用局部逐层去除法测量厚壁圆筒的内部残余应力
剥层法测残余应力原理
剥层法测残余应力原理宝子，今天咱来唠唠剥层法测残余应力这个超有趣的事儿哈。
咱先得知道啥是残余应力呢？就好比啊，你把一个小弹簧用力拉一下，然后又松开了一部分，但这个弹簧里面还是有一些被你之前拉伸留下的“小情绪”，这个“小情绪”在材料里就是残余应力啦。
那这个剥层法呢，就像是一个特别聪明的小侦探，专门去找出这些残余应力的秘密。
想象一下哈，有一块金属材料，它里面藏着残余应力。
这个剥层法呢，就开始从这个材料的表面一层一层地剥开，就像剥洋葱一样。
为啥要这样剥呢？这是因为当我们把表面的一层剥掉的时候，原来在这一层里的残余应力就被释放了。
就好比一个被关在小盒子里的小精灵，盒子一打开，小精灵就跑出来啦。
那这个应力释放了之后呢，材料就会发生变形哦。
这个变形可有意思啦，它就像是材料在跟我们悄悄说：“我之前可是被应力压着呢，现在可算松快一点啦。
”我们就可以通过测量这个变形来反推之前在这一层里的应力到底有多大。
比如说，如果材料变形得很厉害，那就说明之前在这一层里的残余应力很大；要是变形比较小呢，那残余应力也就比较小。
不过呀，这个测量变形可不是那么简单的事儿呢。
就像你要量一个调皮的小虫子的长度一样，得特别小心。
我们会用到一些超级精密的仪器，像应变片之类的。
应变片就像是一个超级敏感的小耳朵，它能很敏锐地听到材料变形时发出的“小声音”，然后把这个信息告诉我们。
而且哦，每剥掉一层，我们都要重复这个过程。
就像是爬楼梯一样，一层一层地往上走，每一层都去发现它的应力秘密。
这个过程就像是在探索一个神秘的宝藏，每剥开一层就离宝藏更近一步。
在这个过程中呢，还有好多小细节要注意。
比如说，剥层的时候要保证剥得均匀，不能这边厚那边薄的，不然就像你走路的时候一只脚的鞋子厚一只脚的鞋子薄，肯定走不稳呀。
如果剥层不均匀，那测量出来的应力就会不准确，这个小侦探就会被误导啦。
再说说这个计算应力的方法吧。
这里面用到了一些数学小魔法哦。
根据材料力学的一些原理，我们把测量到的变形数据放到一些公式里，就像把食材放到魔法锅里一样，然后搅拌搅拌，就能算出应力啦。
残余应力检测方法概述
第1 页 共 2页残余应力检测方法概述目前国际上普遍使用的残余应力检测方法种类十分繁多，为便于分类，人们往往根据测试过程中被测样品的破坏与否将测试方法分为：应力松弛法（样品将被破坏）和无损检测法（样品不被破坏）两类。
以下我们简单归纳了现阶段较为常用的一些残余应力检测方法。
一、常见的残余应力检测方法： 1. 应力松弛法 (1) 盲孔法该方法最早由Mather 于1934年提出，其基本原理就是通过孔附近的应变变化，用弹性力学来分析小孔位置的应力，孔的位置和尺寸会影响最终的应力数值。
由于这类设备操作起来非常简单，近年来被广泛使用。
(2) 切条法Ralakoutsky 在1888年提出了采用该方法测量材料的残余应力。
在使用这种方法时需要沿特定方向将试件切出一条，然后通过测量试件切割位置的应变来计算残余应力。
(3) 剥层法该方法是通过物理或化学的方法去除试件的一层并测量其去除后的曲率，根据测定的试件表面曲率变化就能计算出残余应力。
该方法常用于形状简单的试件，且测试过程快捷。
2. 无损检测方法 (1) X 射线衍射法X 射线方法是根据测量试件的晶体面间距变化来确定试件的应变，进而通过弹性力学方程推导计算得到残余应力，目前最被广泛使用的是Machearauch 于1961提出的sin2ψ方法。
日本最早研制成功了基于该方法的X 射线残余应力分析仪，为该方法的推广做出了巨大的贡献。
(2) 中子衍射法。
中子衍射方法的原理和X 射线方法本质上是一样的，都是根据材料的晶体面间距变化来求得应变，并根据弹性力学方程计算残余应力。
