快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法

1.本发明涉及残余应力测量技术领域，具体涉及一种快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法。

背景技术：

2.在现代工业的发展过程中，焊接工艺已成为其中不可或缺的一部分，许多重要工业设备装置均采用了焊接结构，如在役管道采用焊接方式进行连接、大型储罐和压力容器的焊接制造过程等。值得注意的是，其中焊接接头由于组织和成分的不均匀，易出现裂纹、夹杂、孔洞等缺陷，同时还有较大焊接残余应力的存在，因此焊接接头就成为设备在使用中最薄弱的环节。确保焊接接头的安全使用就成为一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

3.针对现有技术存在的缺陷和不足，通过对焊接接头残余应力的测试和研究发现：焊接接头外表面残余应力与内表面、内部残余应力之间存在着定量关系，但是具体的比例关系与焊接工艺、厚度、坡口形式等因素有关。并且对于在役设备焊接接头残余应力的现场测试来说，可以在不影响设备正常使用的条件下，通过建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，依据无损检测方法测试的外表面残余应力，快速准确推算出焊接接头内部与内表面残余应力，实现焊接接头整体残余应力的定量化，有利于保障设备的安全使用，为更加准确的设备安全评价提供技术支撑。
4.本发明提供了一种快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法。其测试流程具体为运用一种残余应力联合测试方法，首先采用x射线衍射法测试焊接接头内表面与外表面的残余应力，再采用轮廓法测试焊接接头内部沿厚度方向残余应力，完成焊接接头整体残余应力的测试计算，建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。
5.现场测试时，可以在不影响在役设备正常使用条件下，根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，通过x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试，实现快速准确的推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
6.本发明通过对焊接接头内部与内表面残余应力的快速准确推算，可方便、高效、快捷的开展对在役设备焊接接头的安全评价工作。
7.本发明完成焊接接头整体残余应力的测试，建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。在现场测试时，根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，通过x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试，快速准确的推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
8.本发明建立的快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，在现场测试过程中能够在不影响在役设备正常使用的条件下，通过无损测试方法，快速准确完成在役
设备焊接接头整体残余应力的推算。本发明能够实现在无损、便捷、较少设备投入的情况下获得精确的焊接接头整体残余应力分布结果，对于准确评价焊接接头的性能具有重要意义。
9.为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：一种快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，其特征在于：首先采用x射线衍射法测试焊接接头内表面与外表面的残余应力，再采用轮廓法测试焊接接头内部沿厚度方向残余应力，完成焊接接头整体残余应力的测试计算，建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，以确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系；在现场测试时，根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，通过x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试，推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
10.进一步地，运用x射线衍射法无损定量测试焊接接头内表面与外表面残余应力，具体包括以下过程：在采用x射线衍射法测试试件表面残余应力时，先对测试位置进行预处理：首先采用机械打磨的方式对表面进行抛光，在机械抛光之后再进行电解抛光，使用电解抛光仪以消除机械加工造成的试样表层畸变组织；完成测试前处理工作及设备调试工作后，使用x射线应力分析仪对标记测试点不同方向的待测残余应力进行测试并对x射线应力分析仪的测试结果进行定量修正。
11.进一步地，轮廓法测试焊接接头内部残余应力，具体包括以下过程：首先使用电火花切割工艺中的慢走丝线切割技术将试件沿待测面对称切割；再使用三坐标测量仪对切割面的轮廓位移数据进行收集；对收集的数据进行包括平均化处理、异常点的筛选、轮廓曲线拟合的处理；轮廓数据处理完成后，使用数值模拟方法在有限元软件中建立对应几何模型，将处理好的轮廓数据作为自定义位移边界条件设置在几何模型中，并确定材料的物性参数泊松比和弹性模量；通过有限元软件进行应力重构计算，得到垂直于切割面的焊接接头内部残余应力分布。
12.进一步地，建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，具体包括以下过程：通过x射线衍射法测试的表面残余应力数据对轮廓法测试的近表面内部残余应力数据进行修正；修正完成后，通过函数曲线进行数据拟合，进而建立起焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。
13.进一步地，基于所建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型；在实际使用过程中，采用x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力进行定量测试，并对测试结果进行定量修正，再根据所建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，以快速准确的推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
14.相比于现有技术，本发明及其优选方案通过x射线衍射法和轮廓法的联合测试方法，可以实现焊接接头整体残余应力的准确定量测试。
