小孔法測(cè)量Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的適用性研究

1、小孔法測(cè)量Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的適用性研究李榮鋒祝時(shí)昌陳亮山摘要應(yīng)變釋放系數(shù)A、B的標(biāo)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),直到單軸拉伸應(yīng)力達(dá)到0.73s時(shí),孔邊屈服產(chǎn)生的塑性變形才發(fā)生,對(duì)Cr-Ni奧氏體不銹鋼小孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的影響小。同時(shí)經(jīng)過(guò)小孔法和全釋放法測(cè)量實(shí)際焊接殘余應(yīng)力及其分布的對(duì)比發(fā)現(xiàn),只要選擇恰當(dāng)?shù)膽?yīng)變片,使之與小孔孔徑匹配,小孔法測(cè)量高殘余應(yīng)力,特別是焊接殘余應(yīng)力仍有較好的適用性。SUS321不銹鋼的對(duì)接接頭的縱向焊接殘余應(yīng)力最大值為540MPa,大大超過(guò)母材屈服強(qiáng)度。關(guān)鍵詞適用性小孔法焊接殘余應(yīng)力Cr-Ni奧氏體不銹鋼STUDY ON FEASIBILITY OF HOLE DRIL

2、LING METHODFOR MEASUREMENT OF WELDING RESIDUAL STRESSIN Cr-Ni AUSTENIC STAINLESS STEELLi RongfongWuHan Iron and Steel Corp.Zhu ShichangChen LiangshanInstitute of Metal Research Academia SinicaSynopsisIt is found out from calibration tests of strain relief constant A & B that plastic deformation

3、caused by the yield around the drilling hole has little influence on the measurement of the welding residual stresses in Cr-Ni austenic strainless steel by the hole drilling method since it does not occur till the drawing stress at the single axis approaches 0.73s.In the meanwhile results from a com

4、parision of the measured value of the actual residual stress in Cr-Ni austenic strainless steel and its distribution by the hole drilling method with that by the section method indicate that the hole drilling method has better feasibility for measurement of high residual stress,and the high welding

5、residual stress in particular provided the rosette of strain gauge is appropriately matched with the hole diameter.The peak of longitndinal residual stress in the butt weld joint of SUS 321 stainless steel is 540 MPa,which is far beyond the yield strength of the base metal.Keywordsfeasibilityhole dr

6、illing methodwelding residual stressCr-Niaustenic steel1前言德國(guó)人Mather于1934年最早提出了小孔法測(cè)量殘余應(yīng)力技術(shù)1。此后,特別是50年代以后,許多國(guó)家的研究者對(duì)此方法進(jìn)行了大量的研究,其間的成就包括;殘余應(yīng)力應(yīng)變釋放常數(shù)試驗(yàn)的標(biāo)定;理論公式及誤差討論;應(yīng)變片(花)及鉆孔設(shè)備的生產(chǎn)與改進(jìn)等。美國(guó)ASTM機(jī)械試驗(yàn)委員會(huì)于1981年正式頒布了E837-81標(biāo)準(zhǔn)小孔法測(cè)量殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,1985年、1989年、1992年又3次作了修正與補(bǔ)充。小孔法根據(jù)成孔的方法不同分為4類;低速鉆(轉(zhuǎn)速小于1000 r/min,刃具包括鉆頭和端銑

7、刀等)、高速鉆(轉(zhuǎn)速高達(dá)400000 r/min)、噴砂打孔、電化學(xué)成孔等。其中最廉價(jià)、使用最方便的是低速鉆小孔法,它在工程上被廣泛采用。但低速鉆在用于不銹鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力測(cè)定時(shí),仍有許多問(wèn)題有待解決。文獻(xiàn)2根據(jù)Cr-Ni奧氏體不銹鋼的特點(diǎn),解決了電阻應(yīng)變片(花)粘貼前的表面準(zhǔn)備、應(yīng)變片(花)與鉆孔直徑選擇等許多影響Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的小孔法測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題,為其適用性提供了前提保證。但從理論上講,無(wú)論是普通碳素鋼還是不銹鋼,采用小孔法測(cè)量高殘余應(yīng)力如焊接殘余應(yīng)力還存在一個(gè)適用范圍問(wèn)題,即測(cè)量高殘余應(yīng)力時(shí)應(yīng)力集中造成孔邊屈服而產(chǎn)生的塑性變形對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)量誤差的影響究竟有多大?

