焊接应力场测量方法

第29卷第18期

2013年9月

甘肃科技

GansuScienceandTechnology

Vol.29No.18Sep.2013

焊接应力场测量方法

刘

摘

1鹏，钟

浩

2

（1．西安摩尔石油工程实验室有限公司，陕西西安710065；2．榆林学院，陕西榆林718400）

要：残余应力作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数越来越受到人们的关注，主要从小孔释放法的测量方法、

测量设备及计算方法等方面介绍了焊接应力场测量过程及方法，指出了应力场测量的重要性。关键词：残余应力；小孔释放法中图分类号：TG403

近年来，环保问题越来越受到世界各国的重视，

汽车工业为了节约燃料，保护环境，不断努力减轻汽车重量，因此，对汽车用材料提出了更高的要求，增加铝的使用量是其中的重要措施之一，所以，在汽车“铝+钢”采用双金属焊接结构成为汽工业生产中，

车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材

［1～6］

。随着铝钢异种焊接工艺的不断料之间的连接

成熟，对于焊接接头强度和性能的要求越来越高。

BE120－2CA—K，其测量圆直径D为2mm。选择钻孔直径D0为0．7mm，钻孔深度H为1mm左右。采

用XI．2101B6型静态电阻应变仪，待钻孔停止后，记录应变仪动态读数，等读数稳定后，取几次数据的平均值作为最终测试结果。

测点位置如图1所示方式分布，可对垂直于焊缝方向的不同旁路下的残余应力的分布进行测量及

18mm，对比，其距离焊缝中心的距离分别为8mm，28mm。

残余应力作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数也

越来越受到人们的关注。

1测量方法

1．1

残余应力测量方法

图1

应变片黏贴位置

目前传统残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和无损测量法两种，机械释放测量法虽然会对工件造成一定的损伤或者破坏，但其测量精度较

理论完善、技术也较成熟，是目前应用比较广泛高、

的一种残余应力测量方法，就此主要介绍了小孔释放法测量残余应力的方法。

小孔释放法测量最早是由JMathar在1943年提出的，后由Soete发展完善而形成系统理论。其基本原理是在具有残余应力的构件表面上钻一个小孔，使得孔的邻近区域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变，采用黏贴应变片等方式测量这些位移和应变，最后通过换算便可以得到钻孔处深度方向上的平均残余应力。测试实验在常温下进

焊接过程从距离板边50mm处的位置开始，在距行，

离另一板边50mm处的位置收弧，焊道长200mm。焊接后待板材冷却到室温后用小孔法进行残余应力的测量。测量之前，测量位置先用砂纸打磨用腐蚀剂腐蚀测量位置并用丙酮清洗，最后黏贴夹角为45°的三栅应变花。所采用的电阻应变花型号为

1．21．2．1

应力测量设备电阻应变花

1）应变花（片）的黏贴

（1）黏贴应变花前，在被测部位附近用粗砂纸去除氧化皮或污垢，再用金相砂纸打磨，直至露出金属光泽，并用丙酮清洗打磨位置，除去污垢直至棉球不出现黑色。

（2）根据确定好的测点位置将应变花贴片。2）钻孔（1）钻孔直径

钻孔直径根据应变花测量圆的直径按公式（1）计算：

2．5＜D/D0＜3．4

——应变花测量圆的直径，mm；式中：D—D0———钻孔直径，mm。

由公式（6）选择D0=0．7mm（2）钻孔深度h=（1．0～1．2）D0钻孔的最终深度应为1mm。

（1）

60

3）测量原理

甘肃科技第29卷

在具有二维应力状态的无限平板上，黏贴电阻

45°、90°的应变花，应变片分别为0°、在应变花中心钻孔，由于孔深远小于板的厚度因此可套用钻通孔

时的理论解释作为钻盲孔时的近似解，通过电阻应2、3的释放应变ε1、ε2、ε3。简变仪分别测量放线1、

（3）：化计算取γ=－2β，则计算见公式（2）、ε1（A+Bcosγ）－ε3（A－Bcosγ）

（2）

4ABcosγ

ε3（A+Bcosγ）－ε1（A－Bcosγ）=（3）σ2

4ABcosγ

－1ε1－2ε2+ε3

（4）γ=tg

ε1－ε3——钻孔前残余应力的主应力，N/式中：σ1、σ2—

σ1=

mm2；

——0°、45°、90°位置测得的释放应ε1、ε2、ε3—

变；A、B———标定试验的道德应变释放系数，10－7

mm2/N；

——最大主应力方向与x轴的夹角。β—

4）标定系数的计算公式

对已经黏贴好应变花的标定样，施加一个已知的单向应力场，使其中一个电阻应变片平行于外来方向，即最大主应力σ1等于外加载荷引起的应力σ，钻盲孔，测定钻孔前后的释放应变按公式计算A、B：

