1、天津大学 2006 届本科生毕业设计（论文）16第四章 实验原理、方法及结果分析焊接残余应力和变形的存在是影响结构或构件脆性断裂强度、疲劳强度、结构稳定性等的重要因素。对于管道结构而言，在内表面存在的拉伸残余应力是导致管道发生应力腐蚀开裂的主要原因之一。实际测量残余应力的方法有很多种，概括起来为两类，即具有一定损伤性的机械释放测量方法和无损伤性的测量方法。本研究在现有条件下，选择技术上比较成熟、国内外广泛应用的测试方法，即利用盲孔法测量了高频焊管道焊接接头纵焊缝的残余应力。小孔法的原理是在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应力将重新调整； 测得孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力
2、学原理来推算出小孔处的残余应力。具体步骤如下：在离钻孔中心一定距离处粘贴几个应变片，应变片之间保持一定角度。然后钻孔，测出个应变片的应变增加量读数。本法在应力释放中对工件的破坏性最小，可钻 1-3mm 盲孔，孔深达（0.8-1.0）D 时各应变片的读数即趋于稳定。小孔法结果的精确性取决于应变片粘贴位置的准确性。孔径越小堆相对位置的准确性要求越高。在钻孔时，为防止孔边产生附加的塑性应变，可采用喷沙射流代替钻削。本法也可用表面涂光弹性薄膜或脆性漆来测定应变，但后者往往是定性的4.1 盲孔法测量残余应力的基本原理、步骤及仪器设备 4由于焊件内部存在残余应力场，在应力场内任意处钻一个一定直径和深度的盲
3、孔后，该处金属连同其中的残余应力即被释放，使原有残余应力场失去平衡。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当的。测出这种释放应变值，即可利用相应的计算公式，确定测点处的原始残余应力大小。钻孔前将 04590的应变花粘贴在孔的周围如图 4-1 所示。X 方向为平行于焊缝方向，Y 方向为垂直于焊缝方向。图 4-1 应变片示意图45 min( 2) max( 1)y x 1 2 32R天津大学 2006 届本科生毕业设计（论文）17在本项目中的残余应力测试中，使用的应变仪为 YJ-5 型静态电阻应变仪，钻孔仪为 H6859 小型台钻。应变片是由陕西汉中第五二一厂生产的型号为BE
4、120-2CA-A 的三轴电阻应变花，其电阻值为 120.10.25%，灵敏系数为2.201%。试验中采用了直径为 1.5mm 的钻头。测量过程如下：第一步：将待测部位用砂布由粗到细打磨光滑露出金属光泽，再用金相砂纸细磨至表面光亮；用脱脂棉球分别沾以丙酮和酒精清洗，清除焊管表面的杂质和氧化物，直到准备粘贴应变片的部位干净为止。第二步：将 502 速干胶均匀涂于贴片位置和片基背面，迅速把应变片粘在所需位置，轻压使其与工件表面紧密结合，经过一段时间使其阴干。第三步：将应变片末端引线与应变测量仪连接的导线焊接。注意应使所有应变片的导线长度保持一致，以免由于产生电阻值的差异。将应变仪调零，用万用表检查
5、应变片与工件绝缘程度和阻值变化情况。第四步：用直径为 1.5mm 的钻头在应变片中心处打出 1.5mm 的盲孔。打孔时应尽量对中应变片中心。实验设备如图 3 与图 4 所示，第五步：将测得的对应孔区释放的应变值数据代入公式(4-1)至(4-2)，计算主应力的大小和方向。各应力测定点位置如图 4-2 所示。图 4-2 小孔法测量残余应力测点布置图平行于焊缝的方向为轴向，垂直于焊缝的方向为环向。为了获得较为精确的测量结果，应对孔边塑性变形进行了修正。修正办法：在管道的无残余应力部位采用完全相同的测量工具和过程，获得相应孔边塑性变形造成的应变量，把测量径向轴向 焊缝 W1W1W2W3F1F1F2F3
