（工程力学专业论文）中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究.pdf

大连理，t 大学硕士学位论文 摘要 焊接结构中不可避免地存在着残余应力，焊接残余应力的存在严重的影响着结构的 使用性能，因此对焊接结构中残余应力的测量是非常重要的。残余应力测试技术从上世 纪3 0 年代开始为人们关注并从事研究工作，发展至今天，出现了一系列的测试方法，其 中盲孔法在工程中应用最为广泛。但目前这一方法仍存在一定的不足，即在测量时易受 钻孔的切削用量的选择、孔距的合理选择、孔边塑性变形和孔径尺寸等的影响，为了提 高其精确度和准确性，仍需做大量的工作。 本文针对钻孔时由切削力、切削热引起的附加应变和孔边塑性变形所带来的误差， 对盲孔法测量残余应力进行了研究和改进，具体内容如下： ( 1 ) 文中通过控制钻孔时的进刀量，来减少切削力和热效应的影响。即在测点钻孔 后进行多次扩孔的操作，同时，按标准要求每次钻孔时孔深选择( 1 1 2 ) 倍的孔径值， 以确保在各个深度方向上能够较好的获得释放应变。通过对预制残余应力的试件进行测 量，并由标定实验获得应变释放系数a 、b 可分别计算改进后盲孔法和传统测量法与标 定应力的偏差，进而判断改进方法的有效性。 ( 2 ) 通过对应变释放系数爿、b 进行修正来消除孔边塑性变形对测量精度的影响。 进行大拉力标定实验，获取孔边发生塑性时应变释放系数随应力的变化的关系，以及材 料的形状改变比能参量s 与应变释放系数的关系，进而可以获得基于形状改变比能s 的 应变释放系数一、b 的塑性修正公式。 ( 3 ) 应用有限元方法，建立三维有限元模型进行模拟和分析，同样可获得应变释放 系数、b 在弹性状态的标定值和孔边塑性修正公式。并将有限元分析结果与实验结果 进行比较，判断应用有限元方法分析的可行性。 实验结果表明：采用改进的盲孔法进行测量，有效的减少了切削力、切削热的影响， 提高了测量精确度；对应变释放系数a 、b 进行塑性修正，使得塑性引起的误差大大减 少；有限元分析方法可达到标定和修正的目的，方法可行。 关键词：焊接残余应力；盲孔法；扩孔；应变释放系数；f e a 基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究 r e s e a r c ho nm e a s u r i n gw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s so fp l a t eo fm o d e r a t e t h i c k n e s su s i n gb l i n d h o l em e t h o d a b s t r a c t t h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s se x i s t si nw e l d i n gs t r u c t u r e i n e v i t a b l y a n di n f i u e n e e st h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs t r u c t u r e t h e r e f o r e a c c u r a t em e a s i l r e m e n to fr e s i d u a ls t r e s si sv e r y i m p o r t a n t s i n c e1 9 3 0r e s i d u a ls t r e s st e s t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ne n g a g e di nr e s e a r c h a sy e t , t h eb l i n d - h o l em e t h o di st h em o s te x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n g , b u ti ts t i l le x i s t s o m el a c k s ，j u s ta st h er e a s o n a b l ec h o i c eo fc u t t i n gm e a s u r ea n ds p a c ea m o n gh o l e s ，p l a s t i c d e f o r m a t i o ni nd r i l l i n gb o u n d a r ya n dt h ea p 盯t i | r c ，i no r d e rt oi m p r o v et h e i rp r e c i s i o na n d a c c u r a c y w es t i l ln e e dt od ol o t so f w o r k i n t h i sp a p e r , t h r o u 曲a n a l y s i sa c c e s s i o n a ls t r e s sb yc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gh e a t c a u s e da n dp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nd