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 μ

0.3

0.3

0.3

161.5mm

90.5mm

120.0mm

32.0m m

15.5m m

23.5m m

3

1

2

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：

2

021A ⎪⎭

⎫

⎝⎛+-=d d μ

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛++-

=40203142

1d 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：

()()⎥⎦

⎤

⎢

⎣⎡-+-±+=20220221424A

εεεεεεσααααB E ，

α

α

αεεεεεθ202022tan -+-=

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：

θσσσσσα

2cos 2

22

12120-±+=， 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。

(1)网格划分

有限元计算模型和网格划分如图所示。试件几何尺寸为400mm×250mm×4mm，焊道长度为217mm。采用六面体单元来计算温度场和应力场，单元类型为三维实体全积分单元。网格划分时，为平衡考虑计算精度和计算时间问题，在焊缝及其附近区域有限元网格划分得较密，而在远离焊接区域网格划分得相对较稀疏。

(2)模型参数设定

焊接电流120 A，焊接电压18.5 V，焊接速度为0.5m/min。采用双椭球体积移动热源来模拟焊接热输入。假定其CO2焊的热效率为0.9，在计算中设定环境温度为

20 ℃，考虑工件与外部环境的对流和辐射。弹性应力－应变关系遵循各向同性虎克定律，塑性变形采用V on-Mises准则，同时考虑材料的力学性能如弹性模量、泊松比、屈服、强度和热膨胀系数随温度变化而变化。由于Q235 材料的加工硬化效果不明显，所以忽略了加工硬化的影响。设定的力学边界条件用来防止模型发生刚体位移

(3)数值模拟结果分析

如图为试件纵向残余应力分布云图。焊缝及近焊缝区等经历过高温的区域存在较大的拉应力，沿着焊缝方向来看，由于焊缝较长，在焊缝中段出现了一个稳定区，且纵向残余应力大于材料的屈服强度。两端存在一个过渡区域，纵向残余应力逐渐减小，在板边纵向残余应力为0。纵向残余应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力，两边为压应力，压应力和拉应力在截面内平衡。

上图为试件横向应力分布云图。横向应力形成的原因较为复杂，纵向收缩会导致焊缝两边的板子产生相对的弯曲的倾向，但由于两边实际上是连在一起的，因而将导致焊缝的两端部分产生压应力而中心部分产生拉应力，这样才能保证板不弯曲。所以焊缝的横向应力表现为两端受压，中间受拉，且压应力比拉应力要大得多。此外横向收缩也会对横向应力的分布产生影响，对于本次实验的焊接顺序，其效果是两端受拉，

中间受压。二者的综合作用的结果是沿着焊缝方向，两端受压，中间受拉。

line

如图所示，为试件上表面的纵向和横向残余应力在中央截面上的分布，实验值与数值模拟结果所反映的纵向应力分布趋势基本一致，焊缝与近焊缝区域为高的拉应力，远离焊缝的区域为压应力。横向残余应力的实验结果为靠近焊缝的实验点呈拉应力，远离焊缝的点为压应力，与数值模拟的结果有一定偏差。这可能是因为本次模拟的力学边界条件为三点约束，模型实际上是自由状态，而实际焊接过程中，需要加压块固定试样。相比较纵向残余应力，横向残余应力对外部拘束更敏感一些，所以计算结果偏小。

3.实验误差分析

（1）从计算原理上来看，本次实验的释放系数A、B的近似计算公式是根据通孔Kirsch理论解导出的，计算时的释放应变仅考虑应变片中心一点出的应变，与实际情况不符，Schajer对盲孔释放应变进行了有限元计算，Kabiri对释放系数各计算值进行了比较，有的跟实际标定的A、B值有较大差别，这会造成最终计算出来的应力与真实数值有较大差异。可以通过有限元计算的方法对A、B值进行修正，提高应力计算精度。

（2）在钻孔的时候，可能会产生附加塑性应变，影响应变测量精度，所以要以