焊接残余应力的测定讲解
焊接残余应力的测定
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；
焊接残余应力的测定 学生用 2009
实验二焊接残余应力的测定第一部分盲孔法测定焊接残余应力1. 实验目的（1）掌握盲孔法测定焊接接头中的焊接残余应力的方法；（2）加深对平板对接接头中焊接残余应力分布规律性的认识。
2. 实验装置及材料（1）盲孔法应力测定钻孔装（ZDL—II）1套；（2）数字式电阻应变仪（WS-3811）1台；（4）数字万用表1个；（5）焊板16Mn 500mm×260mm×8mm 2块；（6）应变花纸基TJ120—1.5—φ 1.5 9片；（7）钻头φ 1.5mm 1根；（8）100#砂布、丙酮、502胶水、直尺、划针、导线、锡焊工具等。
3. 实验原理工件经焊接加工后，其内部存在着残余应力场。
在应力场内任意处钻一个一定直径和深度的盲孔后，随该处金属的去除，其中的残余应力即被释放，应力场原有的平衡亦受到破坏，这时盲孔周围的应力将重新分布，应力场达到新的平衡。
盲孔周围的应变，其大小与被释放的应力是相对应的。
测出这种应变，根据弹性力学理论便可推算出盲孔处的内应力。
如果钻孔前应变片粘贴在孔的周围如图6-4所示，钻孔后应变片即可感受到释放应变。
测出钻孔前、后各应变片的应变值，便可按下式算出主应力σ1、σ2及纵向应力σX的大小及主应力的方向γ。
图6-4 盲孔法测内应力布片示意图（公式）式中A、B为应变释放系数，需进行标定实验来确定其数值。
用盲孔法测焊接残余应力时，A、B的值与孔径、孔深、孔与孔的相对位置、应变片尺寸以及被焊材料种类等有关。
经标定，本实验的A、B值为：（A、B值）4. 实验内容及步骤（1）实验准备①用砂布打磨试板上待测部位表面，然后用丙酮除去试板表面油污。
②对待用的应变片进行外观检查；用数字万用表测量其阻值，要求每片应变花上的三个应变片的阻值差≤± 0.1Ω。
③按图6-5用划针划线，定出钻孔和贴片的位置。
图6-5 钻孔位置图④将应变片待贴面用除油污，再滴上少许502胶水，涂匀，稍晾片刻后将应变片贴于试件待测点位置。
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。
焊接结构残余应力分析
焊接结构残余应力分析摘要：焊接残余应力的存在，会直接影响到钢混结构的承载能力。
为了保证焊接结构的安全可靠，准确地推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的。
对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，不但费时费力，而且受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大。
关键词：焊接残余应力；有限元；对接焊缝一、焊接残余应力的概念焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。
焊接残余应力为热应力（主要为冷却应力），相变应力可再叠加其上。
在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。
二、焊接残余应力产生的原因焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。
焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形，这时焊件中的应力称为焊接残余应力。
焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。
焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：（1）直接应力是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。
（2）间接应力是由焊前加工状况所造成的压力。
构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。
这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。
另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。
（3）组织应力是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。
它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异，但一般情况下，这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。
焊接残余应力的测定及消除方法
焊接残余应力的测定及消除方法作者：王秀峰来源：《世界家苑》2017年第02期摘要：在钢结构行业中，焊接作为至关重要的应用技术，其应用的范围非常广泛，具有许多显著的优势，但是也具有一定的缺陷，钢结构焊接的残余应力和焊接中出现的变形问题。
在钢结构焊接作业中，如果出现钢材结构的温度不均匀，就会导致钢材结构出现许多焊接残余应力，从而造成焊接的钢结构产生变形以及开裂问题，影响了钢结构焊接施工质量。
本文主要针对钢结构焊接作业中残余应力产生的原因进行了深入分析，并对残余应力的影响展开了探讨，并提出了控制钢结构残余应力和变形的方法。
关键词：钢结构；焊接；残余应力；变形引言随着现代化科学技术的快速发展，我国的焊接加工技术也在不断发展进步，现代化焊接加工技术具有比较明显的技术优势，能够提高钢结构焊接的精细化水平。
1、焊接应力与焊接变形的定义1）焊接应力：钢材在焊接过程中，焊件部位会因为焊接时的局部高温产生不均匀的温度场。
