焊接殘余應(yīng)力的測定

關(guān)于焊接殘余應(yīng)力的測定第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、實驗?zāi)康?

（1）、學習采用應(yīng)力釋放法測量焊接殘余應(yīng)力的原理和方法，初步掌握測試操作技能；（2）、加深理解對接接頭中焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律；（3）、了解焊接方法對焊接殘余應(yīng)力分布的影響；（4）、焊接工藝對殘余應(yīng)力的影響；（5）、了解一些其他測定焊接殘余應(yīng)力的方法。第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、實驗裝置及實驗材料（1）、熔化極氬弧焊（2）、直流（或交流）電焊機（3）、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（4）、預(yù)調(diào)平衡箱（5）、萬用表（6）、鉗式電流表（7）、交流電壓表（8）、16Mn鋼，Q235鋼，450×75×8mm（9）、電焊條J507,J422,φ3.2;φ4.0若干根（10）、焊絲H08A，φ1.6mm（11）、應(yīng)變片30片（12）、0號鐵砂布、丙酮或四氯化碳、502號膠、絕緣膠布、石蠟、導線、焊錫工具、釬料、釬劑、鋸條及鋸弓等。第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、實驗原理對接接頭中焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生及分布情況在電弧焊接過程中，接頭金屬及其附近母材金屬在受到電弧加熱后伸長，但這一伸長被周圍冷金屬拘束而受到壓縮。在壓縮量大于母材金屬的屈服變形量時，產(chǎn)生相應(yīng)量的塑性變形。與此同時，受熱區(qū)域的力學熔點下降，進而產(chǎn)生更大的塑性變形量。在焊后冷卻過程中，這些塑性變形被保留下來，使加熱壓縮區(qū)域產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，更遠的地區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。厚度板接頭中殘余應(yīng)力存在兩個方向的應(yīng)力，即沿焊縫長度方向（x方向）的縱向應(yīng)力和垂直于焊縫方向（y方向）的橫向殘余應(yīng)力。這兩個方向的應(yīng)力分布與施焊方法、工藝參數(shù)、焊接方式等有關(guān)。

第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二1、縱向焊接殘余應(yīng)力焊縫及其附近區(qū)中的應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，對于低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，最大拉伸應(yīng)力值一般可達到材料的屈服極限，稍離開焊縫區(qū)，拉伸應(yīng)力迅速下降，繼而出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。如圖1所示

縱向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，可用下面公式表示：

式中σxmax-最大拉伸殘余應(yīng)力；

f－拉伸殘余應(yīng)力區(qū)最大寬度的一半。第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二影響縱向殘余應(yīng)力的大小及分布因素有以下幾個方面：（1）

焊接規(guī)范和焊接尺寸（2）

焊縫長度（3）

鋼板材質(zhì)（4）

鋼的相變過程的影響（5）

焊接順序第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二2、橫向殘余應(yīng)力垂直焊縫中心線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力，它的產(chǎn)生主要是有兩個方面造成的。（1）、焊縫及其附近區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力，其分布如圖2所示的分布主要受焊縫長度的影響

（2）、焊縫及其近區(qū)的橫向收縮引起的橫向應(yīng)力這主要是由于焊縫橫向收縮的不同時引起的與焊接的順序和方向有關(guān)。如圖3所示

在一般的焊接接頭中，都存在和，所以最終的橫向殘余應(yīng)力都將有和來決定。因此影響的因素有以下幾個方面

（1）、焊接方向和焊接順序（2）、焊縫長度（3）、拘束度第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二（二）、焊接殘余應(yīng)力的測定方法及基本原理

焊接殘余應(yīng)力的測定方法按測試原理可分為應(yīng)力釋放法和物理的方法。其中以應(yīng)力釋放法應(yīng)用較為普遍。1、應(yīng)力釋放法主要包括切條法、切槽法，小孔法，逐層銑削法等，這里主要介紹切條法和小孔法。l

（1）、切條法特點：費工時，加工麻煩，完全破壞焊件，是用于實驗室進行研究工作。要求：準備仔細，加工精細，測量準確。原理：如圖4所示，將需測定內(nèi)應(yīng)力的焊件劃分幾個區(qū)域（如：橫向應(yīng)力區(qū)、縱向應(yīng)力區(qū)）在各區(qū)的待測點上貼上應(yīng)變片或加工好標距孔，然后測定他們的原始數(shù)據(jù)讀數(shù)。在靠近測量點處將焊件沿垂直于焊縫方向切斷，并在各測量點間切出幾個梳妝的切口，是內(nèi)應(yīng)力得以釋放。對于某一梳條，用電阻應(yīng)變儀量的釋放前后的應(yīng)變量差值，則相應(yīng)焊縫殘余應(yīng)力為：用同樣的方法，測出每一測量點的殘余應(yīng)力。

