專利名稱：一種焊接殘余應力測量方法
技術領域：
本發明屬于工程領域的殘余應力測試方法，具體涉及一種焊接殘余應 力測量方法。
背景技術：
殘余應力是指產生應力的各種外部因素撤除之后材料內部依然存在， 并自身保持平衡的應力。這些外部因素很多，如相變、析出、溫度變化、 表面處理、材料加工、噴丸處理等等。殘余應力與內應力略有區別，內應 力是指產生應力的各種外部因素去除之后或在約束條件下材料內部或構 件中存在的并自身保持平衡的應力。例如，鉚接件、橋梁的桁架等結構件 長期存在著約束，這些約束作用的結果造成了構件內部自身保持平衡的應 力。
工程上，構件殘余應力和構件使用過程中的外作用力相互作用疊加， 因而殘余應力對結構的強度、疲勞性能和使用壽命影響很大。殘余應力的 存在， 一方面工件會降低強度，使工件在制造時產生變形和開裂等工藝缺
陷；另一方面又會在制造后的自然釋放過程中使工件的尺寸發生變化或者 使其疲勞強度、應力腐蝕等力學性能降低。因此，殘余應力的測量，對于 確保工件的安全性和可靠性有著非常重要的意義。因而需要通過一定試驗 測量來定量評價工程結構中殘余應力的大小，方向和分布，評價殘余應力 對結構使用性能的影響程度，以便更準確評估工程結構在服役過程中的安 全性。目前傳統殘余應力的測量方法主要分為兩大類。(l)機械法。有切條法、 切槽法、剝層法、鉆孔法等。機械法測量殘余應力需釋放應力，這就需要 對工件局部分離或者分割，從而會對工件造成一定的損傷或者破壞，但機 械法理論較完善，技術成熟，目前在現場測試中廣泛應用，其中尤以盲孔
法的破壞性最小。(2)物理檢測法。主要有X射線法、超聲法和磁性法。這 些方法均屬無損檢測法,對工件不會造成破壞。
目前最成熟的機械法殘余應力測量方法為鉆孔應變釋放法，通常稱作 小孔法，根據所鉆小孔的深度是否達到試板厚度又分為通孔法和盲孔法。 小孔法是一種最廣泛的殘余應力測試技術，這種方法相對簡單、便宜、迅 速和通用，技術成熟，理論較完善。所需設備可以是放置于實驗室也可以 是攜帶至出場測量，并適合于范圍較廣的材料與零件。美國材料試驗協會 (ASTM)于1981年制訂了鉆孔法的標準ATSM837-81 ， 1999年進行了修訂 ASTM837-99。我國尚無自己的國家標準，1987年引用上述美國標準參照 執行。而我國船舶行業于1992年制訂了自己的行業標準CB3395-92 (該標 準由中船總公司第七二五研究所、西安交通大學和大連鐵道學院負責起 草)。但小孔法去除的材料很少因而釋放的應力有限，所以只能測量表層 殘余應力。X射線衍射法是具有代表性的無損測量殘余應力技術，但它的 價格昂貴、對被測物體的表面狀況有較嚴格的要求，測量時要格外小心謹 慎，否則可能帶來較大測量誤差。
多達十余種殘余應力測試方法中大都是測量材料表面或淺表層殘余 應力，材料內部殘余應力的測試研究則比較少，構件內部殘余應力測量一 直是工程技術中的棘手問題。
只是測量表面殘余應力不能全盤了解其內部應力分布(如焊接件內部殘余應力分布隨厚度變化，最大殘余應力位置往往不在表層，而內部最大 殘余應力的位置是最容易產生裂紋等缺陷的位置。)。因而測量內部殘余 應力對于分析和理解殘余應力的特征和規律對于工件的安全性和可靠性 有著更重要的意義。
現有的能用于內部殘余應力測量的方法主要有
(1) 深孔法該方法是先在厚度方向鉆一直徑很小的通孔作為參考 孔，然后使用空氣探針領懂參考孔的直徑；接著在參考孔周圍加工出環芯 槽，再次用空氣探針測量去除材料后的參考孔直徑；通過參考孔直徑的變 化計算去除材料后所釋放的應力。這種方法可以測量厚達100mm的構件 內部殘余應力，測量精密，誤差小，但是加工環芯槽的直徑較大，包含了 焊焊縫和熱影響區，且設備昂貴，測量耗時。
