小孔法测量Cr-Ni奥氏体不锈钢焊接残余应力的适用性研究.doc

小孔法测量Cr-Ni奥氏体不锈钢焊接残余应力的适用性研究李荣锋祝时昌陈亮山摘要应变释放系数A、B的标定试验发现,直到单轴拉伸应力达到0.73s时,孔边屈服产生的塑性变形才发生,对Cr-Ni奥氏体不锈钢小孔法测量残余应力的影响小。同时经过小孔法和全释放法测量实际焊接残余应力及其分布的对比发现,只要选择恰当的应变片,使之与小孔孔径匹配,小孔法测量高残余应力,特别是焊接残余应力仍有较好的适用性。SUS321不锈钢的对接接头的纵向焊接残余应力最大值为540MPa,大大超过母材屈服强度。关键词适用性小孔法焊接残余应力Cr-Ni奥氏体不锈钢STUDY ON FEASIBILITY OF HOLE DRILLING METHODFOR MEASUREMENT OF WELDING RESIDUAL STRESSIN Cr-Ni AUSTENIC STAINLESS STEELLi RongfongWuHan Iron and Steel Corp.Zhu ShichangChen LiangshanInstitute of Metal Research Academia SinicaSynopsisIt is found out from calibration tests of strain relief constant A & B that plastic deformation caused by the yield around the drilling hole has little influence on the measurement of the welding residual stresses in Cr-Ni austenic strainless steel by the hole drilling method since it does not occur till the drawing stress at the single axis approaches 0.73s.In the meanwhile results from a comparision of the measured value of the actual residual stress in Cr-Ni austenic strainless steel and its distribution by the hole drilling method with that by the section method indicate that the hole drilling method has better feasibility for measurement of high residual stress,and the high welding residual stress in particular provided the rosette of strain gauge is appropriately matched with the hole diameter.The peak of longitndinal residual stress in the butt weld joint of SUS 321 stainless steel is 540 MPa,which is far beyond the yield strength of the base metal.Keywordsfeasibilityhole drilling methodwelding residual stressCr-Niaustenic steel1前言德国人Mather于1934年最早提出了小孔法测量残余应力技术1。此后,特别是50年代以后,许多国家的研究者对此方法进行了大量的研究,其间的成就包括;残余应力应变释放常数试验的标定;理论公式及误差讨论;应变片(花)及钻孔设备的生产与改进等。美国ASTM机械试验委员会于1981年正式颁布了E837-81标准小孔法测量残余应力标准试验方法,1985年、1989年、1992年又3次作了修正与补充。小孔法根据成孔的方法不同分为4类;低速钻(转速小于1000 r/min,刃具包括钻头和端铣刀等)、高速钻(转速高达400000 r/min)、喷砂打孔、电化学成孔等。其中最廉价、使用最方便的是低速钻小孔法,它在工程上被广泛采用。但低速钻在用于不锈钢结构的焊接残余应力测定时,仍有许多问题有待解决。文献2根据Cr-Ni奥氏体不锈钢的特点,解决了电阻应变片(花)粘贴前的表面准备、应变片(花)与钻孔直径选择等许多影响Cr-Ni奥氏体不锈钢焊接残余应力的小孔法测量的技术问题,为其适用性提供了前提保证。