第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二注意事項：（1）測量結(jié)果受切條寬度影響很大，因此切條時，要盡可能使每條寬度一致；（2）貼應(yīng)變片時，應(yīng)盡可能是個片之間的距離保持均等，這樣有利于切條是保持寬度一樣。（3）切條時，切割速度不宜過快。（4）實驗鋼板厚度不宜太厚第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

（2）、小孔法

l

特點：（1）可以進行現(xiàn)場操作，測量速度快；（2)對焊件破壞性小，可以不經(jīng)塞焊件仍可使用。（3）

結(jié)果較準確小孔法是在彈性力學理論的基礎(chǔ)建立起來，圖5表示一塊鉆有小孔的鋼板，在鋼板的應(yīng)力場中鉆出一個小孔（盲孔）以后，應(yīng)力場原來的平衡狀態(tài)將受到破壞，使小孔周圍的應(yīng)力分布發(fā)生變化，應(yīng)力場產(chǎn)生新的平衡。若測定鉆孔前后小孔附近應(yīng)變量的差值，就可以根據(jù)彈性力學理論推算出小孔出的內(nèi)應(yīng)力。為了測的這種應(yīng)變量的變化，在離小孔中心一定部位處貼上應(yīng)變片，且諸應(yīng)變片間保持一定角度（圖5所示），分別測出鉆孔前后各應(yīng)變片的應(yīng)變值。便可按下式計算出主應(yīng)力的大小和方向。

第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二設(shè)原始殘余應(yīng)力為、，距測點為r處的切向、徑向應(yīng)力為、，鉆孔時產(chǎn)生的附加應(yīng)力為、，鉆孔后重新平衡時的應(yīng)力為、，其關(guān)系為：

（1）

上述情況與無限大平板（作用力σ1，σ2）上鉆一通孔（孔徑為a）后周圍的應(yīng)力變化情況是等值的，如圖5所示。、

第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二根據(jù)彈性力學知：

(2)鉆孔前的切向應(yīng)力及徑向應(yīng)力、的表達式為：

第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

（3）

由公式（1）、（2）、（3）可求出因鉆孔而產(chǎn)生的附加應(yīng)變、。第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

（1）種如圖6所示，在孔周圍貼三片電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片在半徑r測的徑向應(yīng)變?yōu)椋海?）

第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二在應(yīng)變片長度L范圍內(nèi)測得的平均釋放應(yīng)變量為：代入公式（5）（5）得到：再將公式（4）代入上式中，積分后得（7）將(7)式中的積分常數(shù)經(jīng)過適當?shù)奶幚?即可得到徑向平均釋放應(yīng)變?yōu)?(8)公式(8)即為求得焊接殘余應(yīng)力為、的基本公式.A、B稱為釋放應(yīng)變系數(shù)，他們與被測材料的E、μ，應(yīng)變片尺寸（r1、r2）應(yīng)變片布位置，孔的半徑a及孔的形狀等有關(guān)，具體數(shù)據(jù)可通過實際標定結(jié)果來確定。

第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二2、物理方法

物理方法包括磁性法、超聲波法、x射線衍射法等。特點：測量應(yīng)力時不必破壞焊件這里主要介紹一下磁性法和x射線衍射法

第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二（1）、磁性法原理：鐵磁材料具有如下的性質(zhì)，在磁化時，如果在應(yīng)力作用（產(chǎn)生應(yīng)變）下，則材料的導磁性能要發(fā)生變化，即同一種材料，有應(yīng)力作用和無應(yīng)力作用，其磁化曲線是不同的。在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，初始導磁和應(yīng)力成線性關(guān)系，如圖8所示，當材料受拉伸時，導磁性增加，受壓時導磁性減小。

第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二我們知道，一個閉合磁路的磁阻R是由磁探頭本身的磁阻R1和式樣的磁阻R2的總和，即：式中：S是有效面積，L是磁路的有效長度，、分別是探頭和試樣的導磁率,因為應(yīng)力只影響到的變化，所以磁阻的相對變化為：第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二圖10應(yīng)變與導磁性的關(guān)系