8、太大,測(cè)量結(jié)果就沒(méi)有實(shí)際意義。根據(jù)文獻(xiàn)2中測(cè)量Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力而選擇的應(yīng)變片(花)與鉆孔直徑配合,計(jì)算了在雙軸等應(yīng)力條件下孔邊塑性變形造成的最大誤差為5.7%3。但實(shí)際殘余應(yīng)力狀態(tài)并非如此,而是呈非等值的多軸應(yīng)力狀態(tài)。本文通過(guò)高應(yīng)力標(biāo)定試驗(yàn)及小孔法與全釋放法實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力來(lái)研究小孔法測(cè)量Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力,即實(shí)際高殘余應(yīng)力測(cè)量的適用性。2試驗(yàn)研究與討論2.1標(biāo)定試驗(yàn)及討論以14mm厚SUS321Cr-Ni奧氏體不銹鋼為材料,在ZDM30T液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上做單軸拉伸試驗(yàn),選用文獻(xiàn)2提供的兩向應(yīng)變花與孔徑配合,測(cè)量小盲孔鉆削前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。分別計(jì)算相同載荷下二者

9、的縱向、橫向應(yīng)變差x、y,用下式計(jì)算應(yīng)變釋放標(biāo)定系數(shù)A、B。標(biāo)定試板尺寸如圖1所示。圖1標(biāo)定試板尺寸注:(1)板厚11mm(2)圖中尺寸為mm式中 單軸拉伸應(yīng)力圖2是不銹鋼鉆孔前后單軸拉伸標(biāo)定測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從中可以看出在高應(yīng)力區(qū),xd、yd偏離線性程度沒(méi)有文獻(xiàn)4給出的那么大,并且比低碳鋼的偏離線性程度還要小。直到200MPa,-仍保持很好的線性關(guān)系。經(jīng)擬合計(jì)算,在0200MPa(00.73s,即母材屈服強(qiáng)度)的單軸拉伸應(yīng)力范圍內(nèi),BE120-3BA型應(yīng)變花+2.3×3.0mm盲孔配合的低速鉆小孔法測(cè)量不銹鋼殘余應(yīng)力的標(biāo)定常數(shù)A、B分別為-0.255、-0.376/MPa.這樣采

10、用標(biāo)定常數(shù)的殘余應(yīng)力的計(jì)算公式就為:圖2不銹鋼鉆孔前后單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線2.2焊接殘余應(yīng)力測(cè)量及討論采用14×300×400(單位mm)SUS321不銹鋼手工氬弧焊對(duì)接試板,焊接線能量17kJ/cm,焊條為A132。根據(jù)文獻(xiàn)2的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行整個(gè)焊接殘余應(yīng)力的小孔法測(cè)量,同時(shí)還采用全釋放法測(cè)量殘余應(yīng)力以資比較。圖3(a、b)是小孔法和全釋放法測(cè)得的SUS321不銹鋼對(duì)接接頭縱向、橫向焊接殘余應(yīng)力的大小及分布。圖3不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的分布圖3(a)的小孔法測(cè)試的殘余應(yīng)力是按標(biāo)定試驗(yàn)得到的應(yīng)變釋放系數(shù)A、B來(lái)計(jì)算表示的,而圖3(b)中小孔法測(cè)試的殘余應(yīng)力是按陳惠南公式5計(jì)算表示

