焊接应力场测量方法
大型水轮机分瓣转轮焊接应力测量
１ 水轮机转轮简介
二滩水 电站 水轮 发 电机 组是 我 国已运行 电站 中 单机 容量最 大 的机组 ， 准 确掌 握 水 轮 机 转轮 中的 为
焊接残余应力值 ， 电站在机组首次安装过程 中采用 ｘ射线对 ５ 号转轮和 ４号转轮进行了应力测量 。 水轮机 转 轮直径 ６６ ｍ（ 径 ５５ ｍ）转 轮 ３６ｒ 喉 ａ ８０ｍ ， 高 ３３ ， 片数 １， １１ ｍ 叶 ３ 由加拿 大 Ｇ Ｅ公司设计 制 造… ， １ 转轮采用分瓣制造 ， 现场组装焊接并精加工 ， １
摘
要： 大型水轮机分瓣转轮焊接应力是转轮产生变形的重要 因素之～ ， 出 了用 Ｘ射线测量 大 型水 轮机分瓣 转 提
轮焊接应力 的新 方法 ， 给出 了二滩水 电站用该方法测 量 的结 果 ， 并指 出大型 水轮机分瓣 转轮结 构设 计时必须考 虑 上冠 和下环 的联接 方式 ， 采用卡栓联接的分瓣转轮易于产生 较大 的残 采焊接应 力 ， 卡栓联结 工艺不 利于转 轮整体
近年 来 ， 随着 二 滩 三 峡 等一 批 大 型 巨型 水 电 站
的开工建设 ， 相继 出现了～批大型和巨型水轮发电 机组， 单机容量也 由 ５０Ｍ 跃升至 ７０Ｍ 这些 ５ Ｗ ５ Ｗ， 大型水轮 机 的转 轮 大多 采 用 分瓣 制造 ， 由于混 流式 水轮 机转 轮形 状 的 复杂 性 ， 分瓣 转 轮 的焊接 应 力 是
ｃ ｎ ｉｅ ｅ ａｅ ｕｌ ．Ｔ ｅ ｃａｔ ｆｓ ｒ ｌ ｂ ｈ ｍｙ Ｉａ Ｏ／ ｌｒｅ ｒｓ＆Ｅ／ ｔ ｓ ｎ ｎ ｅ ／ ｇ Ｃ ｌ ｏ ｅｉｖ ａ ｔ０ ｏ ｓｄ ｒｄ ｃ ｒｆ ｌ ｙ ｈ ｒｆｏ ｌ ： ｏ ｈｎ ｃ。 ｔ ｉ ａｇ ｅ ｉ ａ ｓ ｅ ｓａ ｄａ ｎ ａｉ ａｌ Ｎｙ ｒｌ ｅ ａｐ ｒ ｆ ｅ Ｓ＇ ＇ ￣ ｒ ｎ ｅ ｉ．Ｉ ｓ ｏ ｌ ｅ ｓｕ ｉｄ ｍ ｒ ｅ ｐｙ ｆｒｔ ｉ ｃａｔｃ ｍＥ ｉｔ ｒｃ ｃ ． ｔ ｔ ｈ ｕｄ ｂ ｔｄ ｅ ｏ ｅ ｄ ｅ ｌ ｏ ｓ ｒｆ ｏ ：ｎ ｏ ｐ ａ ｔ ｅ ｈ ｉ Ｋｅ ｏ ｄ ：ｕ ｂｎ ｕ ｎ ｒ ｅｄｎ ；ｓ ｅ ｓ ｙ ｗ ｒ ｓ ｔｒ ｉｅ ｒ ｎ ｅ ；ｗ ｌｉ ｇ ｔ ｓ ；ｍｅ ｓ ｒ ｇ ｒ ａｕ ｎ ｉ
钢结构焊接中的残余应力分析方法
能够兼顾计算精度和计算效率，适用于大型复杂 焊接结构的残余应力分析。
03
钢结构焊接中的残余应力测量技术
X射线衍射法
01
02
03
04
原理
利用X射线在晶体中的衍射现 象，通过测量衍射角的变化来 计算残余应力。
优点
非破坏性测量，对试样无损伤 ，可测量小区域和复杂形状的 构件。
缺点
设备昂贵，操作复杂，需要专 业人员进行操作和分析。
将数值模拟得到的残余应力分布结果与实验结果 进行对比分析，验证模拟的准确性。
模拟结果优化
针对误差来源进行模拟结果的优化和改进，提高 数值模拟的精度和可靠性。
ABCD
误差来源分析
分析数值模拟中可能存在的误差来源，如模型简 化、材料参数不准确等，并提出改进措施。
工程应用探讨
探讨数值模拟在钢结构焊接残余应力分析中的工 程应用前景和局限性。
原理
利用超声波在材料中的传播速 度与应力之间的关系，通过测 量超声波传播速度的变化来计
算残余应力。
优点
设备相对简单，操作方便，可 实现在线测量。
缺点
对材料表面粗糙度和温度等因 素敏感，测量结果易受干扰。
应用范围
适用于各种金属材料和构件的 表面残余应力测量。
应变片法
原理
在构件表面粘贴应变片，通过测量应 变片电阻值的变化来计算残余应力。
求解过程
采用合适的数值方法求解边界积分方 程，得到焊接过程中的温度场和应力
场分布。
材料本构关系与热源模拟
定义材料的本构关系和焊接热源模型 ，以模拟焊接过程中的热力学行为。
结果分析与验证
对求解结果进行可视化处理和数据分 析，评估残余应力的分布和影响，并 与实验结果进行对比验证。
焊接温度场和应力场的数值模拟
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沈阳工业大学硕士学位论文焊接温度场和应力场的数值模拟姓名：王长利申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：董晓强 20050310沈阳工业大学硕士学位论文摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。