r i l l i n gb o u n d a r y t l l eb l i n dh o l em e a s u r i n gr e s i d u a ls t r e s s h a sb e e ns t u d i e da n di m p m v e d , a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ed r i l l i n gm e a s u r et or e d u c et h ee f f e c to f c u t t i n gf o r c ea n dh e a t , t h a ti sm o r et h a no n c et ow i d e n i n gh o l ea n di n c r e a s i n gd e p t hm o r et h a no n c e ；a c c o r d i n gt ot h e t e s ts t a n d a r d s h o l ed e p t hi sf r o m1 2t i m e st h ea p e r t u r e t oe n s u r et h a ta l lt h ed e p t hd i r e c t i o n o w nb e t t e rr e l e a s es t r a i n b ym e a s u r i n gi np r e f a b r i c a t e dr e s i d u a ls t r e s sp i e c e s t r a i nr e l i e f p a r a m e t e r saa n dba l e v e r i f i e db yt e n s i o nt e s t , c o m p a r i n gt w om e t h o d sw i t ht h e p r e f a b r i c a t e ds t r e s s ，t o j u d g et h ef e a s i b i l i t yo f i m p r o v i n g ( 2 ) t oe l i m i n a t et h ea 行b c to ft h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n , s t r a i nr e l i e fp a r a m e t e r saa n db w a sm o d i f i e d b yal a r g ef o r c et e n s i o ne x p e r i m e n t s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i nr e l i e f p a r a m e t e r s a n d s t r e s s ，e n e r g y p a r a m e t e r s w a s o b t a i n e d , t h e v a r i a t i o n f o r m u l a o f s t r a i nr e l e a s e f a c t o r sw i t he n e r g yp a r a m e t e rsw a so b t a i n e d ( 3 ) a p p l i c a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a3 一df i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sm a d et o s i m u l a t ea n da n a l y z e d , a c q u i r i n gt h es t r a i nr e l i e fp a r a m e t e r sa n dp l a s t i cm o d i f y i n gf o r m u l a f e a c o m p a r e dt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t st od e t e r m i n et h ef e a s i b i l i t yo f f n i t ee l e m e n tm e t h o d t h er e s u l t ss h o w ：i m p r o v e db l i n dh o l em e a s u r i n gm e t h o dc o u l dr e d u c et l l ee r r o rb y c u t t i n gf o r c ea n dh e a t , a n di m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y ；m o d i f i e ds t r a i n r e l i e f p a r a m e t e r saa n dbu n d e rp l a s t i cf o r m a t i o ng r e a t l yr e d u c e dm e a s u r ee r r o r t h er e s u l t so f f e m a n a l y s i sc a na l s oa c