(2) 逐層剝削法從構件上剝去一層材料，該層內的殘余應力就被 釋放，這相當于在剩余厚度部分施加了一個與釋放應力大小相等、符號相 反的應力，從而使剩余部分發生變形，剩余部分內的應力也重新達到平衡。 測出剝層后的變形量并算出應力，該應力就是存在于被剝去的那部分材料 內的殘余應力，或者在剝層對面粘貼應變片測量由應力釋放弓l起的應變變 化來計算應力。這種方法是全破壞方法，要剝除構件一定厚度整層材料， 測量變形和應變誤差較大，且受加工過程影響很大(如測量應力釋放引起 的應變受加工過程影響很大)，這種方法適合測量殘余應力在垂直厚度的 各平面內分布均勻的構件殘余應力。
(3) 階梯孔法該方法是結合盲孔法測量構件內部殘余應力。在已
測量表面殘余應力位置鉆一大孔，在大孔底部采用盲孔法測量殘余應力， 該方法目的是縮短釋放應力與應變片的距離，把應變片貼在離釋放應力最近的地方。但是階梯孔法必須保證大孔底部平整，以便于粘貼應變片；當 鉆孔深度達到20mm后，粘貼應變片就很難了；階梯孔法只能須懂局部較 少位置的殘余應力。
(4) 裂紋柔度法裂紋柔度法的測定原理是在被測物體表面引入一 條深度逐漸增加的裂紋來釋放殘余應力，從而測定應變、位移或轉角等量 值，這些測定量與裂紋深度有關。由于測定應變較為精確與方便， 一般通 過測定應變隨裂紋深度的變化來計算殘余應力。該方法需要特殊的應變片 和用線切割機床來加工裂紋，應變測量易受操作過程影響，適合測量殘余 應力在垂直厚度的各平面內分布均勻的構件殘余應力。
(5) 逐層鉆孔法逐層鉆孔法是改進的小孔法，通過逐漸增加鉆孔 度來測量不同層深度時三個應變敏感柵的應變值，然后根據這些應變值來 計算各個深度處的主應力值。該方法需要鉆大孔來釋放足夠的應力才能測 量較厚構件內部的應力，因而只能測量出大孔所在部位的平均應力。
不同的技術適用于不同的應力分布條件和測量深度。對于焊接殘余應 力的測量，由于焊縫和熱影響區存在大梯度殘余應力，需要多點測量來評 價應力在各個方向上的梯度變化，以上方法除深孔法外都不合適用于測量 局部應力變化劇烈的構件的殘余應力，而深孔法卻又測量耗時，設備昂貴， 也需要切除較大區域的材料因而不合適多點測量。因此，需要一種適合工 程應用的、簡單高效的、能夠多點測量構件內部殘余應力的方法。
殘余應力的存在一方面工件會降低強度，使工件在制造時產生變形和 開裂等工藝缺陷；另一方面又會在制造后的自然釋放過程中使工件的尺寸 發生變化或者使其疲勞強度、應力腐蝕等力學性能降低。測量內部殘余應 力，了解構件殘余應力分布，對于服役前構件有助于了解生產工藝對所產生的殘余應力以優化工藝，對于服役中構件可以分析服役載荷下殘余應力 的變化而預測構件壽命，分析殘余應力和載荷的相互作用。已有的殘余應 力測量方法存在成本高，無法測量焊接構件內部劇烈變化殘余應力以及無 法多點測量的問題，需要一種適合工程應用的能多點測量和能測量大梯度 變化的內部殘余應力測量方法。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種適合焊接件 內部殘余應力測量，局部去除材料最大限度保證原始殘余應力的完整性， 可以進行多點測量，以便分析各測量位置的應力分布狀態，操作方便，測 量效率高的焊接殘余應力測量方法。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是
1) 首先，采用盲孔法對構件進行上下表面焊接殘余應力測量；