高温时，有一部分钢材会产生很大的膨胀和伸长，但由于受到邻近钢材的约束影响，会在焊件内部产生较大的收缩应力。
在焊接的过程中，这种收缩应力伴随着焊接时间的变化和温度的升降变化不断的改变，而这种收缩应力就被定义为焊接应力。
2）焊接变形：焊接构件在焊接及逐渐冷却的过程中，由于焊接构件局部受热且受热不均匀，同时焊接构件冷却也不均匀，因此焊接构件不仅会产生焊接应力，还会产生各种变形。
这种焊件产生的变形，被称为焊接变形。
2、钢结构焊接应力与焊接变形产生的原因在钢结构焊接的过程中，由于对焊接钢构件局部加热，使得焊缝附近区域的温度很高，而远离焊缝的金属基本上不受热，其温度与室内温度差不多。
在焊接钢构件局部加热的过程中，焊缝附近金属由于受热作用会产生膨胀。
而远离焊缝的金属未受热不发生膨胀，但却会严重制约焊缝附近金属的膨胀过程，这样使得焊缝附近金属会产生部分塑性变形。
同样，在焊接金属冷却时也会受到周边未加热金属的影响，制约了焊接金属自由塑性收缩，使整个焊接钢构件均产生了收缩现象，同时也会产生焊接应力及焊接变形，这样就使得焊接钢结构产生了各种变形。
残余应力测量与消除方式的介绍
4、残余应力测量的介绍
金陵船厂
磁测法残余应力测量
磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下 磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。众所周知，铁磁材料具有磁 畴结构，其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致 伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为 张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化 转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过装有特 定残余应力计算机软件的计算机计算，得出残余应力的大小、方向和应力的 变化趋势。
经济型振动时效设备
数码交流振动时效设 备
2、振动时效的介绍
金陵船厂
交流与直流对比
2、振动时效的介绍
金陵船厂
设备的技术参数
参数 最大激振力（KN） 调速范围（r/min) 1000-8000 涵盖范围 10/20/30/35/40/50/65/80
稳速精度（r/min)
电机额定功率（Kw） 最大处理工件重量（T） 加速度显示范围 加速度测量 供电电压（V） 打印功能
2、振动时效的介绍
金陵船厂
振动时效设备原理
振动处理技术又称做振动消除应力，在我国又称做振动时效。它是将一个具有偏心 重块的电机系统（称做激振器）安放在构件上，并将构件用橡皮垫等弹性物体支承，通 过控制器起动电机并调节其转速，使构件处于共振状态。约经20~30分钟的振动处理即 可达到调整残余应力的目的。可见，用振动调整残余应力技术是十分简单和可行的。
动测量和分析，快速显示X和Y方向残余应 力值，并显示各方向的平均应力曲线。并 可将测量结果和分析曲线打印，作为检验
依据永久保存。是目前唯一能进行三维应
焊接残余应力的测定
根据上式，只需在板上测量与点O为等距离的三点A、B、C ' ' ' 的径向应变 rA , rB , rC ，即可求的主应力1 , 2 跟主方向 。 于是问题归结为径向应变的测定。
3.2径向应变的电测法
通常可在钻孔周围的构件表面上粘贴电阻应变片,用电阻 应变仅来测定径向应变。将式（5）（6）带入（7）得：
2
]
当 45 时有： (2 0 ' 45' 45' ) 2 ( 45' 45' ) 2 1 E 45' 45' } [ ] 2 4 A B
45' 45' tan 2 2 0 ' 45' 45'
当 120 时有： (2 0 ' 120 ' 120 ' ) 2 ( 120 ' 120 ' )2 1 E 120 ' 120 ' 2 0 ' } [ ] 2 6 A B
120' 120 ' tan 2 3 2 0' 120 ' 120 '
采用钻孔法测试残余应力时,会不可避免地使孔洞周围金属 产生附加应变 m。这部分应变是由刀具切削挤压孔边所 ' 造成的。显然,钻孔后所释放的真实应变应为所测应变 i 与附加应变 m 之差,即 '
生的径向应变 ra , rb , rc 为：
' ' '
A B ra ( 1 2 ) ( 1 2 ) cos 2( ) E E A B ' rb ( 1 2 ) ( 1 2 ) cos 2 E E A B ' rc ( 1 2 ) ( 1 2 ) cos 2( ) E E
小孔法测焊接残余应力试验报告
《焊接残余应力应变测量》实验报告五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)应变花的贴片位置分布原始实验数据记录测量点1 2 3 距焊缝中心距离（mm ）15.5 23.5 32.0 σ1（MPa ） 356.6 30.0 -28.6 σ2（MPa ）155.5 -16.4 -74.9 θ 8.3 120 71.8 ε0 -293.4 14.3 58 εɑ -97.9 -35.2 50.3 ε2ɑ 8.1 -21.9 -0.3 σ0 352.4 -4.8 -70.4 σɑ 227.4 26.9 -65.5 σ2ɑ 159.6 18.4 -33.1 A -0.058 -0.058 -0.058 B -0.164 -0.164 -0.164 d 0 1.5 1.5 1.5 d 5 5 5 E(Gpa) 210 210 210 μ0.30.30.3161.5mm90.5mm120.0mm32.0m m15.5m m23.5m m312六、实验结果及分析1.实验结果分析上表为实验原始数据，红色字体部分数据是应力应变仪根据根据黑色字体部分的参数计算得到的，计算公式如下。
