测试试样裂纹时控制裂纹尖端位于焊接接头中心，此时测试的为焊材断裂韧性；（2）预制测试试样裂纹时控制裂纹尖端位于热影响区，此时测试的为热影响区的断裂韧性；（2）预制测试试样裂纹时控制裂纹尖端位于热影响区外的母材区域，此时测试的为母材的断裂韧性。
裂纹和焊接接头的相对位置包括但不局限于上述三种，焊接接头的不同位置存在不同大小和类型的残余应力，准确控制裂纹和焊缝的相对位置能够得到不同区域的断裂韧性。
步骤S2：以步骤S1确定的焊缝位置为界，将测试试样分为两部分，并将两部分测试试样零件分别从构建上切取下来，需保证两部分零件能够组对成功并通过焊接组成完整的测试试样，另外可以设置两圆孔用于特定夹具的固定。
步骤S3：焊接过程需要按照研究对象的实际焊接工艺要求进行焊接，先进行坡口加工和打磨，然后在固定夹具上组对，再依次进行定位焊、填充、盖料等焊接操作，以保证在试样上还原焊接残余应力和焊接接头状态。
在本实施例中，不限定焊接方式和参数，但需与实际焊接工艺和要求保持一致，避免引入其他影响因素。
步骤S4：对焊接完成后的试样进行不同的退火热处理。
优选的，本实施例中，通过改变保温温度、保温时间、升温降温速率等方式，制定不同的退火热处理方案（图4），实现在试样中保留不同大小的焊接残余应力的目的。为能够在试样中准确保留期望大小的残余应力，可先通过有限元数值计算模拟退火热处理过程，获得热处理效果，由此制定不同的退火热处理方案，然后根据制定的方案对试样进行不同退火热处理。退火热处理方案包括但不限于图4中的三种，根据热处理规律和研究需求，改变热处理过程的各种变量，可以制定一系列退火热处理方案。
步骤5：对测试试样进行无损残余应力测试。为了保证试样的一致性，应采用无损检测的方法测量焊接残余应力，测量过程可以确保试样不受损伤且不改变焊接残余应力大小，以保证试样能用于后续断裂韧性测试。
优选的，为了节约成本和时间，也可结合有限元数值计算获得残余应力分布，但必须对所建立的有限元模型进行验证，保证计算结果和实际残余应力分布相符。残余应力测试包括但不限于以上方法，如其他方法能够实现对残余应力的准确测量亦可。
步骤6：对试样进行循环加载预制裂纹，预制裂纹须在机械加工和热处理工序全部完成之后才可以进行。参考标准要求，制备初始缺口，根据研究裂纹类型和测试试样尺寸，确定加载次数和载荷大小，确定的参数不应超出标准规定范围之外，以期获得满足需要的疲劳裂纹。
步骤7：准确测量试样尺寸，根据尺寸计算加载载荷，采用单试样卸载柔度法进行测试并记录力和相关位移数据，然后测定断裂韧性。按研究需要确定进行部分卸载和再加载的时间间隔，进行数次部分卸载和再加载操作使裂纹稳定扩展，获得载荷曲线。对载荷曲线进行数据处理，计算每个部分卸载和再加载循环的裂纹扩展量和对应的断裂参数，拟合得到阻力曲线，再确定断裂韧性值。
在本实施例中，对于需要开侧槽的测试情况，可以通过减少焊接层数的形式预留出侧槽空间，避免了开侧槽操作造成的残余应力的松弛和再分配引起的残余应力改变的不可控，再配合不同退火热处理同样可以实现残余应力大小的调控。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:根据待测需求，确定试样大小、裂纹类型，并由此确定裂纹和焊缝的相对位置；
步骤S2:以焊缝的相对位置为界，将试样分为两部分，并在构件中分别切取这两部分零件；
步骤S3：对切取得到的两部分零件进行焊接，组成待测试样；
步骤S4:对待测试样进行不同变量状态的退火热处理；
步骤S5：采用无损检测方法或无损检测与数值模拟相结合的方法获得待测试样的焊接残余应力;
步骤S6：根据研究裂纹和待测试样尺寸计算加载次数和载荷大小，然后对试样进行循环加载，获取符合要求的预制疲劳裂纹；
步骤S7：测量待测试样尺寸，根据尺寸计算加载载荷，采用单试样卸载柔度法进行测试并记录力和相关位移数据，然后进行数据处理计算断裂韧性值。
2.根据权利要求1所述的考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，所述裂纹类型包括纵向裂纹和横向裂纹。
3.根据权利要求2所述的考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，当裂纹类型为纵向裂纹时，分为三种情况确定焊缝位置：（1）焊缝位于定于试样中心，此时测试的为焊材断裂韧性；（2）焊缝位置适当偏移试样中心，使得裂纹位于热影响区，此时测试的为热影响区的断裂韧性；（3）焊缝位置偏移试样中心的程度增大，使得裂纹位于热影响区外的母材区域，此时测试的为母材的断裂韧性。
4.根据权利要求2所述的考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，当裂纹类型为横向裂纹，分为三种情况确定焊缝位置：（1）预制试样裂纹时控制裂纹尖端位于焊接接头中心，此时测试的为焊材断裂韧性；（2）预制试样裂纹时控制裂纹尖端位于热影响区，此时测试的为热影响区的断裂韧性；（2）预制试样裂纹时控制裂纹尖端位于热影响区外的母材区域，此时测试的为母材的断裂韧性。
5.根据权利要求1所述的考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，所述步骤S3焊接过程需要按照试样的实际焊接工艺要求进行焊接，先进行坡口加工和打磨，然后在固定夹具上组对，再依次进行定位焊、填充、盖料操作，以保证在试样上还原焊接残余应力和焊接接头状态。
6.根据权利要求1所述的考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：先通过有限元数值计算模拟退火热处理过程，获得热处理效果，由此制定不同的退火热处理方案，然后根据制定的方案对试样进行不同退火热处理。
7.根据权利要求6所述的考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，通过改变保温温度、保温时间、升温降温速率的方式，制定不同的退火热处理方案。
8.根据权利要求1所述的考虑焊接残余应力对断裂韧性影响的断裂韧性测试方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：按测试需要确定进行部分卸载和再加载的时间间隔，进行N次部分卸载和再加载操作使裂纹稳定扩展，获得载荷曲线；对载荷曲线进行数据处理，计算每个部分卸载和再加载循环的裂纹扩展量和对应的断裂参数，拟合得到阻力曲线，再确定断裂韧性值。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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