h i e v et h es a m ep u r p o s e t h em e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ； s t r a i nr e l i e fp a r a m e t e r ； b l i n d - h o l em e t h o d ；r e a m i n gh o l e ； f e a 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 垒纽日期：纽：f ：塑 太连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 圣塑f 导师签名：星挺盘蝗 互垒砰月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 工程结构体在机械加工和热加工的过程中都会产生不同的残余应力。残余应力的存 在对结构材料的力学性能有着重大的影响，焊接结构的制造和热处理过程中尤为明显。 以本文选题宝钢2 5 0 t 转炉为例，转炉炉壳属于大型壳体结构，由于焊接残余应力的存在， 使其在服役过程中工作应力与残余应力叠加，实际应力提高，进而影响到炉壳强度、疲 劳、屈曲和抗应力腐蚀能力等性能，对转炉安全构成潜在危险。因此，残余应力的检测对 于热处理工艺、表面强化处理工艺、消除应力工艺的效果及废品分析等等都有很重要的 意义。 1 1 文献综述 钢材料焊接时在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处可达1 5 0 0 c 以 上，高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约束，从而在焊件内引起较高的 温度应力，在焊接过程中随时间和温度而不断变化，称为焊接应力i ”，焊接应力较高的 部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力。 而焊接残余应力的存在，将直接影响到结构体的承载能力。 1 1 1 焊接残余应力产生的原因 焊接残余应力产生时的状况，在实际情况下是相当复杂的，其应力的大小与分布因 焊接构件的形状、尺寸、焊接方法等而异。就其产生原因及过程关系由文献【2 】可知有下 列三种情况。 ( 1 ) 焊接热应力是因为焊接时，焊接热源是移动的，对金属构件进行局部的不均匀 加热和冷却，在材料内某些部分就会存在温度梯度。在加热过程中不均匀的焊接温度场 使金属热膨胀受阻，从而在加热区形成了局部的压缩塑性变形区；在冷却过程中，受压缩 的塑性变形区的金属收缩受阻，于是由加热和冷却的温度梯度而产生了焊接热应力，这 是焊接残余应力起主导作用的部分。 ( 2 ) 约束应力是焊前加工状况造成的，由于约束不同，不均匀的作用力及构件内部 组织的浓度差或晶粒的位向差等，使各部分显示的不同的屈服行为为而引起构件的不均 匀变形产生了约束应力。 ( 3 ) 相变应力是焊接过程对金属构件局部不均匀加热和冷却导致金属组织的变化而 引起体积的变化，产生了相变应力，相变部分的宽度与残余应力产生的状况直接有关。 例如，在压力容器制造过程中反修焊接部位，相变部分加宽，则焊接残余应力较其它部 位大些。 基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究 1 1 2 焊接残余应力对焊接结构的影响 由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却过程，受焊缝及其附近焊缝区温度场 的影响，焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力应变场。在焊件服役过程中， 焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余 应力的重新分布，这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共 同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂 和高温蠕变开裂的能力。现代大工业生产与新技术的迅猛发展，对焊接技术提出了更高 的要求高质量、高经济性和高可靠性。焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能、 安全可靠性的重要因素，它在一定条件下，会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸 精度等产生十分不利的影响i j j 。 ( 1 ) 对结构刚度的影响为外载荷产生的应力。与结构中某区域的残余应力叠加之和 达到屈服点。这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载荷的能力， 造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时( 例 如工字梁上的肋板焊缝) ，或经过火焰校正，都可能在相当大的截面上产生残余拉伸应 力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特 别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下 降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。 ( 2 ) 对受压杆件稳定性的影响当外载荷引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和 达到盯。，这部分截面就丧失进一步承受外载荷的能力，这样就削弱了杆件的有效截面 积，并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。残余应力对受压杆件稳定性的影 响大小，与残余应力的分布有关。 ( 3 ) 对静载强度的影响如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外 力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限， 发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降， 导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变 形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。 ( 4 ) 对疲劳强度的影响残余应力的存在使变荷载的应力循环发生偏移，这种偏移只 改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关。当应力循环的 平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉伸残余 应力，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余应力的影响也就越显著，因此，提高 疲劳强度，不仅应从调节和消除残余应力着手，而且应从工艺和设计上来降低结构的应 力集中系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。 大连理工大学硕十学位论文 ( 5 ) 对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响季节加工把一部分材科从焊件上切除时， 此处的应力也被释放。残余应力的原来平衡状态被破坏，焊件产生变形，加工精度受影 响。组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在温室下的应力松弛微弱，因此内应力随时 间的变化较小，焊件尺寸比较稳定。低碳钢在室温下长期存放，数值为以的原始应力可 能松弛2 5 - - 3 ，如果原始应力较低，则松弛的比值将有所减少，但若环境温度升高至 l o o o c ，松弛的比值将成倍增加。 ( 6 ) 对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是残余拉应力和化学腐蚀共同作用下产生 裂缝的现象，在一定的材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力 大小有关，残余拉应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。 1 ，1 ，3 焊接残余应力的测量 残余应力的测量问题，早在本世纪3 0 年代就已为人们关注并开始从事研究工作， 并且均使用破坏性较大的机械测量方法。4 0 年代中期以来，由于电阻应变计( 片) 的发 明，电测法有了很大的发展，它与机械法配合使用，大大降低了机械测法对构件的破坏 性。目前测量残余应力的方法【2 巧1 按其对结构是否破坏来讲，有全破坏法、半破坏法和 无损法，按其测试原理来讲，可分为机械测定法和物理测定法。机械释放测量方法主要 包括截条法、逐层剥层法、g u n n c r t 切铣环槽法、盲孔法、钻阶梯孔法、套取芯棒法、内 孔直接贴片法、以及释放管孔周应变测量法。物理测量方法主要有x 射线衍射法、磁胜 法、超声波法以及固有应变法等。 ( 1 ) 全破坏性测量方法 截条法是应力全释放法的一种，属于全破坏型测量方法。是最早采用的残余应力测 量法。焊接残余应力作为宏观应力，将分布于焊接接头内部，如果将焊件分割成许多小 条，以解除条与条之间的互相拘束，则每一条中因拘束而产生的残余应力也就被释放， 其中的弹性内应变也被释放出来。这样，只需要测出焊件上每一条分割后的长度，计算 出各个小条中的焊接残余应力。所测出的应力是整个小条尺寸范围内的平均应力，小条 的长度和宽度尺寸越小，测量的精度也越高。 采用全释放分割法测量焊接残余应力时，必须把整个焊件或其中一部分逐条逐块分 割，工作量大而且复杂。一般都是测量焊件的某一截面或其某一局部区域的残余应力状 态。测量后的焊件一般不能再用，所以，该方法不宜对工程实际结构进行测量。然而， 这种测量方法有严密的理论根据，数据可靠，测量技术易于掌握，因此该法被广泛用来 作为实验验证手段，是校核其他测量理论的可靠方法。 基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究 但) 局部破坏性测量方法 小孔释放法和套孔释放法，其中尤以小直径盲孔法因对工件损伤较小、测量较可靠， 已成为现场实测的一种标准试验方法( 见a s t me 8 3 7 - - 8 1 ) 。盲孔法是m a t h e r j 在1 9 3 2 年提出，后由s o e t e 发展完善而形成系统理论。盲孔法属于典型的局部破坏型测量方法， 它是利用构件在待测点钻一定深度的小孔后，部分应力释放，使残余应力重新分布。