但中子散射能量更高，可以穿透的深度更大，当然中子衍射的成本也是最昂贵的。
(3) 超声波法。
该方法的物理和实验依据是S.Oka 于1940年发现的声双折射现象，通过测定声折射所导致的声速和频谱变化反推出作用在试件上的应力。
试件的晶体颗粒及取向会影响数据的准确度，尽管超声波方法也属无损检测方法，但其仍需进一步完善。
厚壁圆筒应力分析剖析
厚壁圆筒应力分析剖析一、应力分析方法1.在应力分析中，通常采用静力学的方法，根据力学定律对厚壁圆筒进行应力分析。
2.厚壁圆筒的应力分析可以分为轴向应力、周向应力和切向应力三个方向上的应力分析。
二、应力计算公式1.轴向应力：σa=(P·r)/t其中，σa表示轴向应力，P表示圆筒受到的内外压力，r表示圆筒内径，t表示圆筒壁厚。
2.周向应力：σc=(P·r)/(2t)其中，σc表示周向应力。
3. 切向应力：τ = (P · ri) / t其中，τ 表示切向应力，ri 表示圆筒中心点到任意一点的径向距离。
三、实例分析假设有一个内径为 10cm，外径为 15cm，壁厚为 2cm 的厚壁圆筒，内外压力分别为 5MPa 和 10MPa。
现对该厚壁圆筒进行应力分析。
1.轴向应力：根据公式σa = (P · r) / t，代入 P = 5MPa，r = 7.5cm，t =2cm，计算得σa = (5×7.5) / 2 = 18.75MPa。
同理，代入 P = 10MPa，r = 7.5cm，t = 2cm，计算得σa =(10×7.5) / 2 = 37.5MP a。
2.周向应力：根据公式σc = (P · r) / (2t)，代入 P = 5MPa，r = 7.5cm，t= 2cm，计算得σc = (5×7.5) / (2×2) = 9.375MPa。
同理，代入 P = 10MPa，r = 7.5cm，t = 2cm，计算得σc =(10×7.5) / (2×2) = 18.75MPa。
3.切向应力：根据公式τ = (P · ri) / t，代入 P = 5MPa，ri = 7.5cm，t =2cm，计算得τ = (5×7.5) / 2 = 18.75MPa。
同理，代入 P = 10MPa，ri = 7.5cm，t = 2cm，计算得τ =(10×7.5) / 2 = 37.5MPa。
残余应力及如何测量
为什么会有残余应力金属材料在产生应力的条件消失后，为什么有部分的应力会残留在物体内？为什么这些应力不会随外作用力一起消失？金属材料在外力作用下发生塑性变形后会有残余应力出现!而只发生弹性变形时却不会产生残余应力.原因：金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外力去除后这部分力仍然存在,就是所谓的残余应力.根据它们存在的范围可分为:宏观应力\微观应力和晶格畸变应力.注意它们是在一定范围存在的弹性应力. 残余应力不只是金属有，非金属也存在，比如混凝土构件。
残余应力的根源在于卸载后受力物体变形的不完全可逆性。
金属残留在物体内的应力是由分子间力的取向不同导致的。
外力撤销后，外力所造成的残余变形导致了残余应力。
通常用热处理、时效处理来消除残余应力。
因为材料受外力作用后，金属的组织产生晶格变形，并不会随外力消失而恢复。
所以会产生残余应力。
组织产生晶格变形了，自身储存了一些能量但级别又克服不了别的晶格的能量。
所以就回有残余应力。
我们真正关心的是零件加工后的质量。
由于毛坯制造过程中会造成较大的残余应力，而这些零件毛坯中处于“平衡”状态的残余应力在加工之前不引起毛坯明显变形。
当零件加工之后，原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破，应力释放出来，会造成零件很快变形而失去应有的加工精度。
