焊接残余应力的测定讲解

焊接残余应力的测定辽宁石油化工大学蒋应田一、实验目的;（1）、学习采用应力释放法测量焊接残余应力的原理和方法，初步掌握测试操作技能；（2）、加深理解对接接头中焊接残余应力的分布规律；（3）、了解焊接方法对焊接残余应力分布的影响；（4）、焊接工艺对残余应力的影响；（5）、了解一些其他测定焊接残余应力的方法。一、实验装置及实验材料（1）、熔化极氩弧焊（2）、直流（或交流）电焊机（3）、静态电阻应变仪（4）、预调平衡箱（5）、万用表（6）、钳式电流表（7）、交流电压表（8）、16Mn钢，Q235钢，450×75×8mm（9）、电焊条J507,J422,φ3.2;φ4.0若干根（10）、焊丝H08A，φ1.6mm（11）、应变片30片（12）、0号铁砂布、丙酮或四氯化碳、502号胶、绝缘胶布、石蜡、导线、焊锡工具、钎料、钎剂、锯条及锯弓等。一、实验原理对接接头中焊接残余应力产生及分布情况在电弧焊接过程中，接头金属及其附近母材金属在受到电弧加热后伸长，但这一伸长被周围冷金属拘束而受到压缩。在压缩量大于母材金属的屈服变形量时，产生相应量的塑性变形。与此同时，受热区域的力学熔点下降，进而产生更大的塑性变形量。在焊后冷却过程中，这些塑性变形被保留下来，使加热压缩区域产生拉伸应力，更远的地区产生压应力。厚度板接头中残余应力存在两个方向的应力，即沿焊缝长度方向（x方向）的纵向应力和垂直于焊缝方向（y方向）的横向残余应力。这两个方向的应力分布与施焊方法、工艺参数、焊接方式等有关。1、纵向焊接残余应力焊缝及其附近区中的应力为拉伸应力，对于低碳钢焊接结构，最大拉伸应力值一般可达到材料的屈服极限，稍离开焊缝区，拉伸应力迅速下降，继而出现残余压应力。如图1所示纵向残余应力的分布规律，可用下面公式表示：式中σxmax-最大拉伸残余应力；f－拉伸残余应力区最大宽度的一半。2212max)(1fyxyxexy影响纵向残余应力的大小及分布因素有以下几个方面：（1）焊接规范和焊接尺寸（2）焊缝长度（3）钢板材质（4）钢的相变过程的影响（5）焊接顺序2、横向残余应力垂直焊缝中心线的残余应力称为横向残余应力，它的产生主要是有两个方面造成的。（1）、焊缝及其附近区的纵向收缩引起的横向残余应力，其分布如图2所示的分布主要受焊缝长度的影响（2）、焊缝及其近区的横向收缩引起的横向应力这主要是由于焊缝横向收缩的不同时引起的与焊接的顺序和方向有关。如图3所示在一般的焊接接头中，都存在和，所以最终的横向残余应力都将有和来决定。因此影响的因素有以下几个方面（1）、焊接方向和焊接顺序（2）、焊缝长度（3）、拘束度'y'y''y'y''y（二）、焊接残余应力的测定方法及基本原理焊接残余应力的测定方法按测试原理可分为应力释放法和物理的方法。其中以应力释放法应用较为普遍。1、应力释放法主要包括切条法、切槽法，小孔法，逐层铣削法等，这里主要介绍切条法和小孔法。l（1）、切条法特点：费工时，加工麻烦，完全破坏焊件，是用于实验室进行研究工作。要求：准备仔细，加工精细，测量准确。原理：如图4所示，将需测定内应力的焊件划分几个区域（如：横向应力区、纵向应力区）在各区的待测点上贴上应变片或加工好标距孔，然后测定他们的原始数据读数。在靠近测量点处将焊件沿垂直于焊缝方向切断，并在各测量点间切出几个梳妆的切口，是内应力得以释放。对于某一梳条，用电阻应变仪量的释放前后的应变量差值，则相应焊缝残余应力为：用同样的方法，测出每一测量点的残余应力。2121EE注意事项：（1）测量结果受切条宽度影响很大，因此切条时，要尽可能使每条宽度一致；（2）贴应变片时，应尽可能是个片之间的距离保持均等，这样有利于切条是保持宽度一样。