从 弹性理论可以计算出应力释放前后的应力分布规律，利用应力应变关系，便可求出应力 大小。在采用盲孔法进行残余应力测量是，需要先在构件上贴好应变片后，通过机加工 手段，使残余应力释放，如贴在构件上的应变片产生a 的变形，其阻值变化a r ，通 过应变仪测出阻值变化，因为应变片初始阻值已知，故可根据公式计算出应变值，进而 计算出应力值。 竺：七丝：k ( ) r三 、 ( 3 ) 非破坏性测量方法 磁测法磁测法的基本原理是利用铁磁物体在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来 测量残余应力的。在初始磁化阶段，在具有正磁致伸缩效应的铁磁体中，当施以应力作 用时，沿拉伸方向上磁化所消耗的能量要比垂直于拉伸方向的小得多，即在拉伸方向较 易磁化。这样由于应力作用，原来宏观上各方向导磁率相同的磁各向同性体，变为磁各 向异性体，即在无应力状态下的导磁率在应力作用下将会发生相应的改变。磁性法测定 残余应力就是通过测得某一小范围内各个方向的导磁率变化来反映出该区域的应力状 态。 文献【3 采用c o y 一8 4 型双探头磁应力仪及自行设计研制的自平衡型单探头磁应力仪 对镍金属的力一磁特性进行了部分研究，为镍金属构件的残余应力的磁性法无损检测时 拉、压应力符号的正确判定提供了理论依据。通过镍金属的力一磁标定试验结果揭示了 镍金属具有明显的“拉磁效应”，这就表明，当进行镍金属构件的残余应力磁性法无损 检测时，要特别注意拉应力和压应力的符号的正确判定其次，镍金属具有比低碳钢高 的力一磁信号强度，这一特性使得镍金属构件残余应力磁测法用的传感器检测面积有可 能进一步减小( 直径小于7 m m ) 。 用磁性法测定焊接残余应力最为简便，成本低廉，更为重要的是它是一种无损的无 破坏性的测定方法。虽然磁性法的探测深度有限，在5 0 h z 时，对低碳钢来说，它的探 测深度约为1 5 m m 左右，但这对大多数构件来说，己经是足够的了，其他条件一定时， 测定精度取决于标定精度、探头尺寸( 所测得的应力数值是以探头磁极距离为直径的范 围内的平均值) 以及探头和待测表面的耦合情况。现在的磁应变仪的探头尺寸都能达到 大连理工大学硕士学位论文 1 0 m i n x l o m m 。对于焊接接头来说，组织不均匀性，有时还有化学不均匀性，对磁性法 测定残余应力的精度影响，以及剩磁对磁测过程的影响还有待于进一步进行研究。磁性 法只能用于铁磁材料的应力测量，这就限制了它的应用范围。 x 射线法x 射线应力测量方法进入实际应用是1 9 6 1 年由德国e m a c h e r a u c h 实现，随后g l o c k e r 将其简化，精度略有降低但测试手续简化，节省了测试时间。它的 测量原理就是利用晶体中粒子的相互间位置在外力作用下发生了变动，当晶格点之间的 距离发生变化时，晶面之间的距离也相应的发生变化。而相同空间取向的相邻晶面，其 格点分布排列也相同与面的间距，在弹性应力作用下产生的间距变化也相同。在用x 射线测定残余应力时，根据入射线波长和最佳衍射角来选择被测材料中衍射晶面，再求 出此晶面的弹性常数k 才能测定应力。 x 射线测量法的优点就是无损，可以反复测量，不利之处在于对工件表面处理的要 求很高，测量精度受很多因素的影响，而且测量的深度有限，只能在表面下1 0 p m 左右， 可看成是其表面的层深了。 利用x 射线衍射法测量某铝合金厚板结构时，就因为板材拉伸过程中产生的微观应 力使晶粒内原子面间距发生变化而导致测定宏观残余应力时产生较大的误差。 超声法利用超声波进行应力测量是依据声弹性效应，即应变引起的超声波速 度的变化。按照声弹性理论，只要变形处在材料的弹性范围内，则速度与应力呈线性变 化。用超声波进行应力测试一般是在应力水平比较高的状态下进行，这是因为在应力值 较低时，影响声速变化的因素不仅仅有应力因素，还有温度因素，这两种因素的叠加才 能得到在低应力水平下的声速实际值。所以要在低应力水平下精确测定应力值，需在常 温，而且其温度变化量几乎为零的情况下进行。 其它方法文献【6 殖过在被测工件表面的球冠形压痕造成外加应力场，建立起根据外 加应力场和残余应力场引起的应变增量计算残余应力的新方法，该方法基本不损伤工 件，有较高的测试精度和工程现场的实用性。压痕造成的叠加应变增量用应变花测量， 压痕相对应变花的几何位置采用与盲孔法测定残余应力相同的装置保证。对两块几何尺 寸不同的1 6 m r 钢板进行了实测，压痕法测试完成后，在距压痕断面3 0 m m 的断面位置 上用全释放法测量残余应力以作对比结果表明，用压痕法测得的残余应力分布符合一 般焊接残余应力分布规律，并且与全释放法有较好的对应关系。 1 1 4 焊接残余应力的消除 参照文献【7 】总结焊接残余应力调整和松弛的方法主要分热处理和加载法两类： 基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究 ( 1 ) 热处理法热处理法是采用各种加热方法，采用小同的土艺程序，利用高温时 材料屈服强度下降和蠕变现象，达到松弛焊接残余应力的目的，同时还可以改善焊接接 头的性能，提高其塑性。 生产中常用整体高温回火和局部高温回火两种方式，即将结构整体或局部( 只对焊 缝及其附一近的局部区域) 缓慢的均匀加热到一定温度( 通常为6 0 0 6 5 0 x 2 ) ，然后保温一 段时间，最后在空气中火炉内冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度，材料的 成分和组织，也与应力状态，保温时间有关。