专利名称：一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法
一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法技术领域：
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I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I)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I)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I)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。
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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%HN03，85 87%H20。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。本发明进一步的改进在于根据待测焊缝宽度，选取压头直径；焊缝宽度小于2mm,压头直径用0. 5mm ;焊缝宽度大于2mm,压头直径用2mm。本发明进一步的改进在于在焊缝中心位置和距离焊缝中心位置两侧每隔1_进行一次微压剪试验。本发明对焊接微区进行微压剪测试来获得焊接微区载荷-位移曲线，建立微压剪试验过程的3D有限元模型，基于改进的Gurson模型进行有限元逆向反推方法获得焊接微区的真应力应变关系。进行焊接残余应力计算，在进行焊接温度场的计算时，不考虑焊接微区力学性能对温度场变化的影响。获得焊接温度场之后，在进行焊接应力场的计算过程中，将焊接微区的真应力-应变曲线作为焊件温度降低时的常温力学性能参数带入焊接计算模型，计算获得焊接残余应力。本发明残余应力计算方法考虑了焊接微区力学性能对焊接残余应力的影响，具体为于微压剪装置测定焊接微区载荷-位移曲线，并采用有限元逆向反推方法获得焊接微区的真应力应变关系，然后将其作为焊接件常温力学性能参数计算获得焊接残余应力的方法。其中自主设计的微压剪装置包括压剪模具和不同形状的压头，压头直径有两种，分别是0. 5_和2_ ;本发明为实验装置结合理论计算，具有焊接残余应力计算准确，数据可靠，成功减小了薄厚板焊接残余应力计算与试验测定的较大误差。相对于现有技术，本发明具有以下优点本发明的微压剪模具系统的夹具设计合理，能保证加载的准确性与精度，数据采集可靠，获得焊接微区的载荷-位移曲线准确。建立焊接微区微压剪试验过程的3D有限元模型，通过对比试验与计算获得载荷-位移曲线的吻合程度来验证微压剪计算模型的正确性，结合有限元逆向反推方法获得焊接微区的真应力-应变曲线。这种获取焊接微区本构关系方法，成本低，试验简单易操作，重复性高。最后采用考虑焊接微区力学性能对焊接残余应力计算方法可以很好的计算薄厚板焊接接头的残余应力，其准确性要高于不考虑焊接微区力学性能的残余应力计算方法获得的结果。
图I为现有技术领域中计算焊接残余应力技术路线图；图2为有限元逆向反推技术路线图；图3为发明中计算焊接残余应力技术路线图；
图4为微压剪模具系统示意图；图5为焊接接头微压剪试验打点示意图；图6为微压剪试验3D有限元计算模型；图7为TC4钛合金激光焊接3D有限元计算模型；图8为带状热源模型示意图；图9为热物理性参数和力学性能参数随温度变化曲线；图9 (a)为热物理参数；图9 (b)为力学性能参数；图10为焊接残余变形云图对比；图10 (a)为现有技术获得的焊接残余变形云图；图10 (b)为本发明方法获得的焊接残余变形云图；图11为焊接残余应力对比；图11 Ca)为纵向应力图；图11 (b)为横向应力图。
具体实施方式本发明一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法的技术流程如图3所示，首先对TC4钛合金进行微压剪实验，测定激光焊接微区载荷-位移曲线。在所要进行研究的焊缝上面截取尺寸为60X 10X0. 6mm的试样(试样包括焊缝热影响区和焊缝两侧的母材)，试样的取样位置如图5所示。进行试样端面的打磨，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(腐蚀剂为kroll试齐U，成分为3 5vol%HF，10vol%HN03,85 87%H20)，腐蚀出焊缝轮廓即可。整个微压剪试验装置如图4所示，将微压剪模具底座10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11放入底座。之后将试样A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12轻轻放下，来固定待测试样。根据待测焊缝宽度，选取压头13直径(焊缝宽度小于2mm，压头直径用0. 5mm ;焊缝宽度大于2mm，压头直径用2mm)。之后将压头放入导向压头中，将压杆14放入导向压头中，之后将上模15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。依次获得距离焊缝中心各焊接微区的载荷-位移曲线(包括焊缝中心位置，然后向两侧每隔Imm进行一次微压剪试验)。针对焊接微区微压剪试验过程，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如图6所示，为保证六面体网格质量，简化试样模型为圆柱形状，试样厚度为0. 6mm,将实体模型离散为45514个单元，其中压头边缘及下部区域最小网格尺寸为
