焊接残余应力的测定

原理：如图4所示，将需测定内应力的焊件划分几个区域（如：横 向应力区、纵向应力区）在各区的待测点上贴上应变片或加工好标距 孔，然后测定他们的原始数据读数。在靠近测量点处将焊件沿垂直于 焊缝方向切断，并在各测量点间切出几个梳妆的切口，是内应力得以
释放。对于某一梳条，用电阻应变仪量的释放前后的应变量差值， 12 则相应焊缝残余应力为： E E1 2
用同样的方法，测出每一测量点的残余应力。
注意事项：
（1）测量结果受切条宽度影响很大，因此切条 时，要尽可能使每条宽度一致；
（2）贴应变片时，应尽可能是个片之间的距离 保持均等，这样有利于切条是保持宽度一样。
（3）切条时，切割速度不宜过快。 （4）实验钢板厚度不宜太厚
（2）、小孔法
l 特点：
（1）可以进行现场操作，测量速度快； （2) 对焊件破坏性小，可以不经塞焊件仍可使用。 （3） 结果较准确
有关。如图3所示
在一应般力的都焊将接有接头'y 中和，都'y'存来在决定'y 。和因此影'y' ，响所的以因最素终有的以横下向几残个余
方面
（1）、焊接方向和焊接顺序
（2）、焊缝长度 （3）、拘束度
（二）、焊接残余应力的测定方法及基本原理
焊接残余应力的测定方法按测试原理可分为应力释放法和物理的方法。 其中以应力释放法应用较为普遍。 1、应力释放法主要包括切条法、切槽法，小孔法，逐层铣削法等，这里 主要介绍切条法和小孔法。 l （1）、切条法 特点：费工时，加工麻烦，完全破坏焊件，是用于实验室进行研究工作。 要求：准备仔细，加工精细，测量准确。
一、实验目的;
（1）、学习采用应力释放法测量焊接残余应力 的原理和方法，初步掌握测试操作技能；
（2）、加深理解对接接头中焊接残余应力的分 布规律；
（3）、了解焊接方法对焊接残余应力分布的影 响；
（4）、焊接工艺对残余应力的影响； （5）、了解一些其他测定焊接残余应力的方法。
一、实验装置及实验材料
（1）、熔化极氩弧焊 （2）、直流（或交流）电焊机 （3）、静态电阻应变仪 （4）、预调平衡箱 （5）、万用表 （6）、钳式电流表 （7）、交流电压表 （8）、16Mn钢，Q235钢，450×75×8mm （9）、电焊条J507,J422,φ3.2;φ4.0 若干根 （10）、焊丝H08A，φ1.6mm （11）、应变片30片 （12）、0号铁砂布、丙酮或四氯化碳、502号胶、绝缘胶
布、石蜡、导线、焊锡工具、钎料、钎剂、锯条及锯弓 等。
一、实验原理
对接接头中焊接残余应力产生及分布情况
在电弧焊接过程中，接头金属及其附近母材金属在 受到电弧加热后伸长，但这一伸长被周围冷金属拘束而 受到压缩。在压缩量大于母材金属的屈服变形量时，产 生相应量的塑性变形。与此同时，受热区域的力学熔点 下降，进而产生更大的塑性变形量。在焊后冷却过程中， 这些塑性变形被保留下来，使加热压缩区域产生拉伸应 力，更远的地区产生压应力。
小孔法是在弹性力学理论的基础建立起来，图5表示一块钻 有小孔的钢板，在钢板的应力场中钻出一个小孔（盲孔）以后， 应力场原来的平衡状态将受到破坏，使小孔周围的应力分布发 生变化，应力场产生新的平衡。若测定钻孔前后小孔附近应变 量的差值，就可以根据弹性力学理论推算出小孔出的内应力。
为了测的这种应变量的变化，在离小孔中心一定部位处贴 上应变片，且诸应变片间保持一定角度（图5所示），分别测 出钻孔前后各应变片的应变值。便可按下式计算出主应力的大 小和方向。
根据弹性力学知：

'' t

1
2
(1
a2 r2
)

1
2
(1
3a4 r4
)
cos 2

2
2
(1
a2 r2
)

2
2
(1
3a4 r4
) cos 2

(
1

2
2
)(1

a2 r2
)

(1

2
2
)(1

3a4 r4
)
cos
2

'' r

1 2
(1
a2 r2
)

1 2
焊接规范和焊接尺寸 焊缝长度 钢板材质 钢的相变过程的影响 焊接顺序
2、横向残余应力
垂直焊缝中心线的残余应力称为横向残余应力，它的产生主要是 有两个方面造成的。
（1）、焊缝及其附ห้องสมุดไป่ตู้区的纵向收缩引起的横向残余应力，其分布 如图2所示的 分布主要受焊缝长度的影响
（2）、焊缝及其近区的横向收缩引起的横向应力 这 'y主要是由于焊缝横向收缩的不同时引起的与焊接的顺序和方向
(1
3a 4 r4

4a 4 r
) cos
2

2 2
(1
a r2
)

2 2
(1
3a 4 r4

4a 2 r2
)
cos 2


1

2
(1
a2
)
(
1

2
)(1
4a 2

3a 4
)
2
r2
2
r2 r4
(2)
r
r

2 2
(1
2a 2 r2

3a4 )sin 2 r4

1
2 2
(1
2a 2 r2

3a4 ) cos2 r4
厚度板接头中残余应力存在两个方向的应力，即沿 焊缝长度方向（x方向）的纵向应力和垂直于焊缝方向 （y方向）的横向残余应力。这两个方向的应力分布与施 焊方法、工艺参数、焊接方式等有关。
1、纵向焊接残余应力
焊缝及其附近区中的应力为拉伸应力，对于
低碳钢焊接结构，最大拉伸应力值一般可达到材
料的屈服极限，稍离开焊缝区，拉伸应力迅速下 降，继而出现残余压应力。如图1所示
设原始残余应力为 1 、 2 ，距测点为r
处的切向、径向应力为
'' t
、
'' r
，钻孔时产生
的附加应力为 t、 r ，钻孔后重新平衡时的
应力为

' r
、
' t
，其关系为：

'' t
t


' t
、

'' r

r


' r
（1）
上述情况与无限大平板（作用力σ1， σ2）上钻一通孔（孔径为a）后周围的应 力变化情况是等值的，如图5所示。
纵向残余应力的分布规律，可用下面公式表
示：
x(y)


x
m
a
x1


y x
2
e
1 2


y f
2
式中σxmax-最大拉伸残余应力； f－拉伸残余应力区最大宽度的一半。
影响纵向残余应力的大小及分布 因素有以下几个方面：
（1） （2） （3） （4） （5）