2) 將構件一端壓緊放置在水平工作臺上，采用位移傳感器或者千分 表測量構件上表面或下表面上距焊縫中心100mm-120mm位置幾個基準點 相對于水平工作臺的位置；
3) 其次，在構件上表面通過機加工方法去除局部材料，在構件上表 面形成矩形槽，去除材的料深度至少達到盲孔法鉆孔深度；
4) 再次將構件壓緊在水平工作臺的同一位置，測量基準點相對于水 平工作臺的位置，與去除材料前的測量結果相減，得到基準點的位移變化 量，如果該位移量小于O.Olmm，采用盲孔法在矩形槽上測量殘余應力， 如果位移量大于O.Olmm，則進行第(5)步；
5) 將構件下表面去除材料，去除材料區域位置和大小與上表面去除 材料區域一致，去除材料深度至少為盲孔法的鉆孔深度，去除材料后采用步驟4)測量并計算構件上基準點相對于去除材料前的位移變化量，如果 該位移變化量得到減小且小于0.01mm，貝採用盲孔法在構件上、下表面 矩形槽表面測量殘余應力，如果該位移變化量大于O.Olmrn，則繼續在下 表面矩形槽內去除材料，直至位移變化量小于0.01mm;
6)采用步驟(2)到步驟(5)在上、下兩面矩形槽內逐層去除材料 并測量構件不同深度的殘余應力。
本發明采用局部逐層去除盲孔法多點測量較厚構件內部殘余應力，發 展了盲孔法的應用范圍，使之能進行內部殘余應力測量；局部去除材料， 是一種半破壞性殘余應力測量方法，去除材料占整個測量構件材料的比重 非常少；通過檢測去除材料前后的變形量在上下表面局部去除材料，減小 了材料去除后因應力釋放構件產生變形而引起的附加應力，最大限度保證 了原始殘余應力的完整性；可以進行多點測量，能分析各測量位置的應力 分布狀態；適合測量如焊接等加工方法引起的劇烈變化殘余應力；該方法 操作方便，測量效率高。
圖1為去除材料前的基準點位置測量示意圖； 圖2為去除材料后的基準點位置測量示意圖； 圖3是低碳鋼多道焊接順序示意圖4是局部逐層去除盲孔法測量的焊接殘余應力在厚度上的分布圖， 圖4a是低碳鋼多道焊接焊縫中心線的殘余應力，其中橫坐標為殘余應力， 縱坐標距下表面的距離；圖4b距焊縫中心7mm位置的殘余應力，其中橫 坐標為殘余應力，縱坐標距下表面的距離；
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
參見圖3，采用測量厚度為18mm的低碳鋼板多道焊接殘余應力。焊 接試驗前，材料經過去應力熱處理，先采用手工TIG點固和打底焊接，再 采用機器人C02氣體保護焊接進行剩余焊道焊接，焊接件尺寸為 100mmx300mmxl8mm。焊道順序示意見圖3。
按照局部逐層去除盲孔法的測量步驟進行內部殘余應力測量，領懂過 程如下
1) 首先，采用盲孔法測量構件上下表面焊接殘余應力；
2) 將構件1 一端壓緊放置在水平工作臺2上，采用位移傳感器3測 量構件上表面或下表面上沿焊接方向3個基準點相對于水平工作臺的位 置；
3) 在構件上表面中間區域通過機加工方法(如銑削)去除局部材料， 在構件上表面形成一個200mmx60mmx3mm尺寸的矩形槽4，加工時的工 件裝夾力盡可能小以避免弓l起工件塑性變形從而造成附件的應力，且保證 加工時構件沒有明顯振動；
4) 再次將構件壓緊在水平工作臺的同一位置，測量距焊縫中心 100mm-120mm位置上幾個基準點相對于水平工作臺的位置與去除材料前 的領懂結果比較，得到構件上基準點相對于去除材料前的位移變化量，如 果該位移變化量小于O.Olmm，采用盲孔法在矩形槽上測量殘余應力，如 果該位移變化量大于O.Olmm，則進行第(5)步；
