一种能够在制造现场测试焊接残余应力的方法与流程

本发明涉及残余应力测试技术领域，具体涉及一种能够在制造现场测试焊接残余应力的方法。

背景技术：

焊接是制造行业中的一种重要的加工工艺，由于其高度集中的瞬时热输入，在焊接后将产生相当大的焊接残余应力。焊接残余应力会严重影响制造过程本身和焊接结构的使用性能。因此，准确测试焊接残余应力对预测和消除实际结构的焊接残余应力具有重要意义。

焊接残余应力的测试方法可分为机械测量法和物理测量法。机械测量法是发展最早、现场应用范围最为广泛的残余应力测试方法，它是用一定的方法进行局部地分离或切割，从而使残余应力被局部释放，测定分割前后的变形，然后应用弹性力学知识来求出残余应力。常用的机械测量法有钻孔应变法、环切法等。但这些方法需要粘贴应变片，且只能测量表面或切面的残余应力大小。为了详细了解结构内部的残余应力分布，通常采用有限元与试验相结合的方法进行研究。具体为首先采用与大结构相同的焊接工艺对小试样进行焊接，采用试验方法测试简单焊接试样的残余应力分布，然后采用热弹塑性本构模型模拟简单平板焊接试样残余应力分布，并与试验结果进行对比分析，以验证有限元模拟方法的正确性，最后，采用验证的有限元方法模拟分析与其相应的大结构残余应力分布。

目前对于小型焊接试样的残余应力测试方法主要有钻孔法、x射线、压痕法、中子衍射法等，钻孔法和压痕法需要采用应变片，是一种既昂贵又耗费材料的试验方法，而x射线和中子衍射虽然不需要耗费材料，但其测试设备庞大、测试步骤较为复杂，且费用较高。

因此，需要开发出一种合适的成本低廉、测试简单的残余应力测试方法。目前，焊接完后的产品出厂之前都未进行残余应力测试。为了给用户提供可靠的数据，需要在制造厂完成一系列的残余应力测试，若能利用制造现有条件能在制造产品的同时对焊接残余应力进行测试将极大的方便测试工序。

技术实现要素：

针对上述现有技术问题，本发明充分利用制造厂的便利条件，提供了一种操作方便、成本低廉、能够在制造现场实现对焊接试样进行残余应力测试的方法。

本发明采用以下的技术方案：

一种能够在制造现场测试焊接残余应力的方法，包括以下步骤：

(1)焊接加工焊接接头小试样：

按照制造现场待测实际结构的焊接工艺焊接加工焊接接头小试样，所述焊接接头小试样的板厚与制造现场待测实际结构的板厚一致，将焊接接头小试样固定，保证焊接接头小试样与制造现场待测实际结构的焊接道数、层数及每道的焊接电流、电压、焊接速度均一致；

(2)选定残余应力测试点并对焊接接头小试样进行钻孔：

依据制造现场残余应力测试要求布置残余应力测试点，依据残余应力测试点在焊接接头小试样的相应位置处布置钻孔位置，待焊接接头小试样冷却至室温后，采用电钻机对选定的钻孔位置进行钻孔，钻孔深度依据残余应力测试点在焊接接头小试样的板厚方向的位置而定；

(3)热处理前的初始位移测量：

钻孔后，采用坐标测量机，以焊接接头小试样的焊缝中心为原点，对孔的初始位移进行测量，将热处理前沿x方向的位移记为xi，热处理前沿y方向的位移记为yi；

所述x方向为垂直于焊缝的方向，所述y方向为平行于焊缝的方向；

(4)焊后消应力热处理：

将焊接接头小试样在热处理炉中按照一定的升温速率升温至热处理温度，按规定材料的热处理保温时间进行保温，而后按照一定的冷却速率冷却至室温；

(5)热处理后的位移测量：

将热处理后的焊接接头小试样移出热处理炉，待冷却后，同样采用坐标测量机，以试样焊缝中心为原点，对孔的位移重新进行测量，将热处理后的沿x方向(垂直于焊缝的方向)的位移记为xf，热处理后的沿y方向(平行于焊缝的方向)的位移记为yf；