释放系数计算公式：2021A ⎪⎭⎫⎝⎛+-=d d μ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=402031421d d d d B μμ μ为泊松比E 为材料杨氏模量主应力及角度计算公式：()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-±+=20220221424AεεεεεεσααααB E ，αααεεεεεθ202022tan -+-=ααεεε20为各应变片的应变量，θ为σ1与0°位置的夹角纵向与横向残余应力计算公式：θσσσσσα2cos 22212120-±+=， 本实验中0ε为应变花中平行于焊缝的应变片所测应变，αε2为垂直于焊缝的应变片所测应变，0σ对应纵向残余应力，ασ2对应横向残余应力。
2.数值模拟计算与残余应力分布讨论基于MSC.Marc 有限元分析软件，针对本次实验所用的Q235薄板单道堆焊，建立有限元模型，并结合实验测试结果，计算和讨论了试件的纵向和横向的残余应力的大小及分布特征。
焊接残余应力分析及消除方法
焊接残余应力分析及消除方法一、什么是焊接应力焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。
焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。
焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。
当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。
在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。
焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观。
二、焊接应力的危害焊接残余应力对焊件有 6个方面的影响：①对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。
在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。
焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数应力循环特征系数和循环应力的最大值有关其影响随应力集中系数的降低而减弱，随的降低而加剧，随的增加而减弱。
当接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。
②对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。
焊件的刚度会因此而降低。
③对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。
残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。
残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。
④对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。
焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。
⑤对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。
焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。
⑥对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。
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]。
焊接残余应力的测定
（三）焊接变形的基本形式（四）应力测量原理焊接残余应力的测定方法，按其原理可分为应力释放法，x射线法与磁性法等.其中以应力释放法应用较为普遍.而应力释放法又...：焊接残余应力的测定实验目的：1学习采用应力释放法测量焊接残余应力的原理，初步掌握测定接头中焊接残余应力的操作技能；2、加深对于焊接接头中焊接残余应力分布规律性的理解；3、了解焊接法对于残余应力的峰值及分布的影响。
实验原理:（一）钢板中间加热温度达塑性变形温度范围弹塑性炙形加热厘度虚室也隻形葩S!內菊遑旻拉应力中间凳压应力的妾际伸长（二）钢板中间加热温度在弹性变形温度范围弹更性麦形加榆谨度在更柱麦刑临禹内弹塑性支形加热爼皮扈更性支形范禹由暉性变形禅性吏形如热锻度盛弹桂龙形范囲内弾桂仲氐炽热显曼虚弹性复形葩S!内两直炎ik血力中同受圧应力驗娈际伸收（三）焊接变形的基本形式波浪变形弯曲变形波浪变形弯曲变形焊接残余应力的测定方法，按其原理可分为应力释放法，x射线法与磁性法等。
其中以应力释放法应用较为普遍。
而应力释放法又可分为小孔法（盲孔法）、套孔法与梳状切条法，其中又以小孔法对于接头的破坏性最小。
本实验采用小孔法测定在钢板上敷焊后的焊接残余应力。
下图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改变，应力场产生新的平衡。
若测得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处的内应力。
为了测得这种应变量的变化，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。
分别测出钻孔前后各应变片的应变值。
便可按下式算出主应力的大小和方向。
