焊接殘余應力的測定

1、焊接殘余應力的測定遼寧石油化工大學蔣應田一、實驗目的;（1）、學習采用應力釋放法測量焊接殘余應力的原理和方法，初步掌握測試操作技能；（2）、加深理解對接接頭中焊接殘余應力的分布規(guī)律；（3）、了解焊接方法對焊接殘余應力分布的影響；（4）、焊接工藝對殘余應力的影響；（5）、了解一些其他測定焊接殘余應力的方法。一、實驗裝置及實驗材料（1）、熔化極氬弧焊（2）、直流（或交流）電焊機（3）、靜態(tài)電阻應變儀（4）、預調(diào)平衡箱（5）、萬用表（6）、鉗式電流表（7）、交流電壓表（8）、16Mn鋼，Q235鋼，450758mm（9）、電焊條J507,J422,3.2;4.0 若干根（10）、焊絲H08A，1.6

2、mm（11）、應變片30片（12）、0號鐵砂布、丙酮或四氯化碳、502號膠、絕緣膠布、石蠟、導線、焊錫工具、釬料、釬劑、鋸條及鋸弓等。一、實驗原理 對接接頭中焊接殘余應力產(chǎn)生及分布情況 在電弧焊接過程中，接頭金屬及其附近母材金屬在受到電弧加熱后伸長，但這一伸長被周圍冷金屬拘束而受到壓縮。在壓縮量大于母材金屬的屈服變形量時，產(chǎn)生相應量的塑性變形。與此同時，受熱區(qū)域的力學熔點下降，進而產(chǎn)生更大的塑性變形量。在焊后冷卻過程中，這些塑性變形被保留下來，使加熱壓縮區(qū)域產(chǎn)生拉伸應力，更遠的地區(qū)產(chǎn)生壓應力。 厚度板接頭中殘余應力存在兩個方向的應力，即沿焊縫長度方向（x方向）的縱向應力和垂直于焊縫方向（y方向

3、）的橫向殘余應力。這兩個方向的應力分布與施焊方法、工藝參數(shù)、焊接方式等有關。 1、縱向焊接殘余應力 焊縫及其附近區(qū)中的應力為拉伸應力，對于低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，最大拉伸應力值一般可達到材料的屈服極限，稍離開焊縫區(qū)，拉伸應力迅速下降，繼而出現(xiàn)殘余壓應力。如圖1所示 縱向殘余應力的分布規(guī)律，可用下面公式表示： 式中xmax-最大拉伸殘余應力； f拉伸殘余應力區(qū)最大寬度的一半。2212max)(1fyxyxexy影響縱向殘余應力的大小及分布因素有以下幾個方面：（1） 焊接規(guī)范和焊接尺寸（2） 焊縫長度（3） 鋼板材質(zhì)（4） 鋼的相變過程的影響（5） 焊接順序2、橫向殘余應力垂直焊縫中心線的殘余應力稱為橫向

4、殘余應力，它的產(chǎn)生主要是有兩個方面造成的。（1）、焊縫及其附近區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應力，其分布如圖2所示的 分布主要受焊縫長度的影響 （2）、焊縫及其近區(qū)的橫向收縮引起的橫向應力這主要是由于焊縫橫向收縮的不同時引起的與焊接的順序和方向有關。如圖3所示 在一般的焊接接頭中，都存在 和 ，所以最終的橫向殘余應力都將有 和 來決定。因此影響的因素有以下幾個方面 （1）、焊接方向和焊接順序（2）、焊縫長度（3）、拘束度yy yy y（二）、焊接殘余應力的測定方法及基本原理 焊接殘余應力的測定方法按測試原理可分為應力釋放法和物理的方法。其中以應力釋放法應用較為普遍。1、應力釋放法主要包括切條法、切

5、槽法，小孔法，逐層銑削法等，這里主要介紹切條法和小孔法。l （1）、切條法特點：費工時，加工麻煩，完全破壞焊件，是用于實驗室進行研究工作。要求：準備仔細，加工精細，測量準確。 原理：如圖4所示，將需測定內(nèi)應力的焊件劃分幾個區(qū)域（如：橫向應力區(qū)、縱向應力區(qū)）在各區(qū)的待測點上貼上應變片或加工好標距孔，然后測定他們的原始數(shù)據(jù)讀數(shù)。在靠近測量點處將焊件沿垂直于焊縫方向切斷，并在各測量點間切出幾個梳妝的切口，是內(nèi)應力得以釋放。對于某一梳條，用電阻應變儀量的釋放前后的應變量差值， 則相應焊縫殘余應力為：用同樣的方法，測出每一測量點的殘余應力。 2121EE注意事項：（1）測量結(jié)果受切條寬度影響很大，因此切

