小孔法测焊接残余应力试验报告.docx
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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
开课实验室：
2018年4月27日
学院
材料学院年级、专业、班
材控姓名成绩
课程
名称
实验项目材料成型专业实验
名称
焊接残余应力应变测量指导教师
教师评语
教师签名：
年月日
一、实验目的
1.了解采用应力释放原理测量焊接接头残余应力的方法和步骤；
2.熟悉焊接接头中纵向残余应力和横向残余应力的分布规律；
3.掌握小孔法测量焊接残余应力的基本操作技能。
二、实验原理
在工件待测位置贴上应变花，然后在应变花中心对工件钻一个小孔，则孔周围的应力将由于原来的拘束部分的去掉而重新调整而产生一定应变。
小孔周围金属的应变将带动应变花中的电阻丝形状发生改变，从而改变电阻丝的大小使得分布在电阻丝上的电压发生改变。
应力应变测试仪器将接受的电信号根据弹性力学原理计算出工件产生的应变及残余应力。
三、使用仪器、材料
CO2自动焊机一台
ASM1.0型全自动应力应变监测记录仪一台
数字万用表一台
专用钻孔设备一套应变花三片
Q235钢板（400mm×250mm×4mm）一块专用连接端子三个电烙铁一把焊锡丝若干金相砂纸若干495粘结剂一瓶502粘结剂一瓶钢尺一把透明塑薄膜若干接地线一根无水乙醇若干棉球、镊子、剪刀等工具一套
四、实验步骤
1.焊接试板准备（实验前预先准备好）
用CO2气体保护焊在钢板表面焊一层纵向的焊缝。
焊接电压18.5V焊接电流120A焊接速度0.5m/min
2.应变花和应变片粘贴
（1）工件贴片表面处理将工件待测位置用砂纸相对于焊缝的45°方向打磨，再沿135°方向打磨，即两个打磨方向垂直。
交替打磨至工件待测位置表面光洁，再用纸巾擦去工件表面的磨屑。
之后用浸有无水乙醇的棉球将待贴位置及周围擦洗干净，直至棉球洁白为止，注意擦拭时要沿着一个方向，从里到外。
（2）贴应变花用手捏住应变花的引出线，在应变花基底底面上涂抹一层粘结剂后，并用塑料片将粘结剂刮平，立即对准工件待测位置将应变花基底面向下平放在试件上，注应变片花，用一小片塑料薄膜盖在应变花上，用手指滚压挤出多余的粘结剂和气泡。
手指保持不动，使应变花和试件完全粘合后再放开，从应变花无引出线的一端向另一端轻轻揭掉塑料薄膜，用力方向尽量与粘贴表面平行，以防将应变花带起。
（3）贴连接端子将连接端子中间的圆孔对准已粘好的应变片，平放在工件上，注意不要压到应变
片引线。
调整连接端子的位置，将锡焊点对准应变花上相应的应变片。
将502粘结剂
滴在连接端子与工件的间隙处，注意粘结剂的量不易太多，以免给实验结束后的清理造成困难。
待粘结剂固化后，进行下一步操作。
（4）导线的焊接与固定将应变花的引线用焊锡的连接方式连接在专用连接端子上。
焊点要光滑饱满，防止虚焊，焊接要求准确迅速，时间不宜过长，否则会通过引出线传热将丝栅与引出线焊点溶化而损坏。
再将测试导线连接在连接端子对应的焊点上。
（5）粘贴质量检查
用万用表调到200欧姆档位检查应变花的电阻值，看有无断路现象，因为粘贴过程中可能丝栅被弄断，正常的电阻为120欧姆。
再则，检查贴片方位是否正确，如果方位不正确，会严重引起测试误差。
最后，还应检查有无气泡、翘曲等，如有气泡、翘曲将会影响应变的传递。
当检查有不合格的应变花，应当重新贴片。
6）应变花的固化
应变花的固化常根据选择的粘结剂而确定固化条件和要求，一般选用室温可以固化的粘结剂，本次实验固化时间因大于48h，由于时间限制，本次实验分两周完成，实际固化时间为一星期。
3.应力应变测量
（1）连接应变仪将工作片和补偿片分别连接在应变仪的端口上，本次实验的补偿片用其他待测点的应变花代替。
应变仪有三个接口，可以同时连接两个工作片和一个补偿片，但是为了减小人为操作时可能出现的失误，本次实验只用其中的一个工作片的接口和补偿片的接口。
（2）安装钻具安装钻具前，将试件与地线相连。
观察钻具的钻脚是否平整，若残留有胶水，需用小刀刮去。
将带观察镜的钻具放在试样表面上，必要时开明灯，在观察镜里观察，初步对准应变花中心位置，转动观察镜，当镜片中心处的十字的移动轨迹的包络线始终在应变花中心位置时，校对完成，注意按住钻具。