其中:2或彳应2(1 +円亠斥+代尸二+尸2：苻 ~~r r- 2mm r 2= 4 mm R二1 ・ 5 mm分别为钉J拙方向应变量建值：H为梢松I；匕职0.25 ；E为材料鹅性模量取210 X 10 9 Pa实验器材:1交流电焊机：用于钢板的敷焊2 yj-22型静态电阻应变测量处理仪yj-22 型静态电阻应变测量处理仪是一种带有8 0 3 9单片微处理机的应变仪，配合yj-22 型转换箱可进行自动测量。
残余应力测定方法（精）
残余应力测定方法（精）第二章残余应力测定方法残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理测量法两类。
物理测量法包括X射线法、磁性法、和超声波法等。
它们分别利用晶体的X射线衍射现象.材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。
它们是无损的测量方法。
其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的一种测量方法。
磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前途的两种测试方法。
物理法的测试设备复杂.昂贵.精度不高。
特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。
机械方法包括切割法、套环法和钻孔法（下面主要介绍）等，它是把被测点的应力给予释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。
残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具有简单、准确等特点。
从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则测试宏观应力与微观应力的综合值。
因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。
一、分离法测量残余应力切割法和套环法都是将被测点与其邻近部分分开以释放残余应力，因此统称分离法。
它是测量残余应力的一种最简单的方法，多用于测量表面残余应力或沿厚度方向应力变化较小的构件上的残余应力。
（一）、切割法：在欲测部位划线：划出20mm×20mm的方格将测点围在正中。
在方格内一定方向上贴应变计和应变花，再将应变计与应变仪相连，通电调平。
然后用铣床或手锯慢速切割方格线，使被测点与周围部分分离开。
切割后，再测应变计得到的释放应变。
它与构件原有应变量值相同、符号相反，因此计算应力时，应将所得值乘以负号。
释放后的残余应力计算方法如下：1、如果已知构件的残余应力为单向应力状态，只要在主应力方向贴一个应变片（如图3.1）即可。
分割后得释放应变ε，由虎克定律可知其残余应力为：σ=-Eε（1）2、如果构件上残余应力方向已知，则在测点处沿主应力方向粘贴两个应变片1和2（如图3.2所示）。
焊接残余应力
西南交通大学轨道交通关键材料及工艺研究中心 西南交通大学焊接研究所
— Friday, April 24, 2020—
目录
1 残余应力的基本概念 焊接残余应力与变形的产生
2
焊接残余应力的分类及分布
3
焊接残余应力的测量方法
4
5 焊接残余应力对焊接结构的影响 6 减少焊接残余应力的措施
在加载方向的径向应力 分布左图所示。若在钻孔前 将一应变片粘贴在受有应力 的板上，距孔边0.5到1.5d （为孔径）处，钻孔时应变 片将感受出因应力降低产生 的应变（图2中阴影所示）， 这个应变显然和孔边的应力 释放有关。
钻孔引起的弹性径向释放应力
盲孔法测试残余应力应变片示意图
释放应力计算公式
3.根据应力与焊缝的相对位置
1.纵向应力：应力作用方向与焊缝平行 2.横向应力：应力作用方向与焊缝垂直
4.根据应力产生、作用的时间
1.瞬时应力：焊接过程某一瞬时出现的应力 2.残余应力：焊后残留在焊件内的应力
5.根据应力形成的原因 1.温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力 2.拘束应力：由于焊件热变形受到拘束引起的应力 3.组织应力：由于接头金属组织转变时体积变化引起的应力
• 小孔释放法重要的一点是应变释放系数A、B的确定， 通孔法应变释放系数可由Kirsch理论直接计算出，盲 孔法应变释放系数则需用实验标定。
钻孔法原理
• 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，测得小孔附近的弹性应变增量，就可以用弹 性力学原理推算出小孔处的残余应力。
• 对于厚度大的板或体型构件，可采用盲孔法测定残余应力， 其操作方法与通孔法一致，只是盲孔深度要稍大于盲孔直径， 求得的残余应力是盲孔深度上的平均值，当钻孔深度达到某 一尺寸时，继续增加钻孔深度就不在影响表面应力状态了。 国外Bathgate、Kelsey等人都用实验证明了当钻孔深度等于孔 径时，在表面上得到最大的释放值，此时释放系数与其后钻 孔深度就没有关系了。
（完整版）盲孔法测残余应力
（完整版）盲孔法测残余应力关于构件的残余应力检测（盲孔法检测）一、前言（1）应力概念通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。
按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。
当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。
第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。
第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。
