CN110487459A - 一种测试厚板多个方向内部应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试厚板多个方向内部应力的方法，包括以下步骤：沿垂直于焊缝方向将试件切割成两半，测试两个切割面变形轮廓，然后将测试变形轮廓平均，采用三维软件光滑拟合后作为三维有限元数值计算的边界条件经弹性计算获得切割面原始内部纵向应力；取切割后的其中一块试件沿垂直于焊缝方向切割一片薄片，同时采用XRD法测试薄片残留的横向应力；建立薄片有限元模型将第一次切割面上的纵向应力值作为边界条件进行弹性计算，获得薄片因第二次切割释放的横向应力；将薄片残余横向应力值与薄片切割释放的横向应力进行叠加，获得切割面上的原始横向应力分布。本发明的方法降低了测试成本，提高了材料的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及残余应力技术领域，具体涉及轮廓法、应力测试以及应力叠加等方法。
背景技术
焊接过程本身是一个复杂的物理化学冶金过程，处于焊接区的金属材料会产生一定程度的力学性能恶化，加之焊接过程非均匀热循环的作用，将导致焊接接头各区域组织和力学性能不均匀，并且在结构服役过程中，一定的外界因素(如载荷、温度变化和腐蚀介质)的作用可能加剧这种性能劣化效果，焊接区往往成为整个结构的薄弱区或失效发生的发源地。对于厚焊接试件而言，多道焊接使焊缝金属经历多次焊接热循环作用，多次不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩，从而加剧影响焊接应力分布。焊接接头残余应力的存在会进一步降低焊接结构的承载能力、疲劳强度并导致应力腐蚀开裂等等。因此，对于大厚度焊接结试件内部焊接残余应力大小及分布的准确评价是评估焊接结构服役寿命、使用性能和失效的基础，也是对残余应力影响因素等研究的前提。
小孔法和XRD法只能测试构件表面或表层应力；逐层剥削法、裂纹柔度法、环芯法等方法得到的应力测量结果反映较大区域内应力的平均值，这些方法均不能获得试件内部应力全貌，不适合测试变化剧烈的内部残余应力。深孔法可测量大坡口厚焊接结构内部应力且破坏小，但这种技术需加工直径达到20mm的环槽，该方法很可能不能反映出高能束焊、窄间隙焊、线性摩擦焊接和惯性摩擦焊等窄小焊缝的接头焊缝区域应力梯度；中子衍射法可测试深达几厘米的内部应力，但对试件的微观组织敏感，对试件尺寸和空间分辨率有要求，且试验时间长、费用昂贵。
轮廓法是一种将有限元方法和释放技术结合起来的一种破坏性残余应力测试技术，它通过测量切割面应力释放造成的变形，利用有限元模拟计算反推截面上切割前的应力情况。轮廓法具有测试方法简单、经济适用、对微观组织不敏感等特点，并且可获得测试件整个截面上的应力分布全貌(整个切割面上垂直于切割面方向的应力分布)。该方法不仅适合测试不同焊接方法、不同材料的内部应力，而且对构件厚度和构件形式的适应性强。
传统轮廓法虽然能全面地反映切割面法向方向应力分布，但一次切割只能获得一个方向上的应力分布，要获得多个方向的应力分布则必须多次切割或者结合其他测试方法。Mitchell等人(Mitchell DO,Michael RH,Vipul IP,et al.Measured BiaxialResidual Stress Maps in a Stainless Steel Weld[J].Journal of NuclearEngineering and Radiation Science,2015,1(4):041002.)结合轮廓法与裂纹柔度法，在试样上切割多条薄片，将轮廓法计算的切割面应力值和裂纹柔度法测试结果构造出试样截面切割以前的横向和纵向应力。该方法的不足是：(1)切割多个薄片，造成材料浪费；(2)每个薄片需要采用裂纹柔度法测试多条线的应力，裂纹柔度法数据构造繁琐。Olson等人(Olson MD,Hill MR.A New Mechanical Method for Biaxial Residual Stress Mapping[J].Experimental Mechanics,2015,55(6):1139-1150)结合轮廓法和XRD测试，然后进行差值叠加得出测试件截面的横向与纵向应力。这种测试方法的不足是：(1)进行XRD测试时，不能同时开展其他的测试，如力学性能测试、金相及组织分析等，后续测试过程受影响；(2)对于厚重构件而言，XRD测试不便。
本发明在传统轮廓法的基础上，通过一次切割轮廓法、薄片切割和XRD测试应力方法，利用有限元软件模拟计算和叠加原理可以获得厚板焊接接头内部原始横向和纵向应力分布。
发明内容
为了克服上述现有测试方法存在的问题和不足，本发明提供了一种基于轮廓法测试厚板多个方向内部应力的方法。
本发明结合应力叠加原理，通过一次切割轮廓法、薄片切割和XRD法获得切割面原始横向和纵向应力分布，有效避免了多次切割轮廓法获得多个应力分量时的繁琐过程，极大地提高了试件的利用率，同时降低测试成本。
本发明所采用的技术方案是：
(1)装夹试件，将焊接试件沿垂直焊缝方向切割成两块。切割设备为高精度的慢走丝线切割机床(设备的加工尺寸精度≤2.5μm，加工面的粗糙度能达到Ra0.3μm)；
(2)采用高精度的三坐标测量仪测试设备，测试试件两个切割面上的变形轮廓，该测试设备误差约1～3μm/m。将测试得到的两个切割面对应位置的轮廓数据平均，并利用三维软件中的样条函数对切割面轮廓进行光滑拟合处理；
