房元斌，王 勇，王 燦，孔祥意，占小紅

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇徐州221004；3.徐工集團道路機械分公司，江蘇徐州221004；4.南京航空航天大學，江蘇南京211106）

高強鋼Q890中厚板殘余應力測量技術(shù)

房元斌1，王 勇2，王 燦1，孔祥意3，占小紅4

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇徐州221004；3.徐工集團道路機械分公司，江蘇徐州221004；4.南京航空航天大學，江蘇南京211106）

高強鋼已被廣泛應用于工程機械大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中，焊后殘余應力直接影響著后續(xù)工序。借助有限元分析手段對高強鋼對接板的焊接過程進行模擬，經(jīng)分析得到殘余應力分布情況。兼顧測量位置選擇原則，選取仿真結(jié)果相應位置，結(jié)合X射線衍射法和盲孔法兩種手段驗證預測結(jié)果。結(jié)果表明，高強鋼中厚板仿真結(jié)果與X射線衍射法結(jié)果吻合較好；兩種測量方法在低應力區(qū)吻合較好，高應力區(qū)存在一定差距，對現(xiàn)場生產(chǎn)殘余應力控制有重要指導意義。

高強鋼；中厚板；殘余應力；測試技術(shù)

0 前言

工程機械領域的結(jié)構(gòu)件尺寸大、強度高，廣泛使用高強鋼、合金鋼和進口鋼板[1]。其焊接變形矯形難度大，因而反變形、焊接工裝等控制變形的手段得到普遍應用[2-3]。殘余應力是由焊接熱源加載導致材料內(nèi)部發(fā)生不均勻塑性變形。結(jié)構(gòu)件在焊后因殘余應力釋放導致變形，直接影響著機加工和裝配工藝。通過采用合理降低殘余應力的方法[4-6]，如機械法、振動時效、熱處理、超聲沖擊等，降低有害殘余應力，預測焊后殘余應力分布趨勢和數(shù)值大小是十分必要的。實際生產(chǎn)過程中，環(huán)境溫度、焊接順序、焊接工藝參數(shù)等都會對殘余應力分布造成一定影響，借助經(jīng)驗往往難以預測，因此殘余應力測試技術(shù)得到了廣泛的推廣應用。

很多專家學者對焊接殘余應力測量技術(shù)進行了大量的實驗和仿真研究。馬雯波[7]等人通過試驗標定和有限元數(shù)值計算結(jié)合，塑性修正了應變釋放

系數(shù)A，B。王娜[8]等采用盲孔法、無損測試等方法對結(jié)構(gòu)件直接測試，輔以有限元手段對盲孔法模擬驗證。王超逸[9]等采用X射線衍射法和盲孔法兩種實驗手段對低碳鋼厚板殘余應力分布進行分析，對比了兩者測試方法。已有的研究更多偏重于測量方法，而對于測量位置的選擇，更多是隨機選擇、依靠經(jīng)驗的積累或者規(guī)律性選擇若干點，對于選擇該位置原因研究甚少。

本研究借助有限元分析手段，對高強鋼對接接頭焊縫附近結(jié)構(gòu)的殘余應力進行數(shù)值模擬仿真，有效預測殘余應力分布，然后采用X射線衍射法和盲孔法兩種測試手段驗證仿真結(jié)果。

1 建立有限元模型

1.1 焊接工藝參數(shù)

試件材料為Q890，采用CO2氣體保護焊，V型坡口，間隙1 mm，背部加陶瓷襯板。利用FUNAC機器人，兩層三道焊接，焊接工藝參數(shù)如表1所示。幾何尺寸500 mm×200 mm×8 mm，試件幾何模型如圖1所示。

表1 Q890焊接工藝參數(shù)Tab.1Process parameters welding of Q890

圖1 幾何模型Fig.1Geometry model

1.2 材料參數(shù)的建立

借助JMATPRO軟件分析獲得模擬用材料Q890材料參數(shù)，隨溫度變化的部分物性參數(shù)和力學參數(shù)如圖2所示。

圖2 Q890熱-力參量與溫度的關系Fig.2Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q890

1.3 網(wǎng)格模型的建立

為保證應力場求解精度，建立恰當反映CO2焊接的熱源模型。在模型網(wǎng)格劃分過程中，兼顧溫度梯度，對焊縫處網(wǎng)格采用加密處理，熱影響區(qū)與遠離焊縫位置采用過渡網(wǎng)格，遠離焊縫區(qū)域網(wǎng)格稀疏處理。焊縫位置單元尺寸1 mm，單元總數(shù)470 578，節(jié)點數(shù)506 254，如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3FE model

1.4 力學邊界條件

力學邊界條件包括面接觸、位移約束和彈簧約束。以接觸表的形式設置一個接觸對，用來模擬襯板與機器人變位機平臺接觸。寬度方向在中截面下表面選擇兩個節(jié)點位置，限制y向位移，不影響對接板的縱向收縮變形；通過焊縫背面沿焊縫長度方向節(jié)點限制z向位移，不影響橫向收縮。

為避免因設置單方向位移約束而造成拘束不足和雙方向位移約束而造成拘束過大，在襯板背面中心選擇單元表面設置x向彈簧約束。

2 測試原理

2.1 X射線衍射法

X射線測定應力的基本原理基于布拉格定律，如圖4所示。

當X射線1，2，3以入射角θ照射到一個無應力的各晶面間距為d0晶體上，相鄰兩原子面的光程差為波長λ的整數(shù)倍時，X射線會發(fā)生衍射現(xiàn)象，這時

衍射角、晶面間距和入射線波長滿足布拉格方程[10]