减小毛坯中因制造而残留在毛坯内部残余应力对零件加工质量的影响，通常要进行消除应力的热处理，对要求精度高的零件要在粗加工后进行人工时效处理，加快残余应力的重新分布面引起的变形过程，然后再精加工。
不仅对细长轴，而且包括所有要经过冷校直的零件(如型钢、导轨)，应当注意残余应力对零件加工精度的影响。
影响高精度零件质量的残余应力主要是在加工过程中产生的。
在切削过程中的残余应力由机械应力和热应力两种外因引起。
机械应力塑性变形是切削力使零件表层金属产生塑性变形，切削完成后又受到里层未变形金属牵制而残留拉应力(里层金属产生残余压应力)。
过程设备设计(郑津洋第三版)终极版思考题答案 (2)
压力容器导言思考题1.1介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？答：我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。
压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。
设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害（Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。
介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。
压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。
因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。
例如，Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100％射线或超声检测，且液压试验合格后还应进行气密性试验。
而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。
又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构思考题1.2 压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？答：筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。
支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。
安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。
残余应力测量与消除方式的介绍课件
振动时效 30—60% 较好 10元/吨 一小时内 无污染 较好 可忽略不计 几乎任何工件 任何工序之间
残余应力测量与消除方式的介绍
4
2、振动时效的介绍
振动时效技术
振动时效技术，国外称之为“Vibrating Stress Relief”简称“VSR”,源自 于敲击时效，通过专业的振动时效设备，使被处理的工件产生共振，并通过 这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微 观的塑性变形，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件 在加工和使用过程中变形和开裂。
七、仪器的保养和维护。
残余应力测量与消除方式的介绍
11
2、振动时效的介绍
振动时效局限性