(3)根据有效测试数据尺寸建立有限元模型，网格划分有限元模型，并在远离切割面的三个节点上施加附加位移约束以防止模型刚性移动，然后将步骤(2)拟合好的变形轮廓数据反向作为边界条件逐节点施加到有限元模型中，进行线弹性计算(应力＝弹性模量×应变)，获得垂直于切割面方向的应力分布，即该切割面上线切割以前的纵向应力分布；
(4)取一次切割后的两块试件中的一块，再次采用慢走线切割设备沿垂直于焊缝方向切割一块薄片，采用XRD法在薄片表面以一定点间距测试薄片表面的横向应力值；采用三维软件surfer对这些点的横向应力值进行插值计算，获得整个薄片表面的横向应力分布，即薄片上残留的横向应力值；
(5)建立有限元模型，模型与步骤(3)中模型的截面尺寸相同，以一定尺寸的网格划分薄片模型，将步骤(3)中一次切割轮廓法获得的切割面纵向应力值作为边界条件，并施加约束条件以防止模型刚性移动，进行有限元线弹性计算，获得切割面纵向应力对薄片横向应力的影响值，即为薄片切割时释放掉的横向应力值；
(6)将步骤(4)中测得的薄片残留横向应力值和步骤(5)中切割薄片所释放的横向应力值进行叠加，叠加后的应力结果即为切割面上切割以前的原始横向应力分布。
进一步优选的，步骤(1)所述的线切割机床为高精度慢走丝线切割机床，切割速度≤0.2mm/min。
进一步优选的，步骤(2)所述的三坐标测量仪为高精度三坐标测量仪。
进一步优选的，步骤(2)中所述的测试切割后的切割面变形轮廓时，要求每一块试件上的切割面变形轮廓在相同的坐标系下测量。
进一步优选的，步骤(2)中所使用的三维软件为TableCurve 3D。
进一步优选的，步骤(2)中运用了三维软件TableCurve 3D中的样条函数对切割面轮廓进行光滑拟合处理。
进一步优选的，步骤(5)中所述的弹性计算的要求是，所述切割面应力释放造成的轮廓变形是在弹性范围内的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)一次切割后仅需再切一块薄片即可获得两个方向应力，降低测试成本，也大大提高材料的利用率；薄片切割后其余材料即可用于其它实验，不影响整体实验进程；
(2)适用于各种材料不同焊接接头形式的内部焊接应力测试，不需要标定相关系数，只需要获得材料的弹性模量和泊松比即可获得测试结果。
附图说明
图1为本发明的测试厚板多个方向内部应力的方法流程图；
图2为焊接试件尺寸示意图，(a)为坡口尺寸图，(b)为焊接试件尺寸图(其中a＝400mm，b＝403mm，h＝47.6mm，c＝47.6mm，d＝34mm，e＝4mm，f＝1mm，α＝45°，β＝60°)；
图3为焊接试件切割面测试轮廓经平均及光滑拟合后曲面图；
图4为焊接试件施加边界条件后的变形有限元模型图；
图5为焊接试件测试获得的切割面上纵向应力分布图；
图6为焊接试件薄片表面应力测试位置示意图(其中p＝5mm，q＝5mm，r＝20mm，s＝10mm，t＝5mm)；
图7为焊接试件薄片表面残留的横向应力测试结果图；
图8为焊接试件切割薄片释放的横向应力分布图；
图9为焊接试件切割面上的原始横向应力分布图，(a)为焊缝中心位置的应力叠加图，(b)为距焊缝中心8mm位置的应力叠加图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的一种测试厚板多个方向内部应力的方法流程图；
测试对象由两块200mm×200mm×47.6mm的SA738Gr.B高强钢经二氧化碳气体保护焊焊接而成，坡口形状及尺寸见图2(a)，试件尺寸见图2(b)。在焊接结束后，对试件上下表面进行超声冲击处理(Ultrasonic impact treatment,UIT)。
一种测试厚板多个方向内部应力的方法，具体步骤如下：
(1)将焊接试件在机床工作台装夹固定，沿垂直于焊缝方向采用慢走丝线切割设备切割成两块，切割机床型号为Sodick ALN400QS慢走丝线切割机，设备的加工尺寸精度±2.5μm，加工面的粗糙度达到Ra0.3μm。切割时采用电极丝直径为0.25mm的铜丝，切割速度小于0.2mm/min；
(2)将切割后试件切割面朝上水平摆放，以远离焊缝区域作为基准，采用海格斯康Hexagon Global Performance三坐标测试仪测量切割面变形轮廓。为了保证测试数据的详尽，切割面测试点间距必须小于2mm，例如间距可以为1mm。由于线切割切入和切出时放电不稳定影响加工精度，切割面的切入端和切出端20mm区域不做测量。将两切割面对应位置的轮廓测试数据进行平均，然后用三维软件TableCurve 3D将平均后的轮廓数据采用样条函数光滑拟合，拟合后曲面见图3；
(3)根据有效测试数据尺寸(360mm×200mm×47.6mm)通过ANSYS软件建立有限元模型，以1mm×1mm网格划分有限元模型，将拟合好的变形轮廓数据反向作为边界条件逐节点施加到有限元模型中，施加边界条件(光滑拟合轮廓)后的变形有限元模型见图4，并施加附加位移约束以防止模型刚性移动，进行有限元弹性计算，获得切割面上的纵向应力分布，计算结果见图5。
(4)取第一次切割后的两块SA738Gr.B高强钢试件中的一块，采用慢走线切割设备沿焊缝方向切割5mm厚的薄片，切割速度小于0.2mm/min。利用XRD法测试5mm厚薄片表面上残留的横向应力，测试位置见图6，测试结果见图7。