6、H1H2H3B1B1 B2B3补偿片天津大学 2006 届本科生毕业设计（论文）18图 3 实验用高频焊管及小型台钻 图 4 静态电阻应变仪的应变数据都减去相同的修正值，得到最终的修正后的应变量。所使用钻头的直径 D 为 1.5mm。采用的残余应力计算式如下：（4-1） 23123121231max /K/EK（4-2） 23123121231in /式中， ，是与孔径有关的经验表达式，31 5.8.40.6832ddK。./2 1， 2， 3 为三个应变片所记录的释放应变。最大主应力方向： （4-3）312tan通过式（4-4 ） 、 （4-5 ）可得到所测点的环向残余应力 Hoop 和轴向
7、残余应力 Axial： Hoop= maxcos2+ minsin2 （4-4） Axial= maxsin2+ mincos2 （4-5）天津大学 2006 届本科生毕业设计（论文）19表 1 高频焊管道接头纵焊缝残余应力测试及计算结果4.2 实验结果分析 14实测残余应力经修正后的结果列于表 115。将上述实际测量的残余应力结果与三维有限元计算结果比较，如图 1 和图 2 所示。图中黑色实心圆点为实验测得的数据，白色空心圆点连成的曲线为 ANSYS 模拟的应力分布结果。由图可以看出，从整个接头纵焊缝残余应力的分布趋势来看，实测的轴向和环向残余应力，与用三维有限元模型计算得到的数值结果，其分
8、布规律基本一致。在焊缝和热影响区，测量值与三维有限元计算结果表现出更好的一致性，同时也发现，虽然在远离焊缝处测量的结果有一定的分散性，但利用有限元法通过适当的分析计算，能够比较准确地得到焊接应力并使其能够分布根据工程实际需要期望 16。测点编号离焊缝中心距离（mm）1/2/3/x/MPay/MPaW1 0 -18 6 5 18.21 -133.4W2 0 -15 -18 -20 22.98 -134.7W3 0 -26 -21 2 20.42 -143.1F1 10 -54 -7 27 49.35 -11.05F2 10 -27 22 18 24.41 -13.42F3 10 -22 2 -5
9、 27.42 -16.80H1 20 44 -113 80 -32.95 -22.61H2 20 22 17 14 -28.46 -6.191H3 20 -29 41 164 -34.81 -34.75B1 30 -17 -6 2 17.73 26.48B2 30 -12 -46 -18 9.839 29.97B3 30 -12 -15 14 0.0513 41.82天津大学 2006 届本科生毕业设计（论文）20图 7 测量值与已知的三维有限元计算的外表面轴向残余应力得到较理想的焊接残余应力分布和所要求的变形结果，也可以借助上述理论计算得到有关数据，从结构，如果能在制造之前获力应变的变化和残
10、余应力的分布规律。例如对于一些复杂、重要的焊接焊接应力与变形。反之，得有关焊接应力应变的信息，或者是对于焊后无法进行残余应力消除和测定的构件，可以在焊接制造过程中根据计算结果采取有效的措施防止和减小而为寻求更合理的焊接工艺参数和相关的材料及性能设计等提供可靠的理论依据 9。图 8 测量值与已知的三维有限元计算的外表面环向残余应力4.3 本章小结利用盲孔法测量了高频焊管道的焊接接头的残余应力。结果表明在焊缝和热影响区，测量值与已知的三维有限元计算结果表现出很好的一致性 ，同时1也发现，虽然在远离焊缝处测量的结果有一定的分散性，但利用有限元法通过适当的分析计算，能够比较准确地得到焊接应力应变的变化和残余应力的分布规律。同时发现高频焊管的残余应力分布与普通电弧焊基本一致，但是其残余应力值比普通电弧焊偏小。电弧焊的残余应力值一般可达到材料的 s，而高频天津大学 2006 届本科生毕业设计（论文）21焊管的残余应力最高仅为 s 的 1/41/3（实验材料的 s 约为 400MPa） ，这对于实际焊接工程问题具有重要的指导意义。