1.不能替代去应力目的以外的热处理 2.不能显著改变金相组织及机械性能（如强度，硬度） 3.不能用于校形 4.对于箱，板形工件时效噪音较大 5.工艺效果在很大程度上取决于工艺员的振动时效工艺理论水平和经验 6.不适宜于高压容器、残余应力较小的工件、大尺寸的薄板焊接件、薄壁铸件、大部分 冷加工件、弹性结构应力为主的工件、刚性过大或尺寸过小件（其中部分可用振动平台 来时效） 7.并非工件所有部位的时效效果都一致
残余应力测量与消除方式的介绍
6
2、振动时效的介绍
振动时效设备构成
残余应力测量与消除方式的介绍
7
2、振动时效的介绍
振动时效设备类型
直流振动时效 设备
高能振动时 效设备
定量振动时效 设备
➢液晶振动时效设备
➢智能频谱交流振动 时效设备
➢定量式多通道振动 时效系统
➢数码振动时效设备
➢液晶振动时效设备
➢定量式全自动振动 时效设备
工件的支撑及激振器和传感器的装夹。
第三章第四节2--厚壁圆筒-应力(章节优讲)
第进三而章得出：
d 1 (d d r ) dr E dr dr
1 r
(
r
)
1 rE
(
r
)
将上述公式代入公式(3-46d) 得
(3-46e)
d dr
d r dr
1 r
( r
)
式（3-46e）是根据微元体的几何变化关系及物理关系得出 的补充方程，将其与式（3-46a）联立并整理，得：
d2 r 3 d r 0 dr2 r dr
第三章
当 K 时，pmax 0.5
，其含义是，
对厚壁圆筒，其壁厚的无限增加只能换来允许承受载
荷的有限增加。即用增加壁厚来增大承载能力是有限
和有条件的。在应力低的筒体外壁处增大壁厚，对筒
体提高承载能力作用不大，甚至造成浪费或其他问题。
多层板厚壁筒体及绕带筒体的采用，可以有效
地避开单层厚壁筒体的上述局限性。
变形
*里层材料的约束
*外层材料的限制
2、径向应力沿壁厚非均匀分布
各层材料变形的相 互约束和限制
中国地质大学（武汉）优质工教程学院 安全工程 倪晓阳
第三章 厚壁圆筒的应力特点
1、三向应力----环向应力、轴向应力、径向应力 2、应力梯度----环向应力和径向应力沿壁厚非均匀分布 3、温差应力----沿壁厚的温差引起的热应力不可忽视
中国地质大学（武汉）优质工教程学院 安全工程 倪晓阳
元体的径向应变为：
r
(u
du) dr
u
du dr
(3-46b)
微元体的环向应变为：
(r
u)d rd
rd
u r
(3-46c)
优质教学
u du
残余应力测试方法
残余应力测试方法残余应力是指材料或结构在受力作用后，未完全消除的应力。
残余应力的存在可能会对材料的性能和结构的稳定性产生影响，因此对残余应力进行测试和评估是非常重要的。
一、残余应力的形成原因1. 加工过程中的应力：在材料加工过程中，由于变形、切削或焊接等操作，会引入应力，这些应力可能会在材料中残留下来。
2. 热应力：材料在加热和冷却过程中，由于热胀冷缩不均匀，会产生热应力，这些应力也可能会残留下来。
3. 外部载荷：材料受到外部力的作用，如压力、拉力或弯曲力等，会导致材料产生应力，这些应力也可能会残留下来。
二、残余应力的测试方法1. X射线衍射法：通过测量材料中晶格的畸变程度来间接推测残余应力的大小和方向。
2. 中子衍射法：利用中子的衍射特性来分析材料中晶体的结构和应力状态。
3. 应变测量法：通过测量材料中的应变来推断残余应力的大小和分布。
4. 晶格畸变法：通过分析材料中晶格的畸变情况来评估残余应力。
5. 超声波法：利用超声波在材料中传播的速度和衰减情况来测量材料中的应力。
6. 磁性法：利用材料磁性的变化来分析残余应力的分布和大小。
7. 光学法：通过光学显微镜或偏光显微镜观察材料中的应力畸变情况。
8. 拉伸法：将材料进行拉伸测试，通过测量材料的应变和应力来计算残余应力。
三、残余应力测试的应用领域1. 金属材料：在金属材料的制备和加工过程中，残余应力会对材料的强度、韧性和疲劳寿命等性能产生影响，因此对金属材料中的残余应力进行测试是非常重要的。