A=B=

1．2．2

ε1+ε3

2σε1－ε32σ

（5）（6）

机；特殊定制接口为ＲS485接口，能通过计算机级联最多16台应变仪，组成最大384点的静态应变数据采集分析系统。同时该应变仪较普遍应变仪添加的功能是能通过各测点参数单独设定，同时测量应变，拉压力，位移等3种物理量

。

图2XL2101B6型静态应变仪

2结论

焊接过程中，焊缝附近最高温度可高达材料的沸点，而离开热源后温度急剧下降。焊件由于不均匀的温度产生热应力，如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，会使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后就产生新的内应力，即残余应力。焊接残余应力的存在，会直接影响到钢结构的承载能力，为了保证焊接结构安全可靠，残余应力必将作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数而越来越受到人们关注。

参考文献：

［1］林尚杨，关桥．我国制造业焊接生产现状与发展战略

J］．机械工人：热加工，2004，16（8）：16－20．研究［

［2］殷树言．高效弧焊技术的研究进展［J］．焊接，2006，20

（10）：7－14．

［3］冯雷，陈树君，殷树言．高速焊接时焊缝咬边的形成机

J］．焊接学报，1999，20（1）：16－21．理［

［4］冷雪松．双钨极氩弧焊耦合电弧物理特性及焊接工艺

D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．研究［［5］

P．F．MendezandT．W．Eager．PenetrationandDefectFormationinHigh－CurrentarcWelding［J］．WeldingJournal，2003，82（10）：296－306．

［6］

N．E．Bauman．Effectofheatflowandarcpressureonmaximumweldingspeed［J］．WeldingProduction（Eng-lishtranslationofSvarochnoeProizvodstvo），1985，（32）：18－20．

静态电阻应变仪测量与采集系统

本实验采用XL2101b6型静态电阻应变仪测量

系统如图2所示。XL2101b6型静态电阻应变仪具备本机自控/计算机外控，两种工作模式，既可以本也可配接微机组成测控系统。机操作进行手动测量，

XL2101b6型静态电阻应变仪式采用先进的嵌入式微型处理器技术设计的全程控自动测量的静态应变直接连接计算仪。XL2101b6标准配置ＲS2c接口，

櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷

［2］李太仁．16MnDＲ焊接接头的低温力学性能［J］．电焊(上接第52页)

参考文献：

［1］中国机械工程学会焊接学会．焊接手册（3版）［M］．北

2008．京：机械工业出版社，

2007，37（9）：69－71．机，

［3］张凯．低温容器用3．5Ni钢的焊接［J］．电焊机，2010，

40（3）：86－90．

第29卷第18期

2013年9月

甘肃科技

GansuScienceandTechnology

Vol.29No.18Sep.2013

焊接应力场测量方法

刘

摘

1鹏，钟

浩

2

（1．西安摩尔石油工程实验室有限公司，陕西西安710065；2．榆林学院，陕西榆林718400）

要：残余应力作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数越来越受到人们的关注，主要从小孔释放法的测量方法、

测量设备及计算方法等方面介绍了焊接应力场测量过程及方法，指出了应力场测量的重要性。关键词：残余应力；小孔释放法中图分类号：TG403

近年来，环保问题越来越受到世界各国的重视，

汽车工业为了节约燃料，保护环境，不断努力减轻汽车重量，因此，对汽车用材料提出了更高的要求，增加铝的使用量是其中的重要措施之一，所以，在汽车“铝+钢”采用双金属焊接结构成为汽工业生产中，

车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材

［1～6］

。随着铝钢异种焊接工艺的不断料之间的连接

成熟，对于焊接接头强度和性能的要求越来越高。

BE120－2CA—K，其测量圆直径D为2mm。选择钻孔直径D0为0．7mm，钻孔深度H为1mm左右。采

用XI．2101B6型静态电阻应变仪，待钻孔停止后，记录应变仪动态读数，等读数稳定后，取几次数据的平均值作为最终测试结果。

测点位置如图1所示方式分布，可对垂直于焊缝方向的不同旁路下的残余应力的分布进行测量及

18mm，对比，其距离焊缝中心的距离分别为8mm，28mm。

残余应力作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数也

越来越受到人们的关注。

1测量方法

1．1

残余应力测量方法

图1

应变片黏贴位置

目前传统残余应力的测量方法可分为机械释放测量法和无损测量法两种，机械释放测量法虽然会对工件造成一定的损伤或者破坏，但其测量精度较

理论完善、技术也较成熟，是目前应用比较广泛高、

的一种残余应力测量方法，就此主要介绍了小孔释放法测量残余应力的方法。

小孔释放法测量最早是由JMathar在1943年提出的，后由Soete发展完善而形成系统理论。其基本原理是在具有残余应力的构件表面上钻一个小孔，使得孔的邻近区域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变，采用黏贴应变片等方式测量这些位移和应变，最后通过换算便可以得到钻孔处深度方向上的平均残余应力。测试实验在常温下进