整体高温回火可将8 0 0 一9 0 以上的残余应 力松弛掉。局部高温回火消除应力的效果小及整体热处理，但可降低残余应力的峰值， 使应力分布比较平缓。 ( 2 ) 加载法加载法是施加载荷使焊接接头拉伸，并且使其残余应力区产生塑性变 形，而达到松弛残余应力的目的。生产上采用的加载法有机械拉伸法、温差拉伸法和振 动法三种： 机械拉伸法对焊后的结构进行加载，使焊接接头塑性变形区得到拉伸，可减少 因焊接引起的压缩塑性变形量，使内应力降低。加载应力约稿，压缩塑性变形就抵消的 越多，内应力也消除的越彻底。 温差拉伸法( 低温消除应力法) 在焊缝两侧各用一个宽度1 0 0 1 5 0 m m 的氧一乙 炔焰喷嘴加热焊件，使焊件表而加热到2 0 0 0 1 2 左右，在加热炬后而一定距离，随之喷水 冷却，这样可造成一个两侧高温，焊缝区低温( 约为1 0 0 x 2 ) 的温度场。两侧的金属因受热 膨胀，对温度较低的焊缝区进行拉伸，产生拉伸塑性变形，以抵消焊接时的压缩塑性变 形，从而消除应力。 振动法在结构的拉伸残余应力区施加振动载荷，使振源与结构发生稳定的共 振，利用稳定共振所产生的变载应力，使焊接接头拉伸残余应力区产生塑性变形，达到 松弛焊接残余应力的目的。 1 2 盲孔测试法的国内外发展研究现状 小孔释放法测量焊接残余应力是由德国学者j m a t h a r 于1 9 3 4 年提出的，后经w s o e t e 和r v a n c o m b r u g g e 等学者的发展，使测量精度大为提高。美国材料实验协会于 1 9 8 1 年首次颁布a s t m 标准e 8 3 7 - - 8 1 “用钻孔应变法测量决定残余应力的标准方法”， 说明小孔释放法己可应用于工业。目前小孔释放法因其简单易行、测量精度高而在焊接 残余应力的测试中获得了广泛的应用。 根据钻孔是否钻通，小孔释放法又可分为通孔法和盲孔法。目前通孔测试技术已经 很成熟，且对通孔的应力可直接应用k i r s c h 理论解计算出，但通孔通常仅用于薄板， 6 一 大连理工大学硕士学位论文 工程应用中对厚板的残余应力测试较多，且通孔法对零件造成的破坏性和导致的应力集 中程度，在一般设计中是不容忽略的。为了使盲孔测试方法较好地满足于工程应用，有 必要对盲孔测试方法进行更近一步的研究。近些年来国内外学者对盲孔法进行了深入地 研究，取得了很多成果。 1 2 1 盲孔法存在的主要问题 钻盲孔法检测焊接残余应力由于其操作简便、测量方便、具有一定的精度、对构件 损伤程度小等特点而广泛地应用于实验室研究和生产现场的残余应力测试。然而，因影 响盲孔法测试精度的因素很多，如基本理论与实际情况的误差、孔位偏移、孔深与孔径 误差、应变仪零漂、应变片粘贴质量及灵敏系数误差、钻削引起的附加应变、边界与孔 边距以及因钻孔引起应力集中所导致孔边缘塑性变形等，通常要对测试值作相应修正后 方能使用。 根据现有资料【”，一般认为由钻孔不可避免的偏心所引起的误差在5 - 1 5 之间， 由应变计横向效应引起的误差可达7 1 5 ，由应变计粘贴角度的偏差而造成的误差约 5 ，由应力集中引起孔边塑性变形对测量的影响造成的误差更大，另外，钻孔直径和 贴片尺寸的选择以及钻孔切削用量的选择等等都有可能造成测量误差，有的文献甚至认 为钻孔法测残余应力的总误差可能高达3 0 。正因为上述原因，标准e 8 3 7 - - 8 1 认为“目 前还没有足够的资料评价本方法的精度和准确度”，e 2 8 1 3 委员会将进行一系列试验 以评价本方法的精确度和准确度”。 1 2 2 盲孔法的国内发展状况 盲孔法近年来在国内也得到了蓬勃发展， 1 9 9 2 年已将其列入船舶行业标准 。国 内一些学者从各个角度对盲孔法进行了研究，使盲孔法测残余应力逐渐趋于完善，提高 了其实用性 现有的一些研究成果主要是提高释放系数的精度，因为盲孔法测残余应力的主要任 务之一就是获得精确的释放系数彳、占。 候海量等人吲对9 2 1 a 钢进行了研究，得出了孔深与孔径比对释放系数a 、b 的影 响孔深成为对盲孔法测残余应力精度的主要影响因素，并给出了释放系数随孔深与径 比的变化趋势图。裴怡等人“”通过研究孔深与孔径比对彳、口的影响，给出了实际测量 时的最佳孔深与孔径比范围，认为孔深与孔径比在1 2 - 1 5 时，测量效果最好。 还有一些文献分析了孔口塑性应变对测量精度的影响。文献【1 l 】给出了影响孔口塑 性应变的因素，认为塑性应交由钻孔的加工过程和孔边应力集中引起的，提出了消除钻 孔附加应变的方法，并给出了孔边应力集中引发塑性应变大小的计算公式。文献0 2 给 基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究 出了钻孔产生的塑性应变影响，指出切削应变与残余应力有关，并给出了相应的关系式。 文献【1 3 】给出了单向和双向应力下状态下的塑性修正公式，在双向应力状态下，孔边应 力集中的影响导致的塑性应变比单向应力状态下要复杂得多，除与主应力吼、以有关 外，还与主应力仉、以的比值及其主方向角有关。 对孔边塑性应变的修正，参考文献【1 4 提出了a 、b 系数分级法，让a 、b 系数中包 含由塑变引起的附加应变岛，第一级为弹性范围内的a 、b 不含占，以后每一级一、占 中包含一定量的占。，用以抵消实测中相应应力水平下绝大部分的s ，；参考文献d s 针对 高残余应力状态对4 、口系数进行了修正，以一定应力应变状态下形状改变比能的大小 s 来做为判据，认为s 达到极限时开始发生塑性变形，据此，对应变释放系数爿、口进 行修正，此方法可将测量高残余应力的误差大大减小。