第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二如果用高導磁材料的槽型鐵芯做探頭，如圖9所示。當探頭與被檢測的試樣表面接觸時，形成一個封閉的磁路。假設(shè)在試樣兩端加一壓力，由于壓應(yīng)變的作用使試樣導磁發(fā)生變化，壓力越大，變化越大。磁阻發(fā)生變化，使橋路產(chǎn)生不平衡電流，直流表有電流輸出。不同的材料，受力后導磁的變化是不同的。第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二圖8應(yīng)變與導磁性的關(guān)系第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二圖9探頭示意圖第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二我們知道，一個閉合磁路的磁阻R是由磁探頭本身的磁阻R1和式樣的磁阻R2的總和，即：式中：S是有效面積，L是磁路的有效長度，、分別是探頭和試樣的導磁率,因為應(yīng)力只影響到的變化，所以磁阻的相對變化為：第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二我們組成如圖10所示的橋路電路，用兩個探頭測試，用其中一個探頭放在沒有應(yīng)力作用的試塊上，作為補償探頭，另一個探頭放在要檢測應(yīng)力作用的試板上，作為工作探頭。開始時，把兩個探頭均放在沒有應(yīng)力的試塊上，是電橋平衡。電流表沒有電流輸出，若其中一個試塊受到力的作用，則試塊的導磁要發(fā)生變化，導磁的變化引起橋的一個臂磁阻發(fā)生變化，使橋路產(chǎn)生不平衡電流，直流表有電流輸出。不同的材料，受力后導磁的變化是不同的。第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二

一般來說，我們需要對檢測的材料先進行標定試驗，如壓縮標定，是把試件放在萬能試驗機上找出壓應(yīng)力和輸出電流值的關(guān)系，如圖10所示，標定曲線近似一條直線。

k為靈敏系數(shù)，若實際結(jié)構(gòu)存在單向壓應(yīng)力，只要用探頭測出其不平衡電流，既可求的壓應(yīng)力的大小，(Kgf/mm2)(Kgf/mm2)第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二存在雙向應(yīng)力對于存在雙向應(yīng)力的情況，當工作探頭在一個方向測量時，不僅探頭方向的應(yīng)力對該方向的導磁率有影響，其他方向的應(yīng)力也會影響到探頭方向?qū)Т诺淖兓?，所以所測得不平衡電流輸出是雙向應(yīng)力狀態(tài)綜合作用的結(jié)果。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，探頭在主應(yīng)力方向時，輸出電流（I）具有最大值或最小值。測量時，不斷地轉(zhuǎn)動探頭。根據(jù)測量電路輸出電流的最小值（最大主應(yīng)力的方向）和最大值（最小主應(yīng)力的方向），即可找到主應(yīng)力的方向。另一方面，主應(yīng)力差（）于輸出電流值差（）近似成線性關(guān)系。這樣，可以通過測定輸出的電流值來決定主應(yīng)力差的大小。根據(jù)主應(yīng)力差和主應(yīng)力方向，可計算出整個平面的應(yīng)力狀態(tài)。第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二標定試驗及數(shù)據(jù)處理為了測出焊接殘余應(yīng)力，首先要選擇和被測材料成分相同，熱處理狀態(tài)相同的試件作為標準試件和補償時間進行標定試驗。拉伸試件可采用：315×60×12mm壓縮試件可用：100×30×15第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二標定方法：標定時，補償探頭置于無應(yīng)力的補償試件上，測量探頭則在標定試件的某一點上，先后在平行于作用力方向和垂直于作用力方向上測量。當作用力為拉應(yīng)力時，受力方向的輸出電流較小，而與受力方向垂直的方向輸出電流較大。壓應(yīng)力作用時，情況相反，在受壓應(yīng)力方向輸出較大值，而在受力垂直方向輸出較小值。第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二如果在坐標系中，取主應(yīng)力差為橫坐標，電流差為縱坐標，則Δσ～Δi的關(guān)系為一近似直線。在被測點上轉(zhuǎn)動探頭，根據(jù)輸出電流為最大值及最小值的方向，就可確定主應(yīng)力的方向。根據(jù)所標定的主應(yīng)力差與輸出電流差曲線，就可以進行測量被測點的電流值（主應(yīng)力差）和主應(yīng)力方向，然后利用切應(yīng)力差法，求得各點的應(yīng)力數(shù)值。第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二圖10應(yīng)變與導磁性的關(guān)系

第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二根據(jù)彈性理論，平面應(yīng)力狀態(tài)的平衡方程為：假設(shè)代數(shù)值較大的為，與x軸夾角的為θ，則：第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二式中：