(5)建立有限元模型，模型与步骤(3)中模型的截面尺寸相同，以1mm×1mm网格划分5mm厚的薄片模型，然后提取一次切割轮廓法切割面上的纵向应力值作为边界条件逐节点施加到薄片的有限元模型中，并施加约束条件，进行线弹性计算，获得切割面纵向应力对薄片横向应力的影响值，即为切割薄片所释放的横向应力，计算结果见图8；
(6)将步骤(4)中薄片残余横向应力值与步骤(5)中切割面纵向应力对薄片横向应力的影响值(即切割薄片所释放的横向应力)进行叠加，获得切割面上的原始横向应力分布，焊缝中心位置和距焊缝中心8mm位置的横向应力叠加分别见图9(a)和图9(b)。
Claims (6)
1.一种测试厚板多个方向内部应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将试件在机床工作台上装夹，采用线切割机床将试件沿垂直焊缝方向切割分成两块；
(2)采用三坐标测量仪测试切割后的两个切割面的变形轮廓；将测试得到的两个切割面对应位置的轮廓数据进行平均，并采用三维软件中的样条函数对切割面的变形轮廓进行光滑拟合处理；
(3)以切割成两块的试件其中一块的尺寸建立三维有限元模型，将切割面轮廓数据反向后作为位移边界条件施加在有限元模型对应的切割面节点上；施加附加位移约束以防止模型刚性移动，随后进行线弹性计算，得到切割前该平面上的原始纵向应力分布；
(4)将切割成两块的试件其中一块沿垂直于焊缝方向采用步骤(1)的设备和方法切割一片薄片；采用X射线衍射法(XRD)测试薄片上残留的横向应力；
(5)建立薄片的有限元模型，提取步骤(3)中切割面上的纵向应力值作为边界条件逐节点施加到薄片有限元模型中，并施加约束条件防止模型刚性移动，进行弹性计算，获得切割面纵向应力对薄片横向应力的影响值，即为薄片中因切割释放的横向应力值；
(6)将步骤(4)中测得的薄片残留横向应力值和步骤(5)中薄片中因切割释放的横向应力值进行叠加，获得切割前该面上的原始横向应力分布。
2.根据权利要求1所述的一种测试厚板多个方向内部应力的方法，其特征在于：步骤(1)所述的线切割机床为高精度慢走丝线切割机床，切割速度≤0.2mm/min。
3.根据权利要求1所述的一种测试厚板多个方向内部应力的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的三坐标测量仪为高精度三坐标测量仪。
4.根据权利要求1所述的一种测试厚板多个方向内部应力的方法，其特征在于：步骤(2)中测试切割后的两个切割面的变形轮廓时，每一块试件上的切割面的变形轮廓在相同的坐标系下测量。
5.根据权利要求1所述的一种测试厚板多个方向内部应力的方法，其特征在于：步骤(2)中所使用的三维软件为TableCurve 3D。
6.根据权利要求1所述的一种测试厚板多个方向内部应力的方法，其特征在于：步骤(5)中所述弹性计算的要求是，所述切割面应力释放造成的轮廓变形是在弹性范围内的。
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|---|---|
| CN (1) | CN110487459A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111103082A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-05 | 中国科学院金属研究所 | 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 |
| CN111141438A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-12 | 中国科学院金属研究所 | 一种深孔法三维残余应力测量方法 |
| CN111307495A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-19 | 中国石油大学(华东) | 基于残余应力分布的焊接接头切割取样尺寸的确定方法 |
| CN114739556A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-07-12 | 中铝材料应用研究院有限公司 | 二次剖切轮廓法残余应力测试方法 |
| CN114878046A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-08-09 | 北京工业大学 | 一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法 |
| CN115655550A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-01-31 | 思特尔智能检测***(苏州)有限公司 | 一种测试铁基板材应力状态的传感器布局方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103344555A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-10-09 | 江苏科技大学 | 一种基于小孔法测试数据构建薄板焊接残余应力场的方法 |