0.008X0. 005X0. 003mm，单元类型为C3D8R。冲头简化为刚体，定义冲头和试样上表面接触关系为摩擦接触，摩擦系数为0. 3。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。将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-位移曲线进行对比，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，此时的3D有限元微压剪计算模型准确可靠。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。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。具体为根据TC4钛合金激光焊接薄板进行I :1比例建立有限元模型，如图7所示。整个TC4焊件尺寸为170X260X2. 5mm。采用带状锥体高斯热源模型来模拟激光焊接过程中的热流分布，热源模型如图8所示。Cltl为锥体热源的高度，r(l为锥体热源上表面半径。TC4钛合金在高温下的材料力学性能参数和热物理参数如图9所示。首先计算焊接温度�。飧鼋锥慰刹豢悸呛附游⑶ρ阅埽谕瓿珊附游露瘸〖扑愫螅泻附硬杏嘤αΤ〖扑悖竦玫暮附游⑶恼嬗α�-应变曲线作为焊件温度冷却时常温的力学性能输入焊接计算模型，并获得该焊件焊后的残余应力。为对比计算结果的可靠性，采用小孔法对激光焊接TC4薄板进行残余应力测试。图10所示为采用现有方法和采用考虑焊接微区力学性能的焊接计算模型获得残余变形云图。图11所示为采用现有方法和采用考虑焊接微区力学性能的焊接计算模型获得残余应力与试验的对比，采用本发明方法计算获得残余应力更加接近试验值。
权利要求
1.一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，其特征在于，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I)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。
2.根据权利要求I所述的一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，其特征在于，步骤I)中进行焊接微区微压剪试验时在焊件上进行取样，试样包括焊缝、热影响区和焊缝两侧的母材。
3.根据权利要求2所述的一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，其特征在于,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%HN03,85 87%H20。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，其特征在于，焊接微区微压剪试验时，首先将微压剪模具底座(10)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(11)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�？锥灾校辉偃缓蠼枷蜓雇�(12)放下，来固定待测试样；之后将压头(13)放入导向压头中，将压杆(14)放入导向压头中，之后将上模(15)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。
5.根据权利要求4所述的一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，其特征在于，根据待测焊缝宽度，选取压头(13)直径；焊缝宽度小于2mm，压头直径用0. 5mm ;焊缝宽度大于2mm,压头直径用2mm。
6.根据权利要求4所述的一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，其特征在于，在焊缝中心位置和距离焊缝中心位置两侧每隔Imm进行一次微压剪试验。
全文摘要
本发明提供一种基于焊接微区性能测试的残余应力计算方法，包括以下步骤对焊接微区进行微压剪测试来获得焊接微区载荷-位移曲线，建立微压剪试验过程的3D有限元模型，基于改进的Gurson模型进行有限元逆向反推方法获得焊接微区的真应力应变关系；进行焊接残余应力计算，在进行焊接温度场的计算时，不考虑焊接微区力学性能对温度场变化的影响；获得焊接温度场之后，在进行焊接应力场的计算过程中，将焊接微区的真应力-应变曲线作为焊件温度降低时的常温力学性能参数带入焊接计算模型，计算获得焊接残余应力。本发明方法准确性要高于不考虑焊接微区力学性能的残余应力计算方法获得的结果。
文档编号G01N19/00GK102759504SQ20121023424
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者张建勋, 张贵锋, 朱彤, 牛靖, 赵锡龙, 郭伟 申请人:西安交通大学
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