（3）切条时，切割速度不宜过快。（4）实验钢板厚度不宜太厚（2）、小孔法l特点：（1）可以进行现场操作，测量速度快；（2)对焊件破坏性小，可以不经塞焊件仍可使用。（3）结果较准确小孔法是在弹性力学理论的基础建立起来，图5表示一块钻有小孔的钢板，在钢板的应力场中钻出一个小孔（盲孔）以后，应力场原来的平衡状态将受到破坏，使小孔周围的应力分布发生变化，应力场产生新的平衡。若测定钻孔前后小孔附近应变量的差值，就可以根据弹性力学理论推算出小孔出的内应力。为了测的这种应变量的变化，在离小孔中心一定部位处贴上应变片，且诸应变片间保持一定角度（图5所示），分别测出钻孔前后各应变片的应变值。便可按下式计算出主应力的大小和方向。设原始残余应力为、，距测点为r处的切向、径向应力为、，钻孔时产生的附加应力为、，钻孔后重新平衡时的应力为、，其关系为：（1）上述情况与无限大平板（作用力σ1，σ2）上钻一通孔（孔径为a）后周围的应力变化情况是等值的，如图5所示。、12tr't'r''t''r'rr''r'''ttt根据弹性力学知：(2)钻孔前的切向应力及径向应力、的表达式为：2cos)31)(2()1)(2(2cos)31(2)1(22cos)31(2)1(244212221442222441221''rarararararat)341)(2()1(22cos)431(2)1(22cos)431(2)1(2442221222122442224441221''rararararararararar2cos)321(22sin)321(244222144222rararararrtr2cos222cos2221212121rt（3）由公式（1）、（2）、（3）可求出因钻孔而产生的附加应变、。't'r（1）种如图6所示，在孔周围贴三片电阻应变片，应变片在半径r测的径向应变为：'r)(322cos)(2cos2)(212cos22cos212cos22cos21)(2cos23)(22cos23212cos2321)(121442122212222222221222122'21442122244222144122''''arrarararararararararararaErttrr（4）在应变片长度L范围内测得的平均释放应变量为：代入公式（5）（5）得到：再将公式（4）代入上式中，积分后得（7）将(7)式中的积分常数经过适当的处理,即可得到径向平均释放应变为:'mdrrrrrrm2112'1)(1''trrEdrrrEdrrrEdrrrErrrrtrtrrrm212121'12'12''12')()(1)()(12cos)()(2121'EBEAm(8))(2cos)()()(2cos)()()(2cos)()(2121212121210BABABAmmm公式(8)即为求得焊接残余应力为、的基本公式.A、B称为释放应变系数，他们与被测材料的E、μ，应变片尺寸（r1、r2）应变片布位置，孔的半径a及孔的形状等有关，具体数据可通过实际标定结果来确定。122、物理方法物理方法包括磁性法、超声波法、x射线衍射法等。特点：测量应力时不必破坏焊件这里主要介绍一下磁性法和x射线衍射法（1）、磁性法原理：铁磁材料具有如下的性质，在磁化时，如果在应力作用（产生应变）下，则材料的导磁性能要发生变化，即同一种材料，有应力作用和无应力作用，其磁化曲线是不同的。在一定的应力范围内，初始导磁和应力成线性关系，如图8所示，当材料受拉伸时，导磁性增加，受压时导磁性减小。