然后在钻具支腿与试样接触处滴胶水，按住钻具等胶水固化。
（3）钻孔取下观察镜，将专用端面铣刀的钻杆擦干净，插入钻具的套筒内，用手轻轻转动，划去钻削部位的应变花基底后，取出钻杆。
此时，每个应变计的应变读数应当变化不大，再次调态电阻应变仪的零点。
将配置中φ1.5钻头的钻杆擦干净，插入钻具套筒内，松开钻杆上的定位卡圈在钻杆卡圈与钻具套筒间塞入厚度2mm的钻孔深度控制垫块，使钻头与工件接触后固定卡圈。
除去2mm的垫块，连接好手电钻，调压器调至40V左右。
保持合适的压力，钻至卡圈与夹具套筒间贴合，即预定孔深，拔出钻杆。
注意钻孔过程中产生的碎屑，不要用嘴吹，若这些碎屑导致应变片短路，可以用镊子夹出。
（4）读取数据
当应变仪指示稳定3～5min后，即可测出应力、应变和残余应力示值
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
d0
1.5
1.5
1.5
d
5
5
5
E（Gpa）
210
210
210
μ
0.3
0.3
0.3
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：
1
B
4d03
d04
2
1d
d
d
A2
2
1d02
μ为泊松比E为材料杨氏模量主应力及角度计算公式：
1，2
E24A04B22202
4A4B
tan2022
02
02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：
1212
0，21212cos2
0222
2为垂直于焊缝的应
本实验中0为应变花中平行于焊缝的应变片所测应变，
变片所测应变，0对应纵向残余应力，2对应横向残余应力。
应力应变仪计算的数据可能不是很准确，所以需要手动验算一遍，验算结果如下
测量点
1
2
3
σ1（MPa）
355.5
30.0
-28.3
σ2（MPa）
153.9
-16.4
-74.7
θ
8.27
30.02
-18.17
σ0
351.3
18.4
-32.8
σ2ɑ
158.1
-4.8
-70.2
A
-0.0585
-0.0585
-0.0585
B
-0.1642
-0.1642
-0.1642
从验算结果来看，本次实验所用应力应变仪测量的2、3点的θ存在较大偏差，两点对应的纵向与横向残余应力的数值也受到影响。
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120A，焊接电压18.5V，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Von-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
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，所以要以适当的速度钻孔，减少附加应变和切削生热带来的热应变带来的误差。
（3）钻孔时，钻具支架要与试件保持水平，这样打出的孔壁与试件表面垂直，否则会引入误差。
（4）对准时，要在观察镜里观察，初步对准应变花中心位置，转动观察镜，当镜片中心处的十字的移动轨迹的包络线始终在应变花中心位置时，校对完成。
否则可能导致孔打歪，引入误差。
（5）此外仪器自身使用次数过多，或者保养不善，套筒磨损较严重的话，也会影响打孔时钻头与套筒的同轴度，最终打出来的孔的直径大于1.5mm，影响应力计算精度。
（6）贴片时，0、2对应的应变片要分布与焊缝平行和垂直，如果帖歪了。
也会影响横向和纵向残余应力的计算精度。
（7）贴应变片后，胶水固化的时间应大于48小时，否则会影响应变量测量精度，从而影响残余应力的计算。
（8）校对以及钻孔时，注意不要用手压着试件，否则试件的局部温度升高，引入热应力，影响测量精度。
（9）钻孔时要时刻保证地线与工件接触良好，否则应变仪示数会有较大偏差，此外钻孔过程中产生的碎屑可能导致应变片短路，也会影响应变，应对措施是用镊子将碎屑夹出。
（10）钻孔结束后，需等到工件钻孔处冷却，应力应变仪示数稳定后才能读数，否则会因为钻孔处的热应力，导致计算结果出现偏差。
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