2. 焊接结构：焊接过程中产生的残余应力可能会导致焊接接头的变形或裂纹，因此对焊接结构中的残余应力进行测试可以评估焊接接头的质量和可靠性。
3. 玻璃材料：玻璃材料在制备和加工过程中可能会产生残余应力，这些应力可能会导致玻璃材料的破裂或变形，因此对玻璃材料中的残余应力进行测试可以评估其稳定性和可靠性。
4. 复合材料：在复合材料的制备和加工过程中，残余应力可能会导致复合材料的层间剥离或破坏，因此对复合材料中的残余应力进行测试可以评估其性能和可靠性。
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用局部逐层去除法测量厚壁圆筒的内部残余应力谭龙;张建勋;张从平【摘要】采用局部逐层去除法对厚壁圆筒热处理后的残余应力进行测量,拟合得到了圆筒轴向和环向残余应力的分布规律.结果表明,局部逐层去除法能有效地得到厚壁圆筒热处理后内部残余应力的大小及分布;厚壁圆筒热处理后的轴向残余应力在焊缝区域为压应力,内、外表面距离焊缝较远的区域为拉应力,且拉应力的最高值出现在厚壁圆筒接头的外表面热影响区附近,内部为压应力;厚壁圆筒热处理后环向残余应力在焊缝区域为拉应力,峰值出现在圆筒内部靠近内表面一侧,焊缝周围的母材区域为压应力.经过焊后热处理,厚壁圆筒的残余应力总体水平相对较低,环向残余应力和轴向残余应力均降至100 MPa以下.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)009【总页数】6页(P130-135)【关键词】厚壁圆筒;局部去除法;内部残余应力【作者】谭龙;张建勋;张从平【作者单位】西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,710049,西安;东方汽轮机有限公司制造技术处,618000,四川德阳【正文语种】中文【中图分类】TG404随着工业技术的发展,大厚壁焊接结构的应用越来越多,其内部残余应力也越来越受到学者的关注。
尽管残余应力的测量方法很多,但是大多数只能测量工件表面或者浅层的残余应力。
常见的测量焊接件内部残余应力的方法有:中子衍射法;裂纹柔度法;逐层剥削法;环芯法;阶梯孔法;逐层钻孔法;深孔法;轮廓法;逐层去除盲孔法;等。
中子衍射法能测量深达几十毫米的内部应力,但其费用太过昂贵[1]。
裂纹柔度法、逐层剥削法、环芯法等方法只能测得较大区域内应力的平均值[2-3],不太适合测量变化比较剧烈的内部残余应力。
阶梯孔法只能测量一个点处残余应力沿深度的变化[4],不能测量一个平面区域内残余应力的梯度变化。
逐层钻孔法每次测量时只能钻很浅的一层[5],不能很好地反映内部应力。
深孔法可以测量较厚的焊接构件的内部应力,并且破坏小,但该方法需要加工一个直径较大(近20mm)的圆槽[6],在测试窄间隙焊接接头时可能反映不出应力梯度分布。
轮廓法能够通过2次切割和叠加方法获得2个方向的应力,若结合XRD方法可以通过一次切割获得切割面上多个方向的应力,但该方法属于全破坏测试,且测试工件尺寸受切割设备的限制[7-9]。
局部逐层去除法[10]是一种简单方便、适合焊接件内部残余应力测量的方法,局部去除材料能最大限度地保证原始残余应力的完整性;可以进行多点测量,以便分析各测量位置的应力分布状态。
刘川等人采用局部逐层去除法对18 mm厚低碳钢板6道对接[11]和50mm厚钛合金板电子束焊[12]的内部残余应力进行了测量,并采用数值模拟的方法对整个测量过程进行了研究,模拟结果与测量结果吻合较好,证明该方法能有效地得到厚板内部残余应力的大小及分布,并且规律明显,数据准确,可为结构设计提供理论依据。
目前关于厚壁圆筒的测量,主要是在圆筒表面上对焊接接头区域进行的[13-14],而关于厚壁圆筒内部残余应力测量研究的文献很少。