15.依据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，可以确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。现场测试时，可以在不影响在役设备正常使用条件下，通过x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试数据，依据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的分布模型，可以快速的准确推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
附图说明
16.图1为本发明实施例快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力方法的流程示意图；图2 为本发明实施例x射线衍射法测试焊接接头外表面残余应力示意图；图3为本发明实施例轮廓法测试焊接接头内部沿厚度方向残余应力示意图；图4为本发明实施例有限元软件应力重构计算示意图；图5为本发明实施例焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型示意图（垂直于焊缝方向残余应力）；图6为本发明实施例焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型示意图（平行于焊缝方向残余应力）。
具体实施方式
17.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
19.本发明的目的是实现在役设备焊接接头内部与内表面残余应力的快速准确推算，完成焊接接头整体残余应力的定量化，为更加准确的设备安全评价提供技术支撑。本实施例提供一种快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力方法，建立起焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。现场测试时，可以在不影响在役设备正常使用条件下，实现根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，通过x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试，快速准确的推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
20.其具体采用的方案包括：（1）运用x射线衍射法无损定量测试焊接接头内表面与外表面残余应力在采用x射线衍射法测试试件表面残余应力时，应先对测试位置进行预处理。首先可以采用机械打磨的方式对表面进行抛光，但这样会在表面形成深度为几百微米的加工残余压应力。因此需要在机械抛光之后再进行电解抛光，使用电解抛光仪以消除机械加工造成的试样表层畸变组织，以确保后续测试的准确。
21.完成测试前处理工作及设备调试工作后，使用x射线应力分析仪对标记测试点不同方向的待测残余应力进行测试。由于焊缝金属、热影响区和母材在成分与组织上存在的差异，会导致x射线衍射法的定量测试结果产生误差。因此需要对x射线应力分析仪的测试结果进行定量修正，确保测试结果的准确性。
22.（2）轮廓法测试焊接接头内部残余应力首先使用电火花切割工艺中的慢走丝线切割技术将试件沿待测面对称切割。再使用三坐标测量仪对切割面的轮廓位移数据进行收集。为确保轮廓数据的准确性，需要对数据进行平均化处理、异常点的筛选、轮廓曲线拟合等系列操作。
23.轮廓数据处理完成后，使用数值模拟方法在有限元软件中建立对应几何模型，将处理好的轮廓数据作为自定义位移边界条件设置在几何模型中，并确定材料的物性参数泊松比和弹性模量。通过有限元软件进行应力重构计算，得到垂直于切割面的焊接接头内部残余应力分布。
24.（3）建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型由于x射线穿透能力有限，x射线衍射法只能准确测试焊接接头表面几十微米厚度范围内的残余应力，所以采用轮廓法来完成焊接接头内部残余应力的测试。但由于切割技术的限制，切割面上的近表面区域产生的变形较大，导致轮廓法近表面残余应力的测试结果并不准确。通过x射线衍射法测试的表面残余应力数据对轮廓法测试的近表面内部残余应力数据进行修正。修正完成后，通过合适的函数曲线进行数据拟合，进而建立起焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。
25.（4）推算焊接接头内部与内表面残余应力在现场测试时，x射线衍射法为一种无损检测方法，且测试设备便于携带，测试流程方便快捷，测试结果准确。在不影响在役设备正常使用条件下，采用x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力进行定量测试，并对测试结果进行定量修正。根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，能够快速准确的推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
26.以一v形坡口焊接接头为例，本实施例结合实例对方案做进一步的介绍：此方法流程示意如图1所示。运用以上提出的x射线衍射法和轮廓法联合测试方法对焊接接头残余应力整体进行定量测试。具体如下：（1）对测试试件表面进行预处理后，使用x射线应力分析仪对焊接接头表面残余应力进行测试，如图2所示。并修正由于焊缝金属、热影响区和母材区域组织不均匀造成的测试数据偏差，确保测试结果的准确性。
27.（2）如图3所示，使用轮廓法测试焊接接头内部残余应力，通过慢走丝线切割机对待测面进行对称切割，再使用三坐标测量仪对切割面的轮廓位移数据进行测量。
28.（3）如图4所示，对所得轮廓数据进行平均化处理、异常点的筛选、轮廓曲线拟合等系列操作，然后使用数值模拟方法在有限元软件中建立对应几何模型，将处理好的轮廓数据作为自定义位移边界条件设置在几何模型中，并确定材料的物性参数泊松比和弹性模量，通过应力重构计算，得到垂直于切割面的焊接接头内部残余应力分布。
29.（4）如图5、图6所示，通过x射线衍射法测试的表面残余应力数据对轮廓法测试的
近表面内部残余应力数据进行修正，选择合适的函数曲线进行数据拟合，建立起焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。
30.（5）现场测试时，可以在不影响在役设备正常使用条件下，根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，通过x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试，实现快速准确推算焊接接头内部与内表面的残余应力。
31.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
32.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