但从理论上讲,无论是普通碳素钢还是不锈钢,采用小孔法测量高残余应力如焊接残余应力还存在一个适用范围问题,即测量高残余应力时应力集中造成孔边屈服而产生的塑性变形对残余应力测量误差的影响究竟有多大?太大,测量结果就没有实际意义。根据文献2中测量Cr-Ni奥氏体不锈钢焊接残余应力而选择的应变片(花)与钻孔直径配合,计算了在双轴等应力条件下孔边塑性变形造成的最大误差为5.7%3。但实际残余应力状态并非如此,而是呈非等值的多轴应力状态。本文通过高应力标定试验及小孔法与全释放法实测残余应力来研究小孔法测量Cr-Ni奥氏体不锈钢焊接残余应力,即实际高残余应力测量的适用性。2试验研究与讨论2.1标定试验及讨论以14mm厚SUS321Cr-Ni奥氏体不锈钢为材料,在ZDM30T液压万能试验机上做单轴拉伸试验,选用文献2提供的两向应变花与孔径配合,测量小盲孔钻削前后的应力应变曲线。分别计算相同载荷下二者的纵向、横向应变差x、y,用下式计算应变释放标定系数A、B。标定试板尺寸如图1所示。图1标定试板尺寸注:(1)板厚11mm(2)图中尺寸为mm式中 单轴拉伸应力图2是不锈钢钻孔前后单轴拉伸标定测得的应力应变曲线。从中可以看出在高应力区,xd、yd偏离线性程度没有文献4给出的那么大,并且比低碳钢的偏离线性程度还要小。直到200MPa,-仍保持很好的线性关系。经拟合计算,在0200MPa(00.73s,即母材屈服强度)的单轴拉伸应力范围内,BE120-3BA型应变花+2.33.0mm盲孔配合的低速钻小孔法测量不锈钢残余应力的标定常数A、B分别为-0.255、-0.376/MPa.这样采用标定常数的残余应力的计算公式就为:图2不锈钢钻孔前后单轴拉伸应力应变曲线2.2焊接残余应力测量及讨论采用14300400(单位mm)SUS321不锈钢手工氩弧焊对接试板,焊接线能量17kJ/cm,焊条为A132。根据文献2的技术要点进行整个焊接残余应力的小孔法测量,同时还采用全释放法测量残余应力以资比较。图3(a、b)是小孔法和全释放法测得的SUS321不锈钢对接接头纵向、横向焊接残余应力的大小及分布。图3不锈钢焊接残余应力的分布图3(a)的小孔法测试的残余应力是按标定试验得到的应变释放系数A、B来计算表示的,而图3(b)中小孔法测试的残余应力是按陈惠南公式5计算表示的。从上可以看出采用标定试验得到的释放系数A、B来计算的焊接残余应力更符合全释放法测试的结果。因此采用试验标定应变释放系数A、B比计算求得的A、B更准确一些。从图3可以看出:横向焊接残余应力比纵向焊接残余应力小,也就是说自由对接试板由于横向拘束小,纵向残余应力起主导作用。文献6中焊接试板应力腐蚀裂纹大都垂直于焊缝开裂也证实了这一点。无论是小孔法还是全释放法,焊缝上测量的纵向残余应力均为(350+50)MPa,都比母材屈服强度高。小孔法的测量结果表明接头熔合线处存在最大纵向残余应力,峰值达540MPa。焊缝及其附近的残余应力之所以比母材屈服强度高,主要是因为:(1)奥氏体钢有较高的热膨胀系数和力学熔点;(2)焊缝为双相组织,有较高的屈服强度(实测平均值为460MPa);(3)奥氏体钢应变硬化指数高,且为单相组织,不发生相变。小孔法实测不锈钢焊接残余应力与全释放法测得的结果在误差范围内基本吻合。从图3b看出,只是在距焊缝中心10mm的熔合线处和纵向残余压应力的偏差较大。这主要是因为全释放法测得的是较大切割单元(本试验为1818)上的残余应力平均值,而小孔法测得的是钻孔位置表面近区较小范围(31.6应变片尺寸)内的残余应力平均值。如果残余应力均匀分布,那两者的结果将会是一致的。残余应力分布不均匀时,两种方法测试的结果就存在差异,不均匀程度愈大,差异也愈大。而熔合线处刚好就位于应力分布最不均匀的陡峭处,此外残余应力的分布在厚度方向也存在一定的梯度,因此二者产生一定的差别就不难理解了。虽然焊缝及其附近的焊接残余应力均超过了母材的屈服强度,但与全释放法测定的结果基本吻合。这说明不锈钢的焊接残余应力并不象有些文献认为的那样,不可能超过母材的屈服强度,超过了,都要以母材的屈服强度为标准进行修正。本文的试验结果表明,扩大小孔法在高残余应力区的测量,对不锈钢来说也是有效的。此外进行残余应力测量繁琐的塑性区修正从工程使用意义上讲,并不是必要的。3结论(1)低速钻小孔法适合不锈钢焊接残余应力的测量。从应变释放系数的标定试验来看,孔边屈服直到单轴拉伸应力达到0.73s时才发生,低速钻小孔法在高残余应力区测定的适用性比低碳钢还要好。(2)BE1203BA型应变花与2.33.0mm尺寸的小盲孔配合适合18-8型不锈钢残余应力的测定,建议生产与BE120-3BA型应变花相同几何尺寸的三向应变花,以满足测试不锈钢残余应力主应力和主应力方向的需要。(3)尽管采用试验标定应变释放系数A、B得到的残余应力比采用计算应变释