厚壁圆筒窄间隙焊接件的残余应力受到工件外径、壁厚、材质、焊接工艺、焊接层数及顺序等众多因素的影响,因此有必要对厚壁圆筒结构的内部残余应力开展研究。
本文采用局部逐层去除法对厚壁圆筒热处理后的残余应力进行了测量,并分析了厚壁圆筒表面及内部的应力分布规律。
1.1 局部逐层去除法局部逐层去除法是用于测量厚壁工件内部残余应力的一种新方法,结合了盲孔法和逐层剥削法的优点[9]。
该方法利用机械加工的方式在工件上、下表面局部区域去除一定厚度的材料,然后在新形成的表面测量该深度的残余应力。
盲孔法本身会存在测量误差,故钻削前采用显微镜对正,钻削速度要慢,以减少人为因素引起的误差,在测量前需要对相同材料的试板进行去应力退火并钻孔测量钻削应变,在处理数据时要考虑钻削应变。
局部去除材料会导致应力释放和重新分布,引起原始残余应力变化,所以测量得到的应力结果是重新分布的应力[11-12]。
因此,在材料去除过程中,应保证工件尽可能少地发生变形,以降低应力重分布导致的误差。
通过双面对称铣削,保证应力释放为对称分布,可以有效减小角变形;在铣削过程中,每一个测量层分为多个加工层进行铣削,保证每一个加工层的加工量很小,铣削完一层之后翻面加工另一面,这样可以保证在铣削过程中的变形量很小。
机械加工会导致加工表面形成一层加工应力区,因此在进行材料去除的过程中,需要保证每一层的铣削深度不能太大。
另一方面,每一层的材料去除加工完成之后,需要用砂纸进行打磨,以保证将这一加工应力层去除掉,尽量降低其引入的误差。
进行内部应力测量时,通过局部不断去除材料来测量该区域不同深度的内部残余应力。
这种方法是基于目前已经很成熟的盲孔法发展而来的,为半破坏残余应力测量方法,可以进行多点测量和应力变化剧烈的构件的内部残余应力测量,与其他能够测量厚壁工件内部残余应力的方法相比,这种方法操作方便,测量效率高,成本低,具有良好的工程应用前景。
1.2 研究对象与测量过程研究对象是一个外径为1 980mm、壁厚为150mm的圆筒结构件,如图1所示。
试验材料为20Cr2NiMo,其屈服强度为680MPa,焊缝的屈服强度为560MPa。
母材和焊缝的化学成分见表1。
圆筒环焊缝采用TIG焊+SAW埋弧焊窄间隙焊接技术,焊道数量为80余道,焊接工艺参数见表2,焊后进行600℃×20h去应力热处理。
为方便内、外表面的铣削加工,先从环焊缝上截除一部分,如图2a所示。
文献[15-16]的研究结果表明,焊件切割掉一定尺寸后的剩余残余应力仍能表征原始应力分布趋势和特征。
在对厚壁圆筒进行切割时,在管壁内、外表面上进行多点应变监控,发现应变较小,表明沿厚度的弯曲应力释放较小。
考虑钻削加工引起的应变,在一块经过长时间去应力退火的厚壁圆筒用钢上进行钻孔测量,将测得的应变平均值作为钻削应变。
在计算应力时,需要减除钻削应变。
铣削加工和应力测量交替进行,整个过程如下。
(1)首先测量厚壁圆筒内、外表面的残余应力。
(2)将厚壁圆筒平稳地固定好,在圆筒外表面焊缝处铣削一个轴向长度为150mm、环向长度为100mm的槽,用直径为18 mm的铣刀以一定转速和移动速度进行铣削。
为防止铣削过程中产生热应力,铣削时用冷却液进行冷却。
铣削时每层分多次铣削,切进深度尽可能小,以降低铣削引起的加工应力。
例如:若共铣削5mm,当铣削至4.5mm后,每次铣削深度由0.5mm变为0.1 mm,以保证在测量时表面附加应力足够小。
(3)将厚壁圆筒翻转到内表面一侧,并平稳固定。
按照步骤(2),在内表面铣削一个与外表面尺寸一致的槽。
为尽可能减小因应力释放导致的变形,内、外表面的铣槽位置和深度应保持一致。
(4)对新形成的铣槽底面进行轻轻打磨和清理,以去除加工应力层,并采用盲孔法对内、外表面新形成的铣槽底面进行残余应力测量。
