一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法技术

本发明专利技术提供了一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法。该发明专利技术基于固有应变法，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。效率高。效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]本专利技术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：
[0008](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σ
x
，σ
y
，σ
z
，τ
yz
应力分量和固有应变分量，σ
x
，σ
y
，σ
z
分别为原厚板焊接件纵向、横向、厚度方向上的正应力，τ
yz
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
[0009](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。
[0010]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。
[0011]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：
[0012]步骤1：固有应变的分解。
[0013]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L
n
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L
n
型试样保留了纵向固有应变分量
[0014]步骤2：简单试样表面残余应力的测量。
[0015]①
设置测量点，使相邻两测量点间的距离小于15mm。
[0016]②
对T型、L
n
型试样表面进行处理。
[0017]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δ
y
、δ
z
，以及L
n
型试样的纵向残余应力δ
x
。
[0018]步骤3：固有应变有限元求解。
[0019]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：
[0020]①
以T型、L
n
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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]步骤4：残余应力有限元求解。
[0024]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：
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]上述技术方案中，所述步骤2，T型、L
n
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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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σ
x
，σ
y
，σ
z
，τ
yz
应力分量和固有应变分量，σ
x
，σ
y
，σ
z
分别为原厚板焊接件纵向、横向、厚度方向上的正应力，τ
yz
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L
n
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L
n
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、L
n
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δ
y
、δ
z
，以及L
n
型试样的纵向残余应力δ
x
；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林健，焦洋，刘昕，雷永平，符寒光，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：