一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。
本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。
本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。
建立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。
本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。
关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场沈阳工业大学硕士学位论文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｌｄｉｎｇｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓｗｌｆｉｅｈｉｎｖｏｌｖｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，Ｍａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅｗｅｌｄｉｎｇＳＯｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｈｉｇｈｑｕａｆｉｔｙｗｅｌｄｉｎｇｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆｃａｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢａｓｅｄＯｉｌｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｔｈｅｒ’Ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅ３Ｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏａｒｄｓｕｒｆａｃｉｎｇｂｙＦＥＭｓｏｆｔＡＮＳＹＳ．Ａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｕｌｔ．ｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓａｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌ．ｕｓｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｔｏａｐｐｌｙｌｏａｄｏｆｍｏｖｉｎｇｈｅａｔＳ０１２Ｉｅ－２．ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｅｌｄｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｓｈｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒａｄｉｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｃｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｒｔｈｅｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｌＴｅｓｓｉｓｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌＳｌｌ℃ＳＳｉｎｗｅｌｄｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｌＩｅｓｓｄｙｎ黜ｆｉｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｎ３Ｄｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｏｎｆｉｅｌｄｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫＥＹＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．２．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
焊接残余应力测量
焊接残余应力测量焊接残余应力是指焊接后残留在焊缝和母材中的应力。
焊接是一种常用的金属连接方法，通过将两个或多个金属部件加热至熔点，使其熔化并在冷却过程中形成连接。
然而，在焊接过程中，由于热量的不均匀分布和不同材料的热膨胀系数差异等原因，会产生残余应力。
焊接残余应力对焊接接头的性能和寿命有重要影响。
高残余应力会导致焊接接头在使用过程中发生变形、开裂等问题，甚至造成焊接接头的破坏。
因此，准确测量和控制焊接残余应力对于确保焊接接头的质量至关重要。
测量焊接残余应力的方法主要有两种：非破坏性测量方法和破坏性测量方法。
非破坏性测量方法包括应变测量法、超声波法、磁性法和光学法等，这些方法可以在不破坏焊接接头的情况下进行应力测量。
破坏性测量方法主要是通过对焊接接头进行切割、拉伸、压缩等试验，然后通过测量变形和应力的变化来推断焊接残余应力。
应变测量法是一种常用的非破坏性测量方法。
该方法通过在焊接接头表面或母材上粘贴应变片，利用应变片的形变来计算残余应力。
应变片的粘贴位置应选择在焊缝附近，以获取最准确的应力测量结果。
应变测量法适用于各种类型的焊接接头，包括焊缝、角焊缝和对接焊缝等。
超声波法是另一种常用的非破坏性测量方法。
该方法通过利用超声波在材料中的传播速度和衰减来测量焊接接头中的应力。
超声波法可以测量焊接接头中的内部应力分布，对于大型和复杂结构的焊接接头尤为适用。
磁性法是一种基于磁性材料磁化特性的测量方法。
焊接接头中的残余应力会改变材料的磁性，通过测量磁性材料的磁场变化可以推断出焊接接头中的应力分布情况。
磁性法适用于各种类型的焊接接头，包括不锈钢、铝合金等。
光学法是一种通过测量焊接接头表面的位移和形变来推断残余应力的测量方法。
该方法可以使用光栅、激光干涉仪等设备进行测量，具有高精度和非接触的特点，适用于各种类型的焊接接头。
焊接残余应力的测量对于确保焊接接头的质量和安全至关重要。
选择合适的测量方法，并采取相应的措施来降低残余应力，可以有效提高焊接接头的性能和寿命。
热处理状态的焊接件应力集中检测
热处理状态的焊接件应力集中检测热处理状态的焊接件应力集中检测是指在焊接工艺完成后，通过合适的手段和方法，对焊接工件进行应力集中检测的过程。
焊接件在焊接过程中，由于热输入、冷却过程和焊接残余应力的引起，容易产生应力集中，从而影响焊接件的安全可靠性。
需要对热处理状态的焊接件进行应力集中检测，以提早发现潜在的问题，采取合适的措施加以解决。
1. 应力计测定法：这是一种常见的方法，通过在焊接件表面安装应力计，测定焊接点的应力大小。
该方法对于应力分布均匀的焊接件效果较好，但对于应力分布不均匀的焊接件则可能有一定的局限性。
2. 应力释放法：这是一种通过恢复焊接件在焊接前的初始应力状态来检测应力集中的方法。
具体操作是在焊接件进行焊接前，对其进行应力释放处理，使其回归到初始应力状态。
然后通过比较焊接前后的应力状态差异来判断应力集中的程度。
3. X射线衍射法：这是一种较精确的方法，通过进行射线衍射实验，分析焊接件材料的晶体结构和晶格常数来测定焊接点的应力大小。
该方法需要较为复杂的设备和操作，但可以得到较为准确的应力数据。
4. 磁力法：这是一种利用磁场来测定焊接件应力集中的方法。
具体操作是通过在焊接件表面产生磁场，然后通过磁力传感器测量磁场的变化来得到应力集中的信息。
这种方法操作简单，但适用性有一定的限制。
5. 超声波检测法：这是一种利用超声波来检测焊接件中应力集中情况的方法。
具体操作是通过超声波探头的放射和接收，测定焊接件中超声波的传播速度和幅度变化来判断应力集中的程度。