参考文献 1 6 】通过理论分析和双 向应变花标定，算出一组自q ，和岛，并将它们从q 和岛中减去，使毛和毛更接近气 和毛，。进而用修正过的毛和毛计算另一组毛。和岛。，不断迭代，即可求得真实的应力 值。参考文献【1 7 】中，对单向和双向应力状态下的占。标定结果进行回归分析，确定了塑 性附加应变与主应力和主方向角卢的函数关系，计算了应变片所测量的应变中所含。、 乞。、毛。，用以修正孔边塑变。参考文献【1 8 】论述了在孔边发生塑变时，应变释放系数 a 、b 与双轴比q 应变片1 与主应力方向夹角以及等效应力以。有关，忽略其中任何一 个因素都会产生2 0 以上的误差。所以针对高残余应力下的4 、占系数用数值计算的方 法进行标定，研究了彳、占系数与双轴比q 应变片1 与主应力方向夹角口以及等效应力 d 0 的关系，相应于不同的应力状态，利用爿、b 系数与q 、卢、a 0 的关系可得到复杂 应力状态下a 、b 的准确值，从而使之完全消除塑性附加应变伟的影响。 另外，钻孔偏心对于释放系数彳、曰的影响也不容忽视。文献】9 1 导出了在任意位 置钻孔时的释放应变与残余应力之间的一般关系式，并以显式给出了残余应力值及其第 一主应力方向。文献【2 0 】研究了钻孔偏心对释放系数的影响，用钻孔应变释放法测残余 应力的基本理论导出了在任意钻孔偏心下释放系数的精确公式。 1 2 3 盲孔法的国外发展状况 国外盲孔法测残余应力起步较早，相关文献也较多。在国外，也有大量的文献对塑 性应交进行研究。塑性应变主要由钻孔附加应变和孔边应力集中产生的塑性应变组成。 文献 1 i 】和【1 2 】对盲孔法测量过程中由钻削附加应变所引起的误差作了详细的分析讨 论。钻孔引起的附加应变与钻孔的速度与方法，刀具的尺寸及新旧程度都有关系，适当 大连理工大学硕士学位论文 的采用一些钻孔方法，也可以减小钻孔附加应变，例如喷砂打孔法的加工应变就比钻孔 方法要小得多”“。钻削附加应变的测量比较简单，在与被测构件相同材料的无应力试件 上，和实际测量时采用相同的工艺过程进行钻削实验，测出的应变值即为切削附加应变。 实际测量时，直接扣除附加应变值即可。 孔边塑性应变无法直接测得。n a w w a r 1 用铝合金薄板进行通孔实验，得到了一条误 差修正曲线，用来修正孔边塑性应变的影响。b e a n e y 。1 也对塑性影响进行了研究， s c a r a m a n g a s 1 在b e a n e y 的工作基础上得到了按照弹性解求解残余应力塑性修正公式。 在钻孔偏心方面，文献【2 5 】和【2 6 】给出了钻孔偏心或应变片任意布置时的释放应变 与残余应力之间的关系式，但是比较复杂，在一般钻孔位置的情况下很难求解。 孔深与释放应变的关系，国外的研究成果要相对成熟。国内的研究成果通常认为释 放应变随着孔深的增加而增加，直至趋近通孔的值。而实际上，释放应变并不是随孔深 单调变化的。文献【2 7 】通过对a b s 材料和尼龙的钻孔实验给出了表面残余应力随孔深的变 化趋势，表面残余应力随着孔深的变化并不是单调的，而是先增加到一个极值后反向变 化，趋于通孔的值。m a x w e l l 和t u r n b u l l 2 8 在其论文中也有相似的结论。s i c o t 、g o n g 、 c h e r o u a f 口l u 等人”则给出了三个应变片的应变随孔深变化趋势。 此外，对于一、曰值的确定通过实验标定法来完成，且对其在高残余应力下的修正， 由于应变释放系数4 、b 与盲孔的几何尺寸、应变计尺寸和材料的力学特性有关，盲孔 孔边应力集中产生的塑性变形与盲孔的几何尺寸、应变计尺寸和材料的本构关系、屈服 准则、强化模型等因素有关，实验方法显得颁费人力物力，此时有限元法的引入大大提 高了试验效率。 在过去的近几十年，计算机对科学技术的深远影响是无庸置疑的，它大大的拓展了 工程问题的可解范围，工程领域中大多数力学问题和场问题，如固体力学中的位移场、 应力场问题，热传导中的稳态和瞬态温度场分析，流体力学中的流场问题，量子场理论， 材料相转化的起源，金属裂纹的传播问题等，只有很少部分能够用解析方法解决，往往 是在给定边界条件下求解常微分和偏微分方程的闯题，尽管有时可得到它们的基本方程 和边界条件，但有时因其边界条件、结构形体、外加荷载过于复杂，往往无法求得其精 确的解析解，处理此类复杂工程问题的途径一般是：引入简化假设和采用数值模拟方法， 前者常因为假设不合理导致结果出现较大的误差而不可信，故随着计算机技术的发展和 现代数学以及力学理论的成熟与完善，利用计算机数值模拟技术来获取满足工程精度的 数值近似解，是目前工程仿真领域的一大突破。 有限单元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、有限差分法( f d m ) 和离散单元法( d e m ) 己成为工 程界常用的数值模拟方法，其中最具广泛性和实用性的是有限单元法，其基本思想是将 基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究 问题的求解域分成许多单元，单元之间由节点相互连接，只要单元满足问题的收敛要求， 则随着单元尺寸的减小和求解区域内单元数的增多，近似解将最终收敛于精确解，有限 单元法的基本思想在上世纪四十年代初就被提出，五十年代最先应用于航空工业中飞机 结构的矩阵分析，1 9 6 0 年美国克拉夫在其发表的题为“平面应力分析的有限单元法” 的论文中首次使用，其后的半个世纪以来，有限单元法数值模拟技术借助计算机在工程 中得以广泛应用，基于此编制的较大型的面向工程的有限元通用程序以使用方便，计算 精度高，其模拟结果己成为工程产品设计和性能分析的可靠依据，以a n s y s 为代表的 有限元模拟分析软件，已成为目前结构工程学、宇航工程学、岩土力学、热传导及流体 力学、生物医学等众多研究领域有力的分析工具，在减少工业设计和制造费用，优化设 计和降低成本，性能评估设计等方面发挥着重要的作用 用盲孔法测量残余应力在国内外学者的努力下，已经广泛应用于实际工程中。