6、條時，要盡可能使每條寬度一致；（2）貼應變片時，應盡可能是個片之間的距離保持均等，這樣有利于切條是保持寬度一樣。（3）切條時，切割速度不宜過快。（4）實驗鋼板厚度不宜太厚 （2）、小孔法l 特點：（1）可以進行現(xiàn)場操作，測量速度快；（2) 對焊件破壞性小，可以不經(jīng)塞焊件仍可使用。（3） 結(jié)果較準確 小孔法是在彈性力學理論的基礎建立起來，圖5表示一塊鉆有小孔的鋼板，在鋼板的應力場中鉆出一個小孔（盲孔）以后，應力場原來的平衡狀態(tài)將受到破壞，使小孔周圍的應力分布發(fā)生變化，應力場產(chǎn)生新的平衡。若測定鉆孔前后小孔附近應變量的差值，就可以根據(jù)彈性力學理論推算出小孔出的內(nèi)應力。 為了測的這種應變量的變化，在

7、離小孔中心一定部位處貼上應變片，且諸應變片間保持一定角度（圖5所示），分別測出鉆孔前后各應變片的應變值。便可按下式計算出主應力的大小和方向。 設原始殘余應力為 、 ，距測點為r處的切向、徑向應力為 、 ，鉆孔時產(chǎn)生的附加應力為 、 ，鉆孔后重新平衡時的應力為 、 ，其關系為： （1） 上述情況與無限大平板（作用力1，2）上鉆一通孔（孔徑為a）后周圍的應力變化情況是等值的，如圖5所示。、 12trtr t r rr r ttt根據(jù)彈性力學知： (2)鉆孔前的切向應力及徑向應力 、 的表達式為： 2cos)31)(2()1)(2(2cos)31 (2)1 (22cos)31 (2)1 (24421

8、2221442222441221 rarararararat)341)(2()1 (22cos)431 (2)1 (22cos)431 (2)1 (2442221222122442224441221 rararararararararar2cos)321 (22sin)321 (244222144222rararararrtr2cos222cos2221212121rt （3） 由公式（1）、（2）、（3）可求出因鉆孔而產(chǎn)生的附加應變 、 。tr （1）種如圖6所示，在孔周圍貼三片電阻應變片，應變片在半徑r測的徑向應變 為：r)(322cos)(2cos2)(212cos22cos212cos

9、22cos21)(2cos23)(22cos23212cos2321)(12144212221222222222122212221442122244222144122arrarararararararararararaErttrr （4） 在應變片長度L范圍內(nèi)測得的平均釋放應變量 為：代入公式 （5） （5） 得到：再將公式（4）代入上式中，積分后得 （7）將(7)式中的積分常數(shù)經(jīng)過適當?shù)奶幚?即可得到徑向平均釋放應變?yōu)?mdrrrrrrm21121)(1trrEdrrrEdrrrEdrrrErrrrtrtrrrm212121121212)()(1)()(12cos)()(2121EBEAm

10、(8)(2cos)()()(2cos)()()(2cos)()(2121212121210BABABAmmm公式(8)即為求得焊接殘余應力為 、 的基本公式.A、B稱為釋放應變系數(shù)，他們與被測材料的E、，應變片尺寸（r1、r2）應變片布位置，孔的半徑a及孔的形狀等有關，具體數(shù)據(jù)可通過實際標定結(jié)果來確定。 122、物理方法 物理方法包括磁性法、超聲波法、x射線衍射法等。特點：測量應力時不必破壞焊件這里主要介紹一下磁性法和x射線衍射法 （1）、磁性法）、磁性法 原理：鐵磁材料具有如下的性質(zhì)，在磁化時，如果在應力作用（產(chǎn)生應變）下，則材料的導磁性能要發(fā)生變化，即同一種材料，有應力作用和無應力作用，其

11、磁化曲線是不同的。在一定的應力范圍內(nèi)，初始導磁和應力成線性關系，如圖8所示，當材料受拉伸時，導磁性增加，受壓時導磁性減小。 我們知道，一個閉合磁路的磁阻R是由磁探頭本身的磁阻R1和式樣的磁阻R2的總和，即：式中：S是有效面積，L是磁路的有效長度， 、 分別是探頭和試樣的導磁率,因為應力只影響到 的變化，所以磁阻的相對變化為：22211121SLSLRRR RRRRRR222212202460246810if B圖10 應變與導磁性的關系 如果用高導磁材料的槽型鐵芯做探頭，如圖9所示。當探頭與被檢測的試樣表面接觸時，形成一個封閉的磁路。假設在試樣兩端加一壓力，由于壓應變的作用使試樣導磁發(fā)生變化，