这种方法非破坏性，操作简便，但对焊接件材料的物理性质有一定的要求。
热处理状态的焊接件应力集中检测是一项非常重要的工作。
通过合适的方法来检测应力集中情况，可以提早发现问题，采取措施加以解决，从而保证焊接件的安全可靠性。
不同的方法有各自的特点和适用范围，需要根据具体情况选择合适的方法进行检测。
需要注意检测过程中的操作规范和安全措施，确保检测结果的准确性和可靠性。
焊接应力检测方法
焊接应力检测方法焊接应力检测方法主要分为两大类：非破坏性检测和破坏性检测。
1. 非破坏性检测方法：- 超声波检测：利用超声波的传播速度和反射特性检测焊接接头中的应力，常用于检测焊缝内部的缺陷和裂纹。
- 磁粉检测：利用涂有磁粉的表面检测剂，在施加外部磁场的情况下，观察磁粉是否被磁场吸引，以检测焊接接头的裂纹和缺陷。
- 声发射检测：通过检测焊接接头产生的声波信号，分析声波的特征来判断焊接接头的应力状态。
- 热成像检测：利用红外热像仪检测焊接接头表面的温度分布，进而推测焊接接头的应力情况。
2. 破坏性检测方法：- 拉伸试验：将焊接接头进行拉伸试验，通过测量其抗拉强度和伸长率等指标来评估焊接接头的应力情况。
- 冲击试验：将焊接接头进行冲击试验，通过测量其冲击韧性等指标来评估焊接接头的应力状态。
- 金相显微镜观察：对焊接接头进行金相试样制备，利用金相显微镜观察焊接接头的组织结构和裂纹情况，以判断焊接接头的应力状况。
需要注意的是，不同焊接材料和焊接方法可能需要采用不同的应力检测方法，具体选择何种方法需要根据具体的焊接情况和检测目的来决定。
除了上述提到的非破坏性和破坏性检测方法外，还有其他一些常用的焊接应力检测方法：3. X射线衍射法：通过测量焊接接头中的应力引起的晶格畸变，利用X射线衍射原理来检测焊接接头中的残余应力。
4. 电子背散射法：通过测量焊接接头中残余应力导致的电子背散射的强度变化，来评估焊接接头中的应力状态。
5. 针剂法：将特殊形状的针剂插入焊接接头内部，然后测量插入针剂的变形情况，来判断焊接接头的应力情况。
6. 应变计法：在焊接接头上粘贴应变计，通过测量应变计的变形来评估焊接接头中的应力状态。
7. 磁传导法：利用磁感应强度和磁导率的变化来检测焊接接头中的应力状态。
需要根据具体应用的要求选择合适的焊接应力检测方法，并结合实际情况进行综合分析和判断。
焊接接头的应力松弛及残余应力分析
焊接接头的应力松弛及残余应力分析焊接接头是工程中常见的连接方式之一，它通过熔化金属填充接头间隙，使接头部分形成一个整体，从而达到连接的目的。
然而，焊接过程中会产生应力，这些应力可能会导致接头的应力松弛和残余应力的产生。
本文将对焊接接头的应力松弛及残余应力进行分析。
一、焊接接头的应力松弛焊接接头的应力松弛是指焊接后接头内部的应力逐渐减小的过程。
焊接时，由于热量的作用，接头内部的金属会发生膨胀，形成应力。
随着焊接过程的结束，接头开始冷却，金属会收缩，从而产生应力松弛的现象。
应力松弛对焊接接头的影响是多方面的。
首先，应力松弛会导致接头的变形，使接头的尺寸和形状发生变化，从而影响接头的使用性能。
其次，应力松弛还可能导致接头的疲劳寿命降低，使接头容易发生疲劳断裂。
因此，在焊接接头的设计和制造过程中，应力松弛的控制是非常重要的。
二、焊接接头的残余应力焊接接头的残余应力是指焊接后接头内部仍存在的应力。
焊接过程中，由于金属的膨胀和收缩，接头内部会形成复杂的应力分布。
随着焊接过程的结束，金属冷却后，部分应力会被释放，但仍有一部分应力无法完全消除，形成残余应力。
残余应力对焊接接头的影响也是非常严重的。
首先，残余应力会导致接头的变形，使接头的尺寸和形状发生变化，从而影响接头的使用性能。
其次，残余应力还可能导致接头的开裂，使接头容易发生断裂。
三、焊接接头应力松弛和残余应力的分析方法为了准确分析焊接接头的应力松弛和残余应力，需要借助一些分析方法。
常用的方法包括有限元分析和试验分析。
有限元分析是一种数值计算方法，通过将接头划分为多个小单元，建立接头的数学模型，利用有限元法求解接头内部的应力分布。
这种方法可以较为准确地预测接头的应力松弛和残余应力。
试验分析是通过实验手段来分析接头的应力松弛和残余应力。