在焊 接1 、铸造1 、冲压1 等残余应力测量中都得以应用，特别是在焊接残余应力中应用更 为广泛。还出现了专门用来测残余应力的仪器，只需要贴片、打孔和输入彳、曰系数， 就可以得到主残余应力的大小和方向，无需进行人工计算。在相同工作条件下，盲孔法 测量残余应力质量的好坏主要取决于释放系数彳、b 的精度。因此，研究释放系数的确 定方法是盲孔法测量残余应力的关键所在。 1 3 本文主要研究工作 本文测试方法是针对大型结构体的焊接残余应力来进行测试，所以选用操作方便、 相对误差较小且适合现场测试的盲孔法来测试焊接残余应力。试验对象为厚度为8 0 r a m 的炉壳钢，材质为s m 4 0 0 z l ，是一种具有耐高温性能的可焊接细晶粒结构钢，为宝钢开发 研制的专用于转炉炉壳的钢板。 盲孔法的测量精度影响因素很多，其中以钻孔时切削力、切削热和孔边塑性变形所 引起的附加应变所产生的误差相应较大，本文即是从尽量减少这两方面的影响入手，具 体研究工作分以下几个部分： 第一部分，首先从盲孔法测量焊接残余应力的基本原理出发，为有效减少切削力和 切削热所引起的附加应变，采取对传统的盲孔测试操作方法进行改进，通过采用不同孔 径的钻头进行多次扩孔来有效控制切削时的进刀量，以减少钻孔时的切削力和切削热； 另外在扩孔的同时根据a s t m 标准e 8 3 7 - - 8 1 对盲孔法测量时要求孔深应为( 1 1 2 ) 倍 的孔直径的要求来增加孔深，又可确保在各个深度方向上的能够较好获得释放应变。通 过试验标定确定应变释放系数值，进而可算得残余应力的值，通过与传统测试的残余应 力值进行比较确定方法的可行性。 大连理工大学硕士学位论文 第二部分，对孔边的塑性修正，本文以一定应力应变状态下形状改变比能的大小s 来 做为判据，认为s 达到极限时开始发生塑性变形，通过大拉力标定实验作出材料应变释 放系数的塑性修正曲线，进而获得材料基于孔边形状改变比能参量s 的应变释放系数塑 性修正公式据此，对应变释放系数4 、b 进行修正，以使得测量高残余应力的误差大大 减小。 第三部分，根据盲孔法测量残余应力时应变释放系数彳、口试验标定原理和强度理 论，建立三维有限元模型，分别对盲孔法测量焊接件焊接残余应力应变释放系数进行有 限元标定和孔边应力集中有限元塑性修正。并由此得出应变释放系数随形状改变比能参 量s 变化的塑性修正公式：最后将有限元标定结果与试验标定结果进行比较，以保证试 验准确性。 基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究 2 焊接残余应力盲孔测试方法的改进 2 1 盲孑l 法测量残余应力的基本原理 图2 1 盲孔法测试残余应力应变片示意图 f i g 2 1 s t a i ng a u g eu s e di nm e a s u r i n gw e l d i n gr e s i d u a l5 h e s s e $ b yb l i n d - h o l em e t h o d 若构件内存在残余应力场( 吼，吒) ，在应力场内任意点处钻一定直径( d = 2 a ) 和深 度( h ) 的小盲孔，该处的金属连同其中的残余应力即被释放，原有的残余应力也失去平 衡，这时盲孔周围将产生一定量的释放应变，其大小与被释放的应力是相对应的。测出这 种释放应变，即可利用相应的计算公式确定测点的初始残余应力【2 5 】。由图2 1 所示应变 计测得的释放应变，其计算公式为： q = 等一石1 厄哥币i 习 乃= 等+ 石i 厄哥雨砑 ( 2 _ - ) t a n 2 口：2 6 2 - - e i - - e 3 毛一日 式中： 蜀、乞和毛分别为相应各应变计钻孔后测得的释放应变，单位为雌； 彳、b 为应变释放系数，与孔径、孔深、应变花的几何尺寸及被测材料弹性模 量e 等有关，可通过拉伸实验标定或理论计算公式给出； 口：为最大主应力( 代数值) 与应变花中1 # 应变片参考轴之夹角，顺时针取向； 大连理工大学硕士学位论文 仃。、c r 2 为主应力，单位为m e a 。 通孔应变释放系数可r h k i r s c h 理论解得到： ( 2 2 ) 式中反分别为被测材料的弹性模量和泊松比，d 、吒分别为孔径和盲孔中心 到应变计近孔端、远孔端距离。 盲孔法应变释放系数则需由标定试验确定，假设人为地在构件中施加单向应力场 ( q = 盯，c r 2 = 0 ) ，应变计l 、3 分别平行于q 、c r 2 方向，即0 = 0 ，则有： i 矾：型皇+ 生鱼 1 4 a 4 b ( 2 3 ) i 民：王堕一生二垒 将单向应力场代入式2 3 可得 4 4 21 岛+ 岛? ( ：仃 ( 2 4 ) 【b = ( 毛一岛) 2 矿 、 由1 、3 应变计测得的释放应变毛、岛即可求出应变释放系数爿、b 。 2 2 对传统盲孑l 法的改进 2 2 1 目前切削影响研究方法的不足