12、壓力越大，變化越大。磁阻發(fā)生變化，使橋路產(chǎn)生不平衡電流，直流表有電流輸出。不同的材料，受力后導磁的變化是不同的。02460246810 B圖8 應變與導磁性的關系被 測 材 料高 導 磁 探 頭線 圈磁 路圖9 探頭示意圖我們知道，一個閉合磁路的磁阻R是由磁探頭本身的磁阻R1和式樣的磁阻R2的總和，即：式中：S是有效面積，L是磁路的有效長度，22211121SLSLRRR 、 分別是探頭和試樣的導磁率,因為應力只影響到 的變化，所以磁阻的相對變化為：122 RRRRRR2222 我們組成如圖10所示的橋路電路，用兩個探頭測試，用其中一個探頭放在沒有應力作用的試塊上，作為補償探頭，另一個探頭放在

13、要檢測應力作用的試板上，作為工作探頭。開始時，把兩個探頭均放在沒有應力的試塊上，是電橋平衡。電流表沒有電流輸出，若其中一個試塊受到力的作用，則試塊的導磁要發(fā)生變化，導磁的變化引起橋的一個臂磁阻發(fā)生變化，使橋路產(chǎn)生不平衡電流，直流表有電流輸出。不同的材料，受力后導磁的變化是不同的。 一般來說，我們需要對檢測的材料先進行標定試驗，如壓縮標定，是把試件放在萬能試驗機上找出壓應力和輸出電流值的關系，如圖10所示，標定曲線近似一條直線。 k為靈敏系數(shù)，若實際結(jié)構(gòu)存在單向壓應力，只要用探頭測出其不平衡電流，既可求的壓應力的大小，(Kgf/mm2)應力值電流值 tgk(Kgf/mm2) KI存在雙向應力 對

14、于存在雙向應力的情況，當工作探頭在一個方向測量時，不僅探頭方向的應力對該方向的導磁率有影響，其他方向的應力也會影響到探頭方向?qū)Т诺淖兓?，所以所測得不平衡電流輸出是雙向應力狀態(tài)綜合作用的結(jié)果。 在平面應力狀態(tài)下，探頭在主應力方向時，輸出電流（I）具有最大值或最小值。測量時，不斷地轉(zhuǎn)動探頭。根據(jù)測量電路輸出電流的最小值（最大主應力的方向）和最大值（最小主應力的方向），即可找到主應力的方向。另一方面，主應力差（ ）于輸出電流值差（ ）近似成線性關系。這樣，可以通過測定輸出的電流值來決定主應力差的大小。根據(jù)主應力差和主應力方向，可計算出整個平面的應力狀態(tài)。2121ii 標定試驗及數(shù)據(jù)處理 為了測出焊接

15、殘余應力，首先要選擇和被測材料成分相同，熱處理狀態(tài)相同的試件作為標準試件和補償時間進行標定試驗。拉伸試件可采用：3156012mm壓縮試件可用：1003015標定方法： 標定時，補償探頭置于無應力的補償試件上，測量探頭則在標定試件的某一點上，先后在平行于作用力方向和垂直于作用力方向上測量。當作用力為拉應力時，受力方向的輸出電流較小，而與受力方向垂直的方向輸出電流較大。壓應力作用時，情況相反，在受壓應力方向輸出較大值，而在受力垂直方向輸出較小值。如果在坐標系中，取主應力差為橫坐標，電流差為縱坐標，則i的關系為一近似直線。在被測點上轉(zhuǎn)動探頭，根據(jù)輸出電流為最大值及最小值的方向，就可確定主應力的方向

16、。根據(jù)所標定的主應力差與輸出電流差曲線，就可以進行測量被測點的電流值（主應力差）和主應力方向，然后利用切應力差法，求得各點的應力數(shù)值。02460246810if B 圖10 應變與導磁性的關系 12III21)/10(2mmNyxxyxyyyxxxyyx00根據(jù)彈性理論，平面應力狀態(tài)的平衡方程為：假設代數(shù)值較大的為，與x軸夾角的為，則：yydyxxydxyxyyyyxyyyxyxxxxyxxyxxy000021002sin)(21式中： ， 分別為x=x0,y=y0處的應力值。若x=x0，y=y0為自由邊界，則 、 很容易確定。由于任意一點的 都可以直接測量，所以各點的 和 都可以計算出來，從