5) 將構件下表面去除材料，去除材料區域位置和大小與上表面去除 材料區域一致，去除材料深度至少為盲孑L法的鉆孔深度，去除材料后采用 步驟4)測量并計算基準點相對于去除材料前的位移變化量，如果該位移變化量得到減小且小于O.Olmrn，則采用盲孔法在構件上、下表面矩形槽 表面測量殘余應力，如果位移變化量大于O.Olmm,則繼續在下表面矩形 槽內去除材料，直至位移變化量小于O.Olmm;
6)采用步驟(2)到步驟(5)在上、下兩面矩形槽內逐層去除材料 并測量構件不同深度的殘余應力。
參見圖4，測量得到的焯縫中心和距焊縫中心7mm位置的焊接殘余應 力在厚度上的分布。
文獻(Shim Y, Feng Z， Lee S， Kim D, Jaeger J， Papritan J C， Tsai C L. Determination of residual stresses in thick-section weldments. Welding Journal, 1992，71(9):305s-312s)中采用表面殘余應力測量和數值模擬方法研究 50.4mm厚鋼板多道焊接厚度上的應力分布(該文獻中焊接件的材料、坡 口形式和焊接方法和本方法測量的焊接件相似)，得到的焊縫中心處的殘 余應力分布趨勢和采用本方法測量18mm厚的焊縫中心殘余應力分布趨勢 非常接近。說明局部逐層去除盲孔法測量內部殘余應力分布具有相當的準 確性。
權利要求
1、一種焊接殘余應力測量方法，其特征在于1)首先，采用盲孔法對構件進行上下表面焊接殘余應力測量；2)將構件一端壓緊放置在水平工作臺上，采用位移傳感器或者千分表測量構件上表面或下表面上距焊縫中心100mm-120mm位置幾個基準點相對于水平工作臺的位置；3)其次，在構件上表面通過機加工方法去除局部材料，在構件上表面形成矩形槽，去除材的料深度至少達到盲孔法鉆孔深度；4)再次將構件壓緊在水平工作臺的同一位置，測量基準點相對于水平工作臺的位置，與去除材料前的測量結果相減，得到基準點的位移變化量，如果該位移量小于0.01mm，則采用盲孔法在矩形槽上測量殘余應力，如果位移量大于0.01mm，則進行第(5)步；5)將構件下表面去除材料，去除材料區域位置和大小與上表面去除材料區域一致，去除材料深度至少為盲孔法的鉆孔深度，去除材料后采用步驟4)測量并計算構件上基準點相對于去除材料前的位移變化量，如果位移變化量得到減小且小于0.01mm，則采用盲孔法在構件上、下表面矩形槽表面測量殘余應力，如果構件位移量大于0.01mm，則繼續在下表面矩形槽內去除材料，直至位移量小于0.01mm；6)采用步驟(2)到步驟(5)在上、下兩面矩形槽內逐層去除材料并測量構件不同深度的殘余應力。
全文摘要
一種焊接殘余應力測量方法—局部逐層去除盲孔法，基于盲孔法測量殘余應力方法，提出局部逐層去除盲孔法來測量構件內部殘余應力。正反兩面局部去除被測構件上一定深度材料后再采用盲孔法測量殘余應力。該方法為半破壞性殘余應力測量方法，可以進行多點測量和應力變化劇烈的構件內部殘余應力，且操作方便，測量效率高。通過厚板碳鋼焊接殘余應力測量試驗，表明該方法測量結果比較準確。
文檔編號G01N19/00GK101539506SQ20091002166
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月24日 優先權日2009年3月24日
發明者川 劉, 冰 吳, 鞏水利, 張建勛, 佳 楊, 靖 牛 申請人:西安交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