在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。
到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。
除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。
（2）应力作用机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。
适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。
（3）应力的产生在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。
但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：1.不均匀的塑性变形；2.不均匀的温度变化；3.不均匀的相变（4）应力的调整针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。
通常调整残余应力的方法有：①自然时效把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。
小孔法测量焊接残余应力
3.3.1焊接残余应力测试方法焊接残余应力的测量始于20世纪30年代，至今已研究出数十种测量方法[47]，可分为两大类，一类是机械测量法，例如小孔法、分割全释放法等，另一类是物理测量法，例如X 射线衍射法、超声波法等[48]。
机械测量法是将构件的一小部分从整体中分离或切割出来使应力释放，采用仪器测量出释放的应变大小，然后通过应力应变公式计算出焊接残余应力，其特点是对构件有一定的损伤；物理测量法虽然对被测构件无损害，但成本较高。
其中小孔法和X 射线衍射法是使用较多的，尤其以小孔法最多。
小孔法是J.Mather 于1934年提出的，该方法操作相对简单，测试成本较低，对构件破坏程度小，可测量各种金属和非金属材料的残余应力，但是盲孔法测量精度受许多因素的影响，例如孔边塑性变形、钻削附加应变、孔位偏移、孔径和孔深误差、应变片粘贴质量及灵敏度误差等，另外采用小孔法测量高残余应力时，应力集中会造成孔边屈服而产生的塑性变形，这会造成很大的测量误差。
3.3.2小孔法测量焊接残余应力原理如图3.8所示为测试点O 附近的应力状态，σ1和σ2为O 点的残余主应力。
在离O 点距离为r 的P 点处，σr 和σt 分别表示钻孔释放的径向应力和切向应力，φ为σr 和σ1的夹角[49]。
aσ1σ2r φOPσrσt图3.8 测试点O 附近的应力状态 Fig.3.8 The stress state near test point O根据弹性力学原理可得P 点的原有残余应力和与残余主应力σ1和σ2的关系为：'1212'1212cos 222cos 222r tσσσσσϕσσσσσϕ+-⎧=+⎪⎪⎨+-⎪=-⎪⎩ （3.1） 在测试点O 处钻一个半径为a 的小孔释放应力，由弹性力学可知，钻孔后的应力和分别为：242''121224224''12122434(1)(1)cos 2223(1)(1)cos 222r t a a a r r ra a r r σσσσσϕσσσσσϕ⎧+-=-++-⎪⎪⎨+-⎪=+-+⎪⎩ （3.2） 钻孔后，P 点应力释放量和为：''''''r r rt t tσσσσσσ⎧=-⎪⎨=-⎪⎩ （3.3） 将式（3.1）、式（3.2）代入式（3.3）中得：24212122422412122432()()()cos 2223()()cos 222r t a a a r r ra a r r σσσσσϕσσσσσϕ⎧=-++--⎪⎪⎨⎪=+--⎪⎩ （3.4） 同时，测试点O 钻完孔后，P 点应变片测量的释放应变εr 为：1)r r t Eεσμσ=-（ （3.5）径向应变εr 与残余主应力σ1和σ2的关系为：24212122421132()(1)()cos 222r a a a E r E r r μεσσμσσϕ⎡⎤+=-⨯++--⨯-⎢⎥⎣⎦ （3.6）但因应变片长度l =r 2-r 1，所测应变εr 为l 内的平均值，即：21211r rmr r dr r r εε=-⎰ （3.7） 将式（3.6）代入式（3.7）中积分可得：1212()()cos2rm A B εσσσσϕ=++- （3.8）其中：2122222112222121212(1)()214a A E r r a r r r r a B Er r r r μμ+=-⨯⎡⎤+++=-⎢⎥⎣⎦（3.9） 式中，r 1=1.75mm ，r 2=3.25mm ，a =0.75，泊松比μ＝0.3，弹性模量E ＝212Gpa 。
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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）、焊缝及其附近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 y 这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 有关。如图3所示 ' '' 在一般的焊接接头中，都存在 y 和 y ，所以最终的横向残余 '' ' 应力都将有 y 和 y 来决定。因此影响的因素有以下几个 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。 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， 则相应焊缝残余应力为：
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。
