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
[ K ](d ) [dR]

结束语：目前虽然已经发展了焊接热弹塑性理论，
借助于有限元和高速计算机来计算和预测残余应力的形 成和分布，在某些场合可以获得比较理想的结果。但是 由于焊接过程本身的局限性，理论计算和实际检测的结 果并不总是符合的很好，因此焊接残余应力的实测是必 要的。
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2.3 剥层法：是采用铣、研磨抛光、腐蚀、电解腐蚀
或电火花剥蚀等对已磨削表面进行剥层使表面残余应力 释放引起试件产生变形由此变形量的大小再根据弹性理 论可以推算出被削层内的应力。 总结：取条法、切槽法及剥层法,对于测定构件的残 余应力而言,都是破坏性比较大的应力释放法。目前,在 一般情况下,很少采用上述几种方法,更感兴趣的是破坏 性比较小的钻孔应力释放及其电测法。
a2 1 2 3a 2 4a 2 ro (1 2 ) (1 4 2 ) cos 2 （3） 2 r 2 r r 1 2 a2 1 2 3a 2 o (1 2 ) (1 4 ) cos 2 （4） 2 r 2 r
1 2
钢结构焊接残余应力的测定
本硕12级 孟宪章
主要内容：
1. 2. 3. 4. 焊接残余应力的产生及危害 破坏性应力释放法测定残余应力 钻孔应力释放及其电测法 焊接残余应力有限单元分析简介
1.焊接残余应力的产生及危害
1.1焊接残余应力的产生
① 直接应力：这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：这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 ③ 组织应力：这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。
3.钻孔应力释放及其电测法
3.1钻孔法的基本原理：
在具有残余应力的构件上钻一小孔,使孔的邻域内 由于部分应力释放而产生相应的位移与应变，其中应 力分量为（钻孔前）： 1 2 1 2 r cos 2 （1） 2 2 （2） 1 2 1 2 cos 2 2 2 板O点处钻一半径为a的通孔,则在孔邻近任一点的 应力分量的Kirsch.G-基尔斯解（基于孔壁开裂力学模 型）为:
而由于钻孔引起的应力改变量为:
r ' ro r ' o r 1 2 a2
2 2 r r
2 2

1 2 3a 2
2 2 ( r4
4
4a 2 2 ) cos 2 r
（5） （6）
1 2 a2

1 2 3a 2
2.1 取条法：取条法是从存在残余应力的构件上切取矩
形等截面细直条状试样,使切取下的试样残余应力完全释放, 测量试样长度在应力释放前后的变化,经换算得构件在切取 试样处原有的残余应力。 2.2 切槽法：切槽法是在构件表面上切削沟槽,而这沟槽 在构件表面上形成一定的区域,使此区域内的残余应力释放, 测量其应变以求得此处的残余应力。假定此处在切槽前残 余应力是均匀分布的,而在切槽后残余应力完全释放显然, 沟槽的横截面形状大小及出沟槽所围成的应力释放区的形 状大小等均可根据需要确定。在此区域内标点,测得切槽前 后标点之间的距离的变化,即可推算出残余应力。
1.2残余应力的危害
在焊件服役过程中,焊接结构的残余应力和其所受载荷引 起的工作应力相互叠加,使其产生二次变形和残余应力的 重新布,这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性,而且 在温度和介质的共同作用下,还会严重影响结构和焊接接 头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温 蠕变开裂的能力。
2.破坏性应力释放法测定残余应力
i i m
其中i=1,2,3。
4.焊接残余应力有限元分析简介
焊接热弹塑性分析包括四个基本关系：（1）应变-位 移关系（相容性条件）；（2）应力-应变关系（本构关系 （3）平衡条件（4）相应边界条件。 在热弹塑性应力有限元分析过程中,一般先把构件划分 成有限个单元,然后逐步加上温度增量（焊接时的温度场 预先算出）。每次温度增量加上后,将温度增量代入平衡 方程： ([K]为整体刚度，(d )为单元结点位移增量,[dR]为温度引 起的单元初应变等效节点力的增量) 解出各节点的位移增量。由几何方程、物理方程求出各单 元的应力增量,重复这一过程就可以解出整个焊接截面的 最终残余应力及残余变形。
A B r ( 1 2 ) ( 1 2 ) cos 2 E E ； a 2 1 a 4 1 a 2
'
（9）
其中
A
( ) 2 r
B 2( ) 3 ( ) r 2 r
（10）
而r为孔中心到应变片中心的距离。 设在与孔中心O等距离且与主应力1 成角度 , , 的三个方向上同时粘贴应变片,则由式（8）和（9）,分别产
'
（11）
（12）
（13）
由上式可得主应力 1 , 2 及主方向
1 E ra ' rc ' 2 rb ' cos 2 } [ 2 2 8 A sin
(2 rb ' ra ' rc ' ) 2 tan 2 ( ra ' rc ' ) 2 B sin ra ' rc ' tan 2 tan ( ) ' ' ' 2 rb ra rc
r
cos 2
r ' , ' 为点A点钻孔而释放的应力,因而在点A处将相应地产
生释放应变,并且有：
r'
1 ( r ' ' ) E
（7）
上式联立即可建立点A的径向应变 及主方向之间的关系式：
与主应力 1, 2 （8）
r ' r ' (1 , 2 , )