圖4 X射線衍射示意Fig.4X-ray diffraction

式中n為衍射指數(shù)；λ為靶材的特征譜線波長；d為晶面間距。

X射線衍射法是以一定應力狀態(tài)下引起的材料晶格應變和宏觀應變一致為基本依據(jù)。金屬材料一般為多晶體，在單位體積含有數(shù)量極多的取向各異的晶粒，從空間任意方向都可觀察到任一選定的晶面。根據(jù)彈性力學方程，晶面間距的變化可以計算相應晶面的應變值[11]，即

式中ε為晶面應變值；d0為無應力狀態(tài)下晶面間距。通過適當?shù)膭偠汝P系，可求出某一方向應力值

式中K為應力常數(shù)；M為2θ·sin2ψ線的斜率；E為彈性模量；μ為泊松比；ψ為衍射晶面法線與試樣表面法線的夾角；θ0為無應力狀態(tài)下衍射角；θ為應力狀態(tài)下的衍射角。

2.2 盲孔法

盲孔法殘余應力測試[12]是在應力場中鉆一小孔，應力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應力將重新調(diào)整。測得孔附近的彈性應變增量，就可以用彈性力學原理來推算出小孔處的殘余應力。小孔處的主應力和方向可以按下式推算

式中εA、εB、εC為應變片a、b、c的應變量；A、B為應變釋放系數(shù)。

3 焊接結(jié)果分析和驗證

3.1 模擬溫度場和應力場結(jié)果分析

通過模擬平板對接的焊接過程，沿著xy平面法線，正對著焊縫方向，分別獲得t=42.9 s、t=92.95 s、t=178 s三道焊接的溫度場及熱源宏觀形貌情況，如圖5a、5b、5c所示。

由圖5a、5b、5c的溫度場云圖可知，焊接過程達到穩(wěn)弧后，熱源呈現(xiàn)橢球形狀，在前半軸溫度梯度較大，等溫線密集，而在后半軸溫度梯度較小，等溫線稀疏。隨著焊接速度增大，后半軸沿焊縫方向長度增大。從熱源作用面積來看，42.9 s溫度場熱源覆蓋面積明顯小于92.95 s和178 s，這與熱輸入少相一致。不同作用時間的熱源宏觀形貌考慮到了實際焊接情況。

通過圖5d、5e、5f的應力場云圖可知，焊接過程從焊縫金屬受熱膨脹，焊縫表面處受壓應力，熱影響區(qū)受拉應力，到冷卻至室溫，試板中存在的焊接拘束應力逐漸增大，在起、收弧附近區(qū)域和焊縫附近的應力值較大。在xy平面垂直焊縫方向，表現(xiàn)為拉應力，遠離焊縫位置的殘余應力很小。整體變化曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布，這與經(jīng)典平板對接規(guī)律是一致的[13]，驗證了仿真分析結(jié)果的正確性。

測量位置的選擇遵循以下原則：測量附近區(qū)域應力梯度變化??；盡量選擇在幾個典型位置；兼顧盲孔法測量點間距孔徑15倍以上；焊接過程穩(wěn)弧狀態(tài)一般在距離起、收弧約30 mm；綜合橫縱向考慮，選擇離焊趾位置較近位置，即應力大的區(qū)域。故選沿著焊縫方向，以起弧位置為原點，依次測量距離原點32mm、95mm、204mm、247mm、294mm、408mm、468 mm。垂直焊縫方向焊縫中心位置，從板的自由端到焊趾距離142 mm、172 mm、187 mm。

3.2 測量結(jié)果分析

分析應力場結(jié)果，測量測試點位置。盲孔法設備

為破壞性測量；X射線衍射法只需對表面進行簡單的打磨平面、拋光處理，在深度方向去除材料深度極小，可忽略其影響，故先進行X射線衍射法測量，設備采用加拿大PROTO公司的便攜式X射線衍射殘余應力分析儀。殘余應力測試位置及應力分布結(jié)果如圖6所示。

圖5 焊后溫度場與應力云圖Fig.5Contour of temperature and welding stress

由圖6b可知，起弧點在左邊，收弧點在右邊。左半部分焊接時，焊件所受拘束作用相對較小，因此焊接應力相對較小，表現(xiàn)為壓應力；中間部分由于焊接時拘束作用最大，應力也最大，先增大再減小，表現(xiàn)為拉應力。與X射線衍射法結(jié)果變化趨勢吻合相對較好，但在高應力區(qū)吻合度較差。盲孔法受系統(tǒng)誤差和測量者操作誤差等因素影響，結(jié)果波動相對較大。

從兩種測量方法分析，在低應力區(qū)兩者吻合度較好，在高應力區(qū)X射線衍射法結(jié)果一般高于盲孔法應力結(jié)果。由于測量方法自身原因，X射線衍射法在高應力區(qū)測量時，塑性應變導致晶格尺寸的畸形變化，導致應力值增大較多，導致結(jié)果偏大。

在焊縫中間位置，沿焊縫橫截面殘余應力測試結(jié)果如圖6c所示。在焊件中間位置，殘余應力表現(xiàn)為拉應力，遠離焊縫位置的殘余應力要小很多。橫向

殘余應力分布表現(xiàn)為拉應力，遠離焊縫位置的殘余應力很小。與兩種測量方法變化趨勢大致相符，高應力區(qū)測量值均大于仿真值，低應力區(qū)均小于仿真值，且X射線衍射法結(jié)果均高于盲孔法應力結(jié)果。同時，在低應力區(qū)兩者吻合度較好，在高應力區(qū)X射線衍射法結(jié)果一般高于盲孔法應力結(jié)果。

圖6 應力測試點位置及分布Fig.6Locations and layout of measurements for stres

4 結(jié)