，

分別為x=x0,y=y0處的應(yīng)力值。若x=x0，y=y0為自由邊界，則、很容易確定。由于任意一點的都可以直接測量，所以各點的和都可以計算出來，從而各點的、值都可以確定。實測結(jié)果及應(yīng)用舉例有人對對接頭的縱向應(yīng)力及橫向應(yīng)力進行測試比較，與小孔釋放法相比，只平均相差20~30N/mm2，與全破壞應(yīng)力釋放法很相似。磁測法的優(yōu)點：簡便，成本低廉，是一種無損的測定方法。第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二磁測法測出的應(yīng)力在電源頻率f=50HZ是為探頭范圍（15*15mm）內(nèi)1.5mm深的平均應(yīng)力。改變f可改變測量深度式中：ρ—電阻率μ—相對導磁率f—電頻測量前的準備要求：測量表面清潔干凈，用砂紙打磨到表面粗糙度3.2~1.6μm。存在的問題：1、

探頭尺寸還過大，對于測量應(yīng)力梯度過大的區(qū)域不夠準確。2、

關(guān)于焊接接頭的組織不均勻性，化學不均勻性對測量精度的影響尚不清楚。第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二X射線衍射法

X射線衍射法是根據(jù)測定金屬晶格常數(shù)在應(yīng)力的作用下發(fā)生變化來測定殘余應(yīng)力的?；驹恚航饘俨牧鲜怯砂匆欢c陣排列的晶體組成的，而晶體內(nèi)某一取向的晶面之間的距離是一定的。如果能測量出無應(yīng)力狀態(tài)下的晶面間距與在某一應(yīng)力作用下的晶面間距的差值，就能計算出應(yīng)力的大小。X射線衍射法就是以晶面間距作為應(yīng)變測量的標距，通過測量晶面間距的變化來確定應(yīng)力數(shù)值的。第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二假若試件受拉應(yīng)力F作用，則其應(yīng)變?yōu)椋?/p>

應(yīng)力為

其橫向應(yīng)變?yōu)椋阂虼嗽嚰?nèi)若某晶粒內(nèi)與受力方向平行的晶面間距原為d0，在σy的作用下，產(chǎn)生了Δd的變化，于是

第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二X射線衍射：當入射的X射線受到晶體內(nèi)各原子的散射，這些散射線的波長和頻率都與入射的X射線相同，這些射線之間的相互作用，就會在他們的傳播空間形成某些方向的互相加強或減弱的現(xiàn)象。在散射線傳播空間必須時光程差微X射線波長的整數(shù)倍時才會加強。布拉格定律給出了X射線受晶體散射時散射線互相加強的方向與入射線的波長及晶面間距的關(guān)系：式中d—晶面間距θ—入射線與散射線所成的角度n—衍射級數(shù)，任意正整數(shù)λ—X射線的波長第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二測出X射線衍射儀發(fā)生的X射線向某類晶面的入射角θ，就可以算出晶面間距d，從而求得焊件表面內(nèi)應(yīng)力的數(shù)值。優(yōu)點：非破壞性。缺點：只能測定表面應(yīng)力；對被測表面要求較高；要求避免由局部塑性變形所應(yīng)起的干擾；測試所用設(shè)備比較昂貴

第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、實驗方法及步驟（一）、實驗準備1、分別采用熔化極氬弧焊及焊條電弧焊方法，取相同的焊接線能量，將經(jīng)高溫回火尺寸如圖所示的16Mn（A3）鋼各焊一對接接頭，或進行表面縱向堆焊，此時焊前鋼板需要開600坡口。2、用0號鐵砂布打磨試板接頭待測應(yīng)力部位表面，使表面光潔度達到▽6，然后用丙酮或四氯化碳進行擦洗，以除去表面油污等有機物及磨屑等。第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二、

用502號膠按圖4所示，將電阻應(yīng)變片牢貼于試板各測量位置，應(yīng)變片盡可能選用阻值相同，貼片后進行24小時自然干燥，若是加熱干燥，則溫度不得高于80℃。4、

用數(shù)字萬用表測量電阻片的粘貼質(zhì)量，并要求應(yīng)變片的引線與試板間的絕緣電阻不小于200MΩ。將電阻應(yīng)變片的引線與導線用錫焊法焊在一起，而后用電工絕緣布纏繞并封蠟

第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二（二）、應(yīng)變測量

1、

將接頭試板上各應(yīng)變片按號順序接入附有預(yù)調(diào)平衡箱的電阻應(yīng)變儀回路。2、

用電阻應(yīng)變儀測量接頭試板上各應(yīng)變片的初始應(yīng)變讀數(shù)及

，并記錄下數(shù)據(jù)，最好用預(yù)調(diào)平衡箱將各應(yīng)變片的初始應(yīng)變數(shù)均調(diào)至零。3、

將試板夾于虎鉗上，用手鋸按圖4部位及尺寸鋸成梳狀切口，帶試板溫度恢復(fù)至室溫后，用電阻應(yīng)變儀再次測量接頭試板上各相應(yīng)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變讀數(shù)及，并記錄下數(shù)據(jù)。第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期二一、實