我们知道，一个闭合磁路的磁阻R是由磁探头本身的磁阻R1和式样的磁阻R2的总和，即：式中：S是有效面积，L是磁路的有效长度，、分别是探头和试样的导磁率,因为应力只影响到的变化，所以磁阻的相对变化为：22211121SLSLRRRRRRRRR222212202460246810ifB图10应变与导磁性的关系如果用高导磁材料的槽型铁芯做探头，如图9所示。当探头与被检测的试样表面接触时，形成一个封闭的磁路。假设在试样两端加一压力，由于压应变的作用使试样导磁发生变化，压力越大，变化越大。磁阻发生变化，使桥路产生不平衡电流，直流表有电流输出。不同的材料，受力后导磁的变化是不同的。02460246810σμB图8应变与导磁性的关系被测材料高导磁探头线圈磁路图9探头示意图我们知道，一个闭合磁路的磁阻R是由磁探头本身的磁阻R1和式样的磁阻R2的总和，即：式中：S是有效面积，L是磁路的有效长度，22211121SLSLRRR、分别是探头和试样的导磁率,因为应力只影响到的变化，所以磁阻的相对变化为：122RRRRRR2222我们组成如图10所示的桥路电路，用两个探头测试，用其中一个探头放在没有应力作用的试块上，作为补偿探头，另一个探头放在要检测应力作用的试板上，作为工作探头。开始时，把两个探头均放在没有应力的试块上，是电桥平衡。电流表没有电流输出，若其中一个试块受到力的作用，则试块的导磁要发生变化，导磁的变化引起桥的一个臂磁阻发生变化，使桥路产生不平衡电流，直流表有电流输出。不同的材料，受力后导磁的变化是不同的。一般来说，我们需要对检测的材料先进行标定试验，如压缩标定，是把试件放在万能试验机上找出压应力和输出电流值的关系，如图10所示，标定曲线近似一条直线。k为灵敏系数，若实际结构存在单向压应力，只要用探头测出其不平衡电流，既可求的压应力的大小，(Kgf/mm2)应力值电流值αtgk(Kgf/mm2)KI存在双向应力对于存在双向应力的情况，当工作探头在一个方向测量时，不仅探头方向的应力对该方向的导磁率有影响，其他方向的应力也会影响到探头方向导磁的变化，所以所测得不平衡电流输出是双向应力状态综合作用的结果。在平面应力状态下，探头在主应力方向时，输出电流（I）具有最大值或最小值。测量时，不断地转动探头。根据测量电路输出电流的最小值（最大主应力的方向）和最大值（最小主应力的方向），即可找到主应力的方向。另一方面，主应力差（）于输出电流值差（）近似成线性关系。这样，可以通过测定输出的电流值来决定主应力差的大小。根据主应力差和主应力方向，可计算出整个平面的应力状态。2121ii标定试验及数据处理为了测出焊接残余应力，首先要选择和被测材料成分相同，热处理状态相同的试件作为标准试件和补偿时间进行标定试验。拉伸试件可采用：315×60×12mm压缩试件可用：100×30×15标定方法：标定时，补偿探头置于无应力的补偿试件上，测量探头则在标定试件的某一点上，先后在平行于作用力方向和垂直于作用力方向上测量。当作用力为拉应力时，受力方向的输出电流较小，而与受力方向垂直的方向输出电流较大。压应力作用时，情况相反，在受压应力方向输出较大值，而在受力垂直方向输出较小值。如果在坐标系中，取主应力差为横坐标，电流差为纵坐标，则Δσ～Δi的关系为一近似直线。在被测点上转动探头，根据输出电流为最大值及最小值的方向，就可确定主应力的方向。根据所标定的主应力差与输出电流差曲线，就可以进行测量被测点的电流值（主应力差）和主应力方向，然后利用切应力差法，求得各点的应力数值。02460246810ifB图10应变与导磁性的关系12III21)/10(2mmNyxxyxyyyxxxyyx00根据弹性理论，平面应力状态的平衡方程为：假设代