常用的试验方法包括应力松弛试验和残余应力测量试验。
应力松弛试验可以通过对焊接接头施加一定的载荷，观察接头的变形情况，从而分析应力松弛的程度。
破坏性测量焊接残余应力的方法及应用
破坏性测量焊接残余应力的方法及应用秦飞虎，刘勇，杨金，李强，赵太源，李亚军（中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610100）[摘 要] 焊接是金属材料制作和安装的一道重要工序，焊接过程中由于热胀冷缩引起的残余应力对工件机械性能、腐蚀性能、尺寸加工精度及稳定性有较大影响。
本文介绍了盲孔法、剥层法和切条法三种破坏性测量焊接残余应力的基本原理和方法，简述了各种测量方法的发展概况及应用现状，对评估工程结构焊件综合性能具有重要意义。
[关键词] 焊接残余应力；测量方法；破坏性；应用现状作者简介：秦飞虎（1974—），男，四川人，本科，高级工程师，主要研究方向为压缩机设计制造及性能评估相关工作。
焊接残余应力及变形一直是世界各国焊接专家、学者关注的问题。
焊接残余应力是由于焊接冷却时焊缝和焊缝附近的钢材受到周边材料的约束，不能自由收缩而产生的内应力。
焊接残余应力可分为沿焊缝长度方向的纵向焊接应力、垂直于焊缝方向的横向残余应力和沿厚度方向的焊接应力[1]。
焊接残余应力可引起焊接结构件的变形，甚至发生断裂现象。
因此为了进一步了解焊接工程中的残余应力，对工程结构件综合性能评估具有重要意义。
目前，焊接残余应力的测量方法可分为非破坏性（无损测量法）和破坏性（有损测量法），非破坏性测量法中X 射线法应用最为广泛，但只能测量材料表层残余应力，不能真实地反映焊接工件内部的应力分布；磁性法只适用于铁磁材料，而超声波检测法还处于实验室阶段，都不利于普遍推广应用[2-4]。
破坏性测量方法虽然对工件有损伤，但能真实反映出残余应力的分布状况，本文就三种破坏性测量方法盲孔法、剥层法和切条法进行介绍，了解它们测量的基本原理和特点，对选择合适的测量方法评估焊接残余应力具有重要意义。
1 测量方法1.1 盲孔法盲孔法又称钻孔法或小孔法，属于典型的局部破坏性测定方法，是破坏性测量方法中应用最为广泛的方法。
盲孔法是在焊接应力场内任意点处钻一个小孔，该点的应力被释放，残余应力重新分布，利用应力应变关系式换算出材料在焊接过程中产生的残余应力[5,6]。
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图 １ 应 变 片 黏 贴 位 置
１ ． ２ 应 力测量 设备 １ ． ２ ． １ 电 阻应 变花
对工件造成一定 的损伤或者破坏 ， 但其 测量精度较 高、 理论完善 、 技术也较成熟 ， 是 目前应 用 比较广泛 的一种残余应力测量方法 ， 就此主要介绍了小孔释 放法测量残余应力的方法 。
第２ ９卷
第１ ８期
甘肃 科技
Ｇａ ｎ ｓ ｕ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ
ｒ ０ Ｚ ． ２ ９ Ⅳ０ ．１ ８ Ｓ ｅ ｐ ． ２ ０ １ ３
２ ０ １ ３年 ９月
焊 接 应 力 场 测 量 方 法
刘 鹏 ， 钟 浩
（ １ ）
焊接后待板材冷却到室温后用小孔法进行残余应力 的测 量 。测量 之 前 ， 测 量 位 置 先 用 砂 纸 打 磨 用 腐 蚀 剂腐 蚀 测 量 位 置 并 用 丙 酮 清 洗 ， 最 后 黏 贴 夹 角 为
４ ５ 。 的 三 栅 应 变 花 。 所 采 用 的 电 阻 应 变 花 型 号 为
缝方向的不同旁路下的残余应力的分布进行测量及 对 比， 其 距 离 焊 缝 中心 的距 离 分别 为 ８ ｍ ｍ， １ ８ ｍ ｍ，
２８ ｍｍ 。
残余应力作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数也 越来越受到人们 的关注。
１ 测 量 方 法
１ ． １ 残 余应 力 测量 方法
目前 传 统残 余应 力 的测 量方法 可 分为 机 械释 放
孔直 径 Ｄ 。为 ０ ． ７ ｍ ｍ， 钻 孔深 度 Ｈ为 ｌ ｍ ｍ 左 右 。采 用Ｘ Ｉ ． ２ １ ０ １ Ｂ ６型 静 态 电 阻 应 变 仪 ， 待钻孔停止后 ，