(6)通过比较钻孔在热处理前后的位移，测量得到热处理前后钻孔位置的变形情况：

在x方向(垂直于焊缝的方向)和y方向(平行于焊缝的方向)的变形分别通过如下公式(1)和公式(2)计算：

公式中，εx和εy分别表示沿x和y方向上的变形；

xi表示热处理前沿x方向的位移，xf表示热处理后沿x方向的位移，yi表示热处理前沿y方向的位移，yf表示热处理后沿y方向的位移；

(7)通过钻孔位置的变形计算得到钻孔位置的残余应力：

钻孔位置沿x方向(垂直于焊缝的方向)和y方向(平行于焊缝的方向)的残余应力分别通过如下公式(3)和公式(4)计算：

σx和σy分别表示沿x和y方向上的应力；e和υ分别表示弹性模量和泊松比；

由钻孔位置的残余应力即可推算得到制造现场待测实际结构的焊接残余应力。

优选地，步骤(2)中进行钻孔的钻孔直径为1～3mm。

优选地，步骤(4)中焊后热处理的升温速率、热处理温度、保温时间、冷却速率通过查询标准获得。

本发明具有的有益效果是：

1.能够充分利用制造厂的便利条件，操作方便、成本低廉、能够在制造现场实现对焊接试样进行残余应力测试。

2.较传统方法相比，可有效避免应变片等材料的浪费，免去粘贴应变等操作的麻烦。

3.本发明可测试接头内部的残余应力分布，与中子衍射测试材料内部残余应力相比，操作步骤大大简化，且测试方便。

附图说明

图1为热处理工艺曲线；

图2为变形测试示意图。

其中，1为焊缝；2为钻孔；3为热处理后试样；4为热处理前试样；△x为垂直于焊缝的方向的位移变化量；△y为平行于焊缝的方向的位移变化量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明：

结合图1和图2，一种能够在制造现场测试焊接残余应力的方法，包括以下步骤：

(1)焊接加工焊接接头小试样：

按照制造现场待测实际结构的焊接工艺焊接加工焊接接头小试样，所述焊接接头小试样的板厚与制造现场待测实际结构的板厚一致，将焊接接头小试样固定，保证焊接接头小试样与制造现场待测实际结构的焊接道数、层数及每道的焊接电流、电压、焊接速度均一致；

(2)选定残余应力测试点并对焊接接头小试样进行钻孔：

依据制造现场残余应力测试要求布置残余应力测试点，依据残余应力测试点在焊接接头小试样的相应位置处布置钻孔位置，待焊接接头小试样冷却至室温后，采用电钻机对选定的钻孔位置进行钻孔，钻孔直径为1～3mm，钻孔深度依据残余应力测试点在焊接接头小试样的板厚方向的位置而定；钻孔深度通过钻头固定装置精确控制，当钻头不再向下移动时，关闭电钻机。

(3)热处理前的初始位移测量：

钻孔后，采用坐标测量机，以焊接接头小试样的焊缝中心为原点，对孔的初始位移进行测量，将热处理前沿x方向的位移记为xi，热处理前沿y方向的位移记为yi；

所述x方向为垂直于焊缝的方向，所述y方向为平行于焊缝的方向；

(4)焊后消应力热处理：

将焊接接头小试样在热处理炉中按照一定的升温速率升温至热处理温度，按规定材料的热处理保温时间进行保温，而后按照一定的冷却速率冷却至室温；焊后热处理的升温速率、热处理温度、保温时间、冷却速率通过查询标准获得。

(5)热处理后的位移测量：

将热处理后的焊接接头小试样移出热处理炉，待冷却后，同样采用坐标测量机，以试样焊缝中心为原点，对孔的位移重新进行测量，将热处理后的沿x方向(垂直于焊缝的方向)的位移记为xf，热处理后的沿y方向(平行于焊缝的方向)的位移记为yf；

(6)通过比较钻孔在热处理前后的位移，测量得到热处理前后钻孔位置的变形情况：

在x方向(垂直于焊缝的方向)和y方向(平行于焊缝的方向)的变形分别通过如下公式(1)和公式(2)计算：

公式中，εx和εy分别表示沿x和y方向上的变形；

xi表示热处理前沿x方向的位移，xf表示热处理后沿x方向的位移，yi表示热处理前沿y方向的位移，yf表示热处理后沿y方向的位移；

(7)通过钻孔位置的变形计算得到钻孔位置的残余应力：

钻孔位置沿x方向(垂直于焊缝的方向)和y方向(平行于焊缝的方向)的残余应力分别通过如下公式(3)和公式(4)计算：

σx和σy分别表示沿x和y方向上的应力；e和υ分别表示弹性模量和泊松比；

由钻孔位置的残余应力即可推算得到制造现场待测实际结构的焊接残余应力。

实施例1

采用的焊接接头结构为：手工电弧焊，试样尺寸长×宽×高：200×200×20mm，材料为q345b，v型坡口。本发明方法中所采用的热处理工艺如图2所示。

距离表面深度为4mm处的残余应力大小见表1所示。

表1距离表面深度为4mm处的残余应力

实施例2

采用的焊接接头结构为：手工电弧焊，试样尺寸长×宽×高：200×200×30mm，材料为304不锈钢，x型坡口。本发明方法中所采用的热处理工艺如图2所示。

距离表面深度为5mm处的残余应力大小见表2所示。

表2距离表面深度为5mm处的残余应力

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。