[发明专利]一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法。

【背景技术】

目前获得焊接接头残余应力有多种方法，包括周上祺等人于1997年提出的一种Ｘ射线残余应力测定装置和方法可以有效的测定Ｘ射线穿透范围内的残余应变和残余应力在工件中的三维分布。阿尔弗雷德·乔汉·彼特·哈斯勒等人于1998年提出发明专利申请的超声波法，该方法可以有效测量金属表面应力。张津等人于2010年提出发明专利申请的板材内部残余应力定点无损检测方法，但是该方法只针对铝合金适用。针对大厚壁管线钢，熊庆人等人于2009年提出发明专利申请的厚壁大直径焊接钢管残余应力值及其分布的盲孔测试方法，但是该方法只测量管线钢内外壁表面。张建勋等人于2009年发明专利申请的逐层剥削测量大厚壁焊接件的残余应力测量方法可以有效测量大厚壁焊接件内部残余应力。在残余应力的数值计算方面，史清宇等人于2009年提出一种以温度为控制变量的焊接数值模拟计算方法，可以有效的进行残余应力的计算。大井和树等人于2010年提出一种残余应力计算方法及残余应力分布推导方法，可以有效的计算出树脂成品内部的残余应力。而这些计算残余应力的方法都是建立在基于均匀材料本构关系的基础之上。然而，在焊接的过程中，由于被焊金属随着温度的升高与降低会出现相变，如果在焊接终了，温度又降低至室温时，应该采用焊接微区测量获得的本构关系，而不是原来未焊接前材料的本构关系。现有技术领域中在计算焊接残余应力时，由于在这一步使用了未焊接时均匀材料的本构关系，所以就会产生一些不必要的计算误差，流程图如图1所示。

在上述的计算方法中，采用均匀材料作为温度降低时材料常温属性带入焊接计算模型进行残余应力计算尤为广泛，它可以在一定程度上进行焊接残余应力的计算。尤其这种方法在大结构当中的应用更是较为广泛，但是也存在着一些问题会导致焊接计算获得的残余应力与试验测定的残余应力存在一定的误差，尤其是在大厚板焊接的过程中，试验与计算获得的残余应力相差甚大。

【发明内容】

本发明的目的在于，提供一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，以解决现有焊接残余应力计算方法中存在的不足。

一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，包括以下步骤：

1）进行焊接微区微压剪试验获得焊件上距离焊缝中心不同区域的多条载荷-位移曲线；

2）建立焊接微区微压剪试验过程的3D有限元微压剪计算模型，利用有限元逆向反推方法获得模拟的焊接微区的载荷-位移曲线，材料损伤阶段采用改进的Gurson模型来描述；

3）调整3D有限元微压剪计算模型：将步骤2）获得的模拟的焊接微区的载荷-位移曲线与步骤1）微压剪实验获得的载荷-位移曲线进行对比，如果吻合程度不能够接受，调整改进的Gurson模型的参数重新计算模拟的焊接微区的载荷-位移曲线，直到与微压剪实验获得的载荷-位移曲线吻合为止；具体吻合程度为对比有限元模拟的焊接微区的载荷-位移曲线与微压剪实验获得的载荷-位移曲线，当位移一定的情况下，有限元模拟的载荷与微压剪实验获得的载荷之差为微压剪实验获得的载荷的3%以内时，即认为吻合程度可以接受，反之则为吻合程度不能接受；

4）在吻合程度已被接受的3D有限元微压剪计算模型的计算结果中提取模拟的焊接微区的真应力-应变曲线，以该模拟的焊接微区的真应力-应变曲线作为焊件温度降低时常温力学性能参数输入焊接计算模型，计算出焊件的残余应力。

本发明进一步的改进在于：步骤1）中进行焊接微区微压剪试验时再焊件上进行取样，试样包括焊缝热影响区和焊缝两侧的母材。

本发明进一步的改进在于：对试样端面的打磨，打磨方式为依次用400#，800#，1200#，3000#的水砂纸打磨，之后进行机械抛光呈镜面，然后进行腐蚀剂腐蚀，腐蚀出焊缝轮廓；腐蚀剂为kroll试剂，成分为3~5vol%HF，10vol%HNO₃，85~87%H₂O。

本发明进一步的改进在于：焊接微区微压剪试验时，首先将微压剪模具底座通过螺栓固定在万能试验机燕尾槽上，通过燕尾槽上的刻度尺进行对中，安装完底座之后，将下模放入底座；之后将试样放置在下模上，保证所要测量区域与下模孔对中；再然后将导向压头放下，来固定待测试样；之后将压头放入导向压头中，将压杆放入导向压头中，之后将上模盖上；通过万能试验机来加载，通过压杆传递载荷到压头，通过压头来压剪试样；利用万能试验机的载荷传感器和位移传感器来采集数据；获得焊件上距离焊缝中心不同区域的多条载荷-位移曲线。