(5)对内、外表面新形成的铣槽底面的应力测量结束后,重复步骤(2)～(4),在内、外表面铣削出更深一层的铣槽并进行应力测量。
通过局部逐层去除法在距圆筒内、外表面5、10、15、25、35、45mm处依次进行铣削,每层铣削完成后,测量新形成铣槽底面的残余应力。
在厚壁圆筒内部总共铣削和测量残余应力12次,其铣削顺序和深度如图2b所示。
2.1 内外表面的残余应力分布图3所示为厚壁圆筒经过热处理后内、外表面的残余应力分布。
从图3a可以看出:内表面的轴向应力在焊缝中心处较小,在距离焊缝中心15mm处为峰值拉应力,峰值为62MPa,在远离焊缝的区域残余应力逐渐减小到0;内表面的环向应力分布呈现双峰特性,在焊缝附近为拉应力,在焊缝中心处数值较小,而在熔合线和热影响区数值较大,最大值为42MPa,随着到焊缝中心的距离增大,环向残余应力逐渐降低并变为压应力。
从图3b可以看出:外表面的轴向残余应力在焊缝中心为压应力,峰值为-80MPa;随着到焊缝中心的距离增加,压应力值逐渐减小,在焊接热影响区附近转变为拉应力;随着到焊缝中心的距离进一步增加,应力值逐渐降低到0。
外表面焊缝区域的轴向应力为压应力,本文测试得到的厚壁圆筒外表面的应力结果与文献[17]中的P91厚壁管道多层多道焊热处理后的外表面应力分布相近。
外表面的环向残余应力值较小,而轴向残余应力值相对较大,在-80到25MPa之间变化。
2.2 内部残余应力分布测试圆筒内部焊缝一侧的应力,作图时将数据相对焊缝中心进行对称,得到距内表面15、45、105、135mm处铣槽底面上新形成的轴向和环向残余应力分布,如图4所示。
从图4a中可以看出,轴向残余应力在深度方向上表现为一个连续而又逐渐变化的过程。
从整体分布来看,除距内表面15mm的位置线外,焊缝区域距内表面不同深度位置的轴向残余应力基本上为压应力,随着到焊缝中心距离的增加,压应力值下降,在熔合线附近出现压应力峰值;随着到焊缝中心的距离进一步增加,应力迅速增大,并在距焊缝中心20mm处达到应力峰值,之后应力逐渐下降。
虽然4条应力分布曲线的趋势比较一致,但在数值上却有所差异。
在距内表面15mm处除了熔合线位置为压应力外,整体应力分布均为拉应力,且拉应力峰值为87 MPa;距内表面135mm处的应力分布从焊缝中心到距焊缝中心20mm范围均为压应力,随着到焊缝中心的距离进一步增加,应力分布变为拉应力;距内表面45和105mm处的应力分布均为压应力。
在图4b中,从4条曲线整体分布来看,不同深度的环向残余应力分布为:在焊缝区域为拉应力;随着到焊缝中心的距离增加,拉应力值下降,在熔合线附近出现最小值,此后在距焊缝中心15mm处出现拉应力峰值;随着到焊缝中心的距离进一步增加,拉应力迅速转变为压应力,在距焊缝中心32mm附近达到压应力峰值,随后应力逐渐减小为0。
但是,各个深度的环向残余应力分布有所不同:在距焊缝中心和内表面均为15mm的位置应力最大,为100MPa;在距内表面15和105mm的焊缝区域应力变化较大;在距内表面45和135mm的焊缝区域应力变化则比较稳定,且在距内表面45mm的焊缝区域拉应力最小。
2.3 整体残余应力分布假设在距离焊缝中心较远的区域残余应力值为0。
根据构件中残余应力的连续性及自平衡性,采用3D科学绘图软件Surfer将内、外表面和内部残余应力的测量结果拟合绘制成应力云图,如图5所示。
从图5上方的轴向应力分布图中可以看出,厚壁圆筒经热处理后,焊接接头横截面上的轴向残余应力分布为:圆筒焊缝区域整体表现为压应力,焊缝附近的母材区域为拉应力;拉应力区域在壁厚方向的宽度为35mm,且拉应力峰值出现在厚壁圆筒接头的外表面热影响区附近,峰值为99 MPa;圆筒的内部应力为压应力,压应力的峰值出现在焊缝区域距内表面40mm处,峰值在-70MPa左右。