（1）、磁性法 原理：铁磁材料具有如下的性质，在 磁化时，如果在应力作用（产生应变）下， 则材料的导磁性能要发生变化，即同一种材 料，有应力作用和无应力作用，其磁化曲线 是不同的。在一定的应力范围内，初始导磁 和应力成线性关系，如图8所示，当材料受 拉伸时，导磁性增加，受压时导磁性减小。
我们知道，一个闭合磁路的磁阻 R 是由磁探 头本身的磁阻R1和式样的磁阻R2的总和， 即： L L
(2)
r
2 1 2 2a 2 3a 4 2a 2 3a 4 r (1 2 4 ) sin 2 (1 2 4 ) cos 2 2 2 r r r r
t 、 r
钻孔前的切向应力及径向应力
的表达式为：
t
1 2
2 2 1 2 1 2 r cos 2 2 2
R R1 R2
1S1
1
2 S 2
2
式中：S是有效面积，L是磁路的有效长 1 、2 分别是探头和试样的导磁率,因 度， 为应力只影响到 2 的变化，所以磁阻的相 对变化为： R R2 2 R2 R R 2 R
(8)
2 公式(8)即为求得焊接残余应力为 1 、 的基本公式. A、B称为释放应变系数，他们与被测材料的E、μ ，应变片尺寸（r1、r2）应变片 布位置，孔的半径a及孔的形状等有关，具体数据可通过实际标定结果来确定。
2、物理方法
物理方法包括磁性法、超声波法、x射线衍 射法等。 特点：测量应力时不必破坏焊件 这里主要介绍一下磁性法和x射线衍射法
B
10
8
i
6
4
2
0 0 2
f
4
6
图10
应变与导磁性的关系
如果用高导磁材料的槽型铁芯做探 头，如图9所示。当探头与被检测的试样 表面接触时，形成一个封闭的磁路。假 设在试样两端加一压力，由于压应变的 作用使试样导磁发生变化，压力越大， 变化越大。磁阻发生变化，使桥路产生 不平衡电流，直流表有电流输出。不同 的材料，受力后导磁的变化是不同的。
（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 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。
r'' r r'
根据弹性力学知：
t'' 1 a 2 1 3a 4 2 a2 2 3a 4 (1 2 ) (1 4 ) cos 2 (1 2 ) (1 4 ) cos 2 2 2 2 2 r r r r 1 2 a2 1 2 3a 4 ( )(1 2 ) ( )(1 4 ) cos 2 2 2 r r
2 ，距测点为r 设原始残余应力为 1 、 '' r 处的切向、径向应力为 t'' 、 ，钻孔时产生 t 、 r ，钻孔后重新平衡时的 的附加应力为 ' ' t ，其关系为： 应力为 r 、
t'' t t'
、
（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。
r2
' ( r
t' ) dr
将(7)式中的积分常数经过适当的处理,即可得到径向平均释放应变为:
m0 A(1 2 ) B(1 2 ) cos 2( ) m A(1 2 ) B(1 2 ) cos 2( ) m A(1 2 ) B(1 2 ) cos 2( )
1 y 2 2 f e
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 ） 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 4 4 4 2 a 3 a 4 a a 3 a 4 a r'' 1 (1 2 ) 1 (1 4 ) cos 2 2 (1 2 ) 2 (1 4 2 ) cos 2 2 2 2 2 r r r r r r 1 2 1 2 a2 4a 2 3a 4 (1 2 ) ( )(1 2 4 ) 2 2 r r r
变
1 2
cos 2
（3）
t
由公式（1）、（2）、（3）可求出因钻孔而产生的附加应 '、' 。
r
（1）种如图6所示，在孔周围贴三片电阻应变片，应变片在半 径r测的径向应变 ' 为：
r
1 ' ( r t' ) E 1 a2 3a 4 1 a2 3 a4 ' t 4 1 cos 2 2 2 4 2 2 1 2r 2r 2r 2r a2 3a 4 cos 2 2 ( 1 2 ) 4 cos 2 ( 1 2 ) 2r 2r 1 a2 2a 2 1 a2 a2 ' r 2 1 2 cos 2 2 1 cos 2 2 2 2 cos 2 2 2 2 cos 2 2r 2r r r 1 a2 2a 2 cos 2 4 2 ( 1 2 ) 2 cos 2 ( 1 2 ) 3 a ( 1 2 ) 4 2r r 2r
一般来说，我们需要对检测的材料先进行标定试 验，如压缩标定，是把试件放在万能试验机上找 出压应力和输出电流值的关系，如图10所示，标 定曲线近似一条直应力为拉伸应力，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 纵向残余应力的分布规律，可用下面公式表 示： 2
x( y )
y x max 1 x
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。 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。
r'
（4）
在应变片长度L范围内测得的平均释放应变量 1 ' 代入公式 （5） r ( r t' ) （5） E
得到：' m
1 E (r2 r1 )
' m
' 为： m
1 r2 r1
r2
r1
r dr
r2 r2 1 ' r dr t' dr r1 E (r2 r1 ) r1 E (r2 r1 ) r1 A B ' 再将公式（4）代入上式中，积分后得 m (1 2 ) (1 2 ) cos2 E E （7）