加铝的使用量是其中的重要措施之一 ， 所以 ， 在汽车 工 业 生产 中 ， 采用“ 铝 ＋钢 ” 双 金属 焊 接 结 构 成 为 汽
（ ２ ） 根 据确 定好 的测点位 置将 应变 花贴 片 。 ２ ） 钻孑 Ｌ （ １ ） 钻 孔直 径 钻 孔直径 根据 应 变花 测量 圆 的直 径 按 公式 （ １ ） 计算 ： ２ ． ５＜ Ｄ／ Ｄ 。 ＜ ３ ． ４ 式中： Ｄ — —应 变花 测量 圆 的直径 ， ｍ ｍ；
在 具 有二 维 应力 状 态 的无 限平 板 上 ， 黏 贴 电阻
应变片分别为 ０ ￣ ． ４ ５ 。 、 ９ ０ 。 的应变花 ， 在应变花中心 钻孔 ， 由于 孔深 远小 于 板 的厚 度 因此 可 套 用钻 通 孔 时的理论解释作为钻盲孔 时的近似解 ， 通过 电阻应 变仪分别测量放线 １ 、 ２ ． ３的释放应变 ８ 、 ８ ： 、 ８ ， 。简 化计算取 ＝一 ２ Ｂ ， 则计算见公式 （ ２ ） 、 （ ３ ） ：
小孔 释放 法 测 量 最 早 是 由 Ｊ Ｍａ ｔ ｈ ａ ｒ 在 １ ９ ４ ３年 提 出的 ， 后由 Ｓ ｏ ｅ ｔ ｅ发 展 完 善 而 形 成 系 统 理 论 。 其
１ ） 应 变花 （ 片） 的黏 贴 （ １ ） 黏贴应变花前 ， 在 被 测 部 位 附 近 用 粗 砂 纸
去除氧化皮或污垢 ， 再用金相砂纸打磨 ， 直至露出金 属光泽 ， 并用丙酮清洗打磨位置 ， 除去污垢直至棉球 不 出现黑 色 。
钻孔 直 径 ， １ １ １ １ １ １ 。
由公 式 （ ６ ） 选择 Ｄ 。 ＝０ ． ７ ｍ ｍ （ ２ ） 钻 孔深 度 ｈ＝（ １ ． ０～１ ． ２ ） Ｄ ｏ 钻孔 的最 终深 度应 为 ｌ ｍ ｍ。
甘
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科
技
第２ ９卷
机； 特殊定制接 口为 Ｒ Ｓ ４ ８ ５接 口， 能通过计 算机级 联最多 ｌ ６台应变仪 ， 组成最大 ３ ８ ４点的静态应变数 据采集分析系统。同时该应变仪较普遍应变仪添加 的功能是能通过各测点参数单独设定 ， 同时测量应 变， 拉压力 ， 位移等 ３ 种物理量 。
车轻 量化 的首选 方 案 ， 这 必 然 涉 及 到 铝 和 钢 两 种 材 料 之 间 的连 接 Ｊ 。随 着铝 钢异种 焊 接工 艺 的不 断 成熟 ， 对于焊接接头 强度和性 能的要求 越来越高 。
记录应变仪动态读数 ， 等读数稳定后 ， 取几次数据的 平均值作为最终测试结果 。 测点位置如 图 １ 所示方式分布 ， 可对垂直于焊
（ １ ． 西安摩尔石油工程实验 室有限公司 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ６ ５ ； ２ ． 榆林学 院 ， 陕西 榆林 ７ １ ８ ４ Ｏ Ｏ ）
摘
要： 残余应力作为 一个衡 量焊接质量好 坏的重 要参数 越来越受 到人们 的关 注 ， 主要从 小孔 释放 法的测 量方法 、
测量设备及计 算方法等方面介绍 了焊接应 力场测量过程及方法 ， 指出了应力场测量的重要性 。 关键词 ： 残余应力 ； 小孔释放法
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基本原理是在具有残余应力的构件表面上钻一个小 孔， 使得孑 Ｌ 的邻近区域 内由于部分应力释放而产生 相应的位移和应变 ， 采用黏贴应变片等方式测量这 些位移和应变 ， 最后通过换算便可 以得到钻孔处深 度方向上 的平 均残余 应力 。测试实验在 常温下进
行， 焊 接 过程 从距 离板 边 ５ ０ ｍ ｍ处 的位置 开 始 ， 在 距 离 另 一板 边 ５ ０ ｍ ｍ 处 的位置 收弧， 焊 道长 ２ ０ ０ ｍ ｍ。
中图分类 号 ： Ｔ Ｇ ４ ０ ３
近 年来 ， 环 保 问题 越 来越 受到 世界 各 国 的重视 ， 汽车 工业 为 了节 约燃 料 ， 保护 环境 ， 不 断努 力 减轻 汽 车重 量 ， 因此 ， 对 汽 车 用 材料 提 出 了更 高 的要 求 ， 增
Ｂ Ｅ １ ２ ０— ２ ｃ Ａ —Ｋ ， 其测量圆直径 Ｄ为 ２ ａ ｒ ｍ 。选择钻