| CN103364336A (zh) * | 2013-07-15 | 2013-10-23 | 江苏科技大学 | 一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法 |
| CN108827513A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-16 | 广东工业大学 | 一种经激光喷丸处理的薄板的平面残余应力检测方法 |
| CN109186836A (zh) * | 2018-09-28 | 2019-01-11 | 西安交通大学 | 基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法 |
-
2019
- 2019-07-22 CN CN201910663528.XA patent/CN110487459A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103344555A (zh) * | 2013-07-09 | 2013-10-09 | 江苏科技大学 | 一种基于小孔法测试数据构建薄板焊接残余应力场的方法 |
| CN103364336A (zh) * | 2013-07-15 | 2013-10-23 | 江苏科技大学 | 一种测试环焊缝内部双向残余应力全貌的方法 |
| CN108827513A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-16 | 广东工业大学 | 一种经激光喷丸处理的薄板的平面残余应力检测方法 |
| CN109186836A (zh) * | 2018-09-28 | 2019-01-11 | 西安交通大学 | 基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| P.PAGLIARO: "Measuring Inaccessible Residual Stresses Using Multiple Methods and Superposition", 《EXPERIMENTAL MECHANICS》 * |
| 杨嘉炜: "厚板焊接接头超声冲击处理应力调控效果及影响因素研究", 《中国硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111103082A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-05 | 中国科学院金属研究所 | 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 |
| CN111141438A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-12 | 中国科学院金属研究所 | 一种深孔法三维残余应力测量方法 |
| CN111103082B (zh) * | 2020-01-14 | 2021-04-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种改善深孔法测量三维残余应力精度方法 |
| CN111141438B (zh) * | 2020-01-14 | 2021-04-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种深孔法三维残余应力测量方法 |
| CN111307495A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-19 | 中国石油大学(华东) | 基于残余应力分布的焊接接头切割取样尺寸的确定方法 |
| CN111307495B (zh) * | 2020-03-20 | 2022-08-05 | 中国石油大学(华东) | 基于残余应力分布的焊接接头切割取样尺寸的确定方法 |
| CN114878046A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-08-09 | 北京工业大学 | 一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法 |
| CN114878046B (zh) * | 2022-04-22 | 2023-11-24 | 北京工业大学 | 一种测量厚板焊接件内部残余应力的方法 |
| CN114739556A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-07-12 | 中铝材料应用研究院有限公司 | 二次剖切轮廓法残余应力测试方法 |
| CN115655550A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-01-31 | 思特尔智能检测***(苏州)有限公司 | 一种测试铁基板材应力状态的传感器布局方法 |
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