11、的。從上可以看出采用標(biāo)定試驗(yàn)得到的釋放系數(shù)A、B來(lái)計(jì)算的焊接殘余應(yīng)力更符合全釋放法測(cè)試的結(jié)果。因此采用試驗(yàn)標(biāo)定應(yīng)變釋放系數(shù)A、B比計(jì)算求得的A、B更準(zhǔn)確一些。從圖3可以看出:橫向焊接殘余應(yīng)力比縱向焊接殘余應(yīng)力小,也就是說(shuō)自由對(duì)接試板由于橫向拘束小,縱向殘余應(yīng)力起主導(dǎo)作用。文獻(xiàn)6中焊接試板應(yīng)力腐蝕裂紋大都垂直于焊縫開(kāi)裂也證實(shí)了這一點(diǎn)。無(wú)論是小孔法還是全釋放法,焊縫上測(cè)量的縱向殘余應(yīng)力均為(350+50)MPa,都比母材屈服強(qiáng)度高。小孔法的測(cè)量結(jié)果表明接頭熔合線處存在最大縱向殘余應(yīng)力,峰值達(dá)540MPa。焊縫及其附近的殘余應(yīng)力之所以比母材屈服強(qiáng)度高,主要是因?yàn)?(1)奧氏體鋼有較高的熱膨脹系數(shù)和力

12、學(xué)熔點(diǎn);(2)焊縫為雙相組織,有較高的屈服強(qiáng)度(實(shí)測(cè)平均值為460MPa);(3)奧氏體鋼應(yīng)變硬化指數(shù)高,且為單相組織,不發(fā)生相變。小孔法實(shí)測(cè)不銹鋼焊接殘余應(yīng)力與全釋放法測(cè)得的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)基本吻合。從圖3b看出,只是在距焊縫中心10mm的熔合線處和縱向殘余壓應(yīng)力的偏差較大。這主要是因?yàn)槿尫欧y(cè)得的是較大切割單元(本試驗(yàn)為18×18)上的殘余應(yīng)力平均值,而小孔法測(cè)得的是鉆孔位置表面近區(qū)較小范圍(3×1.6應(yīng)變片尺寸)內(nèi)的殘余應(yīng)力平均值。如果殘余應(yīng)力均勻分布,那兩者的結(jié)果將會(huì)是一致的。殘余應(yīng)力分布不均勻時(shí),兩種方法測(cè)試的結(jié)果就存在差異,不均勻程度愈大,差異也愈大。而熔合線

13、處剛好就位于應(yīng)力分布最不均勻的陡峭處,此外殘余應(yīng)力的分布在厚度方向也存在一定的梯度,因此二者產(chǎn)生一定的差別就不難理解了。雖然焊縫及其附近的焊接殘余應(yīng)力均超過(guò)了母材的屈服強(qiáng)度,但與全釋放法測(cè)定的結(jié)果基本吻合。這說(shuō)明不銹鋼的焊接殘余應(yīng)力并不象有些文獻(xiàn)認(rèn)為的那樣,不可能超過(guò)母材的屈服強(qiáng)度,超過(guò)了,都要以母材的屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。本文的試驗(yàn)結(jié)果表明,擴(kuò)大小孔法在高殘余應(yīng)力區(qū)的測(cè)量,對(duì)不銹鋼來(lái)說(shuō)也是有效的。此外進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量繁瑣的塑性區(qū)修正從工程使用意義上講,并不是必要的。3結(jié)論(1)低速鉆小孔法適合不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量。從應(yīng)變釋放系數(shù)的標(biāo)定試驗(yàn)來(lái)看,孔邊屈服直到單軸拉伸應(yīng)力達(dá)到0.73s時(shí)才發(fā)生,低速鉆小孔法在高殘余應(yīng)力區(qū)測(cè)定的適用性比低碳鋼還要好。(2)BE1203BA型應(yīng)變花與2.3×3.0mm尺寸的小盲孔配合適合18-8型不銹鋼殘余應(yīng)力的測(cè)定,建議生產(chǎn)與BE120-3BA型應(yīng)變花相同幾何尺寸的三向應(yīng)變花,以滿足測(cè)試不銹鋼殘余應(yīng)力主應(yīng)力和主應(yīng)力方向的需要。(3)盡管采用試驗(yàn)標(biāo)定應(yīng)變釋放系數(shù)A、B得到的殘余應(yīng)力比采用計(jì)算應(yīng)