1、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，450758mm（9）、电焊条J507,J422,3.2;4.0 若干根（10）、焊丝H08A，1.6
2、mm（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）
3、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xmax-最大拉伸残余应力；f拉伸残余应力区最大宽度的一半。2212max)(1fyxyxexy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
4、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yy yy 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
5、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。2121EE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
6、；（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
7、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1，2）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。、12trtr 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)3
8、41)(2()1(22cos)431(2)1(22cos)431(2)1(2442221222122442224441221 rararararararararar2cos)321(22sin)321(244222144222rararararrtr2cos222cos2221212121rt（3）由公式（1）、（2）、（3）可求出因钻孔而产生的附加应变 、。tr（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)(1214421
9、2221222222222122212221442122244222144122arrarararararararararararaErttrr （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:mdrrrrrrm21121)(1trrEdrrrEdrrrEdrrrErrrrtrtrrrm212121121212)()(1)()(12cos)()(2121EBEAm (8)(2cos)()()(2cos)()()(2cos)()(2121212121210BA
10、BABAmmm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、，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。122、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）、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
11、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：22211121SLSLRRRRRRRRR222212202460246810if B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
12、的。02460246810 B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：122 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
13、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 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
14、，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。2121ii 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：3156012mm压缩试件可
15、用：1003015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i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。0246
16、0246810if B 图10 应变与导磁性的关系 12III21)/10(2mmNyxxyxyyyxxxyyx00根据弹性理论，平面应力状态的平衡方程为：假设代数值较大的为，与x轴夹角的为，则：yydyxxydxyxyyyyxyyyxyxxxxyxxyxxy000021002sin)(21式中：，分别为x=x0,y=y0处的应力值。若x=x0，y=y0为自由边界，则 、很容易确定。由于任意一点的 都可以直接测量，所以各点的 和 都可以计算出来，从而各点的 、值都可以确定。0y0 x0 x0y2sin)(2121yxxyxyxyyxxyxy实测结果及应用举例有人对对接头的纵向应力及横向应力进行
17、测试比较，与小孔释放法相比，只平均相差2030N/mm2，与全破坏应力释放法很相似。磁测法的优点：简便，成本低廉，是一种无损的测定方法。磁测法测出的应力在电源频率f=50HZ是为探头范围（15*15mm）内1.5mm深的平均应力。改变f可改变测量深度f503式中：电阻率相对导磁率f电频测量前的准备要求：测量表面清洁干净，用砂纸打磨到表面粗糙度3.21.6m。存在的问题：1、探头尺寸还过大，对于测量应力梯度过大的区域不够准确。2、关于焊接接头的组织不均匀性，化学不均匀性对测量精度的影响尚不清楚。X射线衍射法射线衍射法X射线衍射法是根据测定金属晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力的。基本原
18、理：金属材料是由按一定点阵排列的晶体组成的，而晶体内某一取向的晶面之间的距离是一定的。如果能测量出无应力状态下的晶面间距与在某一应力作用下的晶面间距的差值，就能计算出应力的大小。X射线衍射法就是以晶面间距作为应变测量的标距，通过测量晶面间距的变化来确定应力数值的。LLyyyE假若试件受拉应力F作用，则其应变为：应力为 LLyyyE其横向应变为：因此试件内若某晶粒内与受力方向平行的晶面间距原为d0，在y的作用下，产生了d的变化，于是 yzZyEddz00dddEddEnyX射线衍射：当入射的X射线受到晶体内各原子的散射，这些散射线的波长和频率都与入射的X射线相同，这些射线之间的相互作用，就会在他
19、们的传播空间形成某些方向的互相加强或减弱的现象。在散射线传播空间必须时光程差微X射线波长的整数倍时才会加强。布拉格定律给出了X射线受晶体散射时散射线互相加强的方向与入射线的波长及晶面间距的关系：ndsin2式中d晶面间距 入射线与散射线所成的角度 n衍射级数，任意正整数 X射线的波长 测出X射线衍射仪发生的X射线向某类晶面的入射角，就可以算出晶面间距d，从而求得焊件表面内应力的数值。优点：非破坏性。缺点：只能测定表面应力；对被测表面要求较高；要求避免由局部塑性变形所应起的干扰；测试所用设备比较昂贵 一、实验方法及步骤（一）、实验准备1、分别采用熔化极氩弧焊及焊条电弧焊方法，取相同的焊接线能量，
20、将经高温回火尺寸如图所示的16Mn（A3）钢各焊一对接接头，或进行表面纵向堆焊，此时焊前钢板需要开600坡口。2、用0号铁砂布打磨试板接头待测应力部位表面，使表面光洁度达到6，然后用丙酮或四氯化碳进行擦洗，以除去表面油污等有机物及磨屑等。、用502号胶按图4所示，将电阻应变片牢贴于试板各测量位置，应变片尽可能选用阻值相同，贴片后进行24小时自然干燥，若是加热干燥，则温度不得高于80。4、用数字万用表测量电阻片的粘贴质量，并要求应变片的引线与试板间的绝缘电阻不小于200M。将电阻应变片的引线与导线用锡焊法焊在一起，而后用电工绝缘布缠绕并封蜡（二）、应变测量1、将接头试板上各应变片按号顺序接入附有
21、预调平衡箱的电阻应变仪回路。2、用电阻应变仪测量接头试板上各应变片的初始应变读数及，并记录下数据，最好用预调平衡箱将各应变片的初始应变数均调至零。3、将试板夹于虎钳上，用手锯按图4部位及尺寸锯成梳状切口，带试板温度恢复至室温后，用电阻应变仪再次测量接头试板上各相应电阻应变片的应变读数及，并记录下数据。一、实验数据的整理和分析（一）、将测量出的各应变量按测量点序号填入下面表中 x方向的应变量及残余应力 测量点项目12345678910111213141516（Pa）0 x1xxxY方向的应变量及残余应力 测量点项目12345678910111213141516（Pa）0y1yyy若为单向应力，则
22、根据虎克定律，用下面两式计算：若为双向内应力，则应根据广义虎克定律，用下面两式求得：01xxxxEE01yyyyEE21)(yxxE21)(xyyE式中E为弹性模量 =0.30 PaE101058.20 算出的应力符号为正时，应力为拉伸残余应力，符号为负时，为压缩残余应力。（二）、根据计算出的焊接残余应力与值，在直角坐标纸上绘出焊接接头的纵向残余应力和横向残余应力分布曲线，可以认为沿接头试板横截面上的与试板纵截面上的分别对称于x轴及y轴的分布。（三）、对实验得到的接头纵向残余应力及横向残余应力的分布曲线进行分析与讨论。（四）、对比熔化极脉冲氩弧焊与焊条电弧焊法施焊的两种焊接接头的焊接残余应力分布曲线，比较残余应力峰值及拉伸残余应力区的范围尺寸有无差异，分析产生差异的原因 六、思考题（一）、从对接接头焊接残余应力测定结果，分析纵向残余应力和横向残余应力中，哪种方向的参与拉伸应力较大，说明原因。（二）、实验所得到的焊接残余应力分布曲线与横坐标所围城的正负部分面积是否相等？如果不相等，试分析产生这种结果的原因。