17、而各點的 、 值都可以確定。0y0 x0 x0y2sin)(2121yxxyxyxyyxxyxy實測結(jié)果及應用舉例有人對對接頭的縱向應力及橫向應力進行測試比較，與小孔釋放法相比，只平均相差2030N/mm2，與全破壞應力釋放法很相似。磁測法的優(yōu)點：簡便，成本低廉，是一種無損的測定方法。 磁測法測出的應力在電源頻率f=50HZ是為探頭范圍（15*15mm）內(nèi)1.5mm深的平均應力。改變f可改變測量深度f503式中：電阻率相對導磁率f電頻測量前的準備要求：測量表面清潔干凈，用砂紙打磨到表面粗糙度3.21.6m。存在的問題：1、 探頭尺寸還過大，對于測量應力梯度過大的區(qū)域不夠準確。2、 關于焊接接頭

18、的組織不均勻性，化學不均勻性對測量精度的影響尚不清楚。X射線衍射法射線衍射法X射線衍射法是根據(jù)測定金屬晶格常數(shù)在應力的作用下發(fā)生變化來測定殘余應力的?；驹恚航饘俨牧鲜怯砂匆欢c陣排列的晶體組成的，而晶體內(nèi)某一取向的晶面之間的距離是一定的。如果能測量出無應力狀態(tài)下的晶面間距與在某一應力作用下的晶面間距的差值，就能計算出應力的大小。X射線衍射法就是以晶面間距作為應變測量的標距，通過測量晶面間距的變化來確定應力數(shù)值的。LLyyyE假若試件受拉應力F作用，則其應變?yōu)椋?應力為 LLyyyE其橫向應變?yōu)椋?因此試件內(nèi)若某晶粒內(nèi)與受力方向平行的晶面間距原為d0，在y的作用下，產(chǎn)生了d的變化，于是 yz

19、ZyEddz00dddEddEnyX射線衍射： 當入射的X射線受到晶體內(nèi)各原子的散射，這些散射線的波長和頻率都與入射的X射線相同，這些射線之間的相互作用，就會在他們的傳播空間形成某些方向的互相加強或減弱的現(xiàn)象。 在散射線傳播空間必須時光程差微X射線波長的整數(shù)倍時才會加強。布拉格定律給出了X射線受晶體散射時散射線互相加強的方向與入射線的波長及晶面間距的關系：ndsin2式中d晶面間距 入射線與散射線所成的角度 n衍射級數(shù)，任意正整數(shù) X射線的波長 測出X射線衍射儀發(fā)生的X射線向某類晶面的入射角，就可以算出晶面間距d，從而求得焊件表面內(nèi)應力的數(shù)值。優(yōu)點：非破壞性。 缺點：只能測定表面應力；對被測表

20、面要求較高；要求避免由局部塑性變形所應起的干擾；測試所用設備比較昂貴 一、實驗方法及步驟（一）、實驗準備1、分別采用熔化極氬弧焊及焊條電弧焊方法，取相同的焊接線能量，將經(jīng)高溫回火尺寸如圖所示的16Mn（A3）鋼各焊一對接接頭，或進行表面縱向堆焊，此時焊前鋼板需要開600坡口。2、用0號鐵砂布打磨試板接頭待測應力部位表面，使表面光潔度達到6，然后用丙酮或四氯化碳進行擦洗，以除去表面油污等有機物及磨屑等。、 用502號膠按圖4所示，將電阻應變片牢貼于試板各測量位置，應變片盡可能選用阻值相同，貼片后進行24小時自然干燥，若是加熱干燥，則溫度不得高于80。4、 用數(shù)字萬用表測量電阻片的粘貼質(zhì)量，并要求應變片的引線與試板間的絕緣電阻不小于200M。將電阻應變片的引線與導線用錫焊法焊在一起，而后用電工絕緣布纏繞并封蠟 （二）、應變測量1、 將接頭試板上各應變片按號順序接入附有預調(diào)平衡箱的電阻應變儀回路。2、 用電阻應變儀測量接頭試板上各應變片的初始應變讀數(shù)及 ，并記錄下數(shù)據(jù)，最好用預調(diào)平衡箱將各應變片的初始應變數(shù)均調(diào)至零。3、 將試