技术特征：

1.一种快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，其特征在于：首先采用x射线衍射法测试焊接接头内表面与外表面的残余应力，再采用轮廓法测试焊接接头内部沿厚度方向残余应力，完成焊接接头整体残余应力的测试计算，建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，以确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系；在现场测试时，根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，通过x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试，推算焊接接头内部与内表面的残余应力。2.根据权利要求1所述的快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，其特征在于：运用x射线衍射法无损定量测试焊接接头内表面与外表面残余应力，具体包括以下过程：在采用x射线衍射法测试试件表面残余应力时，先对测试位置进行预处理：首先采用机械打磨的方式对表面进行抛光，在机械抛光之后再进行电解抛光，使用电解抛光仪以消除机械加工造成的试样表层畸变组织；完成测试前处理工作及设备调试工作后，使用x射线应力分析仪对标记测试点不同方向的待测残余应力进行测试并对x射线应力分析仪的测试结果进行定量修正。3.根据权利要求1所述的快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，其特征在于：轮廓法测试焊接接头内部残余应力，具体包括以下过程：首先使用电火花切割工艺中的慢走丝线切割技术将试件沿待测面对称切割；再使用三坐标测量仪对切割面的轮廓位移数据进行收集；对收集的数据进行包括平均化处理、异常点的筛选、轮廓曲线拟合的处理；轮廓数据处理完成后，使用数值模拟方法在有限元软件中建立对应几何模型，将处理好的轮廓数据作为自定义位移边界条件设置在几何模型中，并确定材料的物性参数泊松比和弹性模量；通过有限元软件进行应力重构计算，得到垂直于切割面的焊接接头内部残余应力分布。4.根据权利要求1所述的快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，其特征在于：建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，具体包括以下过程：通过x射线衍射法测试的表面残余应力数据对轮廓法测试的近表面内部残余应力数据进行修正；修正完成后，通过函数曲线进行数据拟合，进而建立起焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。5.根据权利要求1所述的快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，其特征在于：基于所建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型；在实际使用过程中，采用x射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力进行定量测试，并对测试结果进行定量修正，再根据所建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，以快速准确的推算焊接接头内部与内表面的残余应力。

技术总结

本发明公开了一种快速准确推算焊接接头内部与内表面残余应力的方法，运用一种残余应力联合测试方法，完成焊接接头整体残余应力的测试，建立焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，确定内表面与外表面残余应力的定量关系、内部残余应力与外表面残余应力的定量关系。在现场测试时，根据建立的焊接接头残余应力沿厚度方向的实际分布模型，通过X射线衍射法对在役设备焊接接头外表面残余应力的定量测试，快速准确的推算焊接接头内部与内表面的残余应力。残余应力。残余应力。