焊接过程从距离板边50mm处的位置开始，在距行，

离另一板边50mm处的位置收弧，焊道长200mm。焊接后待板材冷却到室温后用小孔法进行残余应力的测量。测量之前，测量位置先用砂纸打磨用腐蚀剂腐蚀测量位置并用丙酮清洗，最后黏贴夹角为45°的三栅应变花。所采用的电阻应变花型号为

1．21．2．1

应力测量设备电阻应变花

1）应变花（片）的黏贴

（1）黏贴应变花前，在被测部位附近用粗砂纸去除氧化皮或污垢，再用金相砂纸打磨，直至露出金属光泽，并用丙酮清洗打磨位置，除去污垢直至棉球不出现黑色。

（2）根据确定好的测点位置将应变花贴片。2）钻孔（1）钻孔直径

钻孔直径根据应变花测量圆的直径按公式（1）计算：

2．5＜D/D0＜3．4

——应变花测量圆的直径，mm；式中：D—D0———钻孔直径，mm。

由公式（6）选择D0=0．7mm（2）钻孔深度h=（1．0～1．2）D0钻孔的最终深度应为1mm。

（1）

60

3）测量原理

甘肃科技第29卷

在具有二维应力状态的无限平板上，黏贴电阻

45°、90°的应变花，应变片分别为0°、在应变花中心钻孔，由于孔深远小于板的厚度因此可套用钻通孔

时的理论解释作为钻盲孔时的近似解，通过电阻应2、3的释放应变ε1、ε2、ε3。简变仪分别测量放线1、

（3）：化计算取γ=－2β，则计算见公式（2）、ε1（A+Bcosγ）－ε3（A－Bcosγ）

（2）

4ABcosγ

ε3（A+Bcosγ）－ε1（A－Bcosγ）=（3）σ2

4ABcosγ

－1ε1－2ε2+ε3

（4）γ=tg

ε1－ε3——钻孔前残余应力的主应力，N/式中：σ1、σ2—

σ1=

mm2；

——0°、45°、90°位置测得的释放应ε1、ε2、ε3—

变；A、B———标定试验的道德应变释放系数，10－7

mm2/N；

——最大主应力方向与x轴的夹角。β—

4）标定系数的计算公式

对已经黏贴好应变花的标定样，施加一个已知的单向应力场，使其中一个电阻应变片平行于外来方向，即最大主应力σ1等于外加载荷引起的应力σ，钻盲孔，测定钻孔前后的释放应变按公式计算A、B：

A=B=

1．2．2

ε1+ε3

2σε1－ε32σ

（5）（6）

机；特殊定制接口为ＲS485接口，能通过计算机级联最多16台应变仪，组成最大384点的静态应变数据采集分析系统。同时该应变仪较普遍应变仪添加的功能是能通过各测点参数单独设定，同时测量应变，拉压力，位移等3种物理量

。

图2XL2101B6型静态应变仪

2结论

焊接过程中，焊缝附近最高温度可高达材料的沸点，而离开热源后温度急剧下降。焊件由于不均匀的温度产生热应力，如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，会使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后就产生新的内应力，即残余应力。焊接残余应力的存在，会直接影响到钢结构的承载能力，为了保证焊接结构安全可靠，残余应力必将作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数而越来越受到人们关注。

参考文献：

［1］林尚杨，关桥．我国制造业焊接生产现状与发展战略

J］．机械工人：热加工，2004，16（8）：16－20．研究［

［2］殷树言．高效弧焊技术的研究进展［J］．焊接，2006，20

（10）：7－14．

［3］冯雷，陈树君，殷树言．高速焊接时焊缝咬边的形成机

J］．焊接学报，1999，20（1）：16－21．理［

［4］冷雪松．双钨极氩弧焊耦合电弧物理特性及焊接工艺

D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．研究［［5］

P．F．MendezandT．W．Eager．PenetrationandDefectFormationinHigh－CurrentarcWelding［J］．WeldingJournal，2003，82（10）：296－306．

［6］

N．E．Bauman．Effectofheatflowandarcpressureonmaximumweldingspeed［J］．WeldingProduction（Eng-lishtranslationofSvarochnoeProizvodstvo），1985，（32）：18－20．

静态电阻应变仪测量与采集系统

本实验采用XL2101b6型静态电阻应变仪测量

系统如图2所示。XL2101b6型静态电阻应变仪具备本机自控/计算机外控，两种工作模式，既可以本也可配接微机组成测控系统。机操作进行手动测量，

XL2101b6型静态电阻应变仪式采用先进的嵌入式微型处理器技术设计的全程控自动测量的静态应变直接连接计算仪。XL2101b6标准配置ＲS2c接口，

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［2］李太仁．16MnDＲ焊接接头的低温力学性能［J］．电焊(上接第52页)

参考文献：

［1］中国机械工程学会焊接学会．焊接手册（3版）［M］．北

2008．京：机械工业出版社，

2007，37（9）：69－71．机，

［3］张凯．低温容器用3．5Ni钢的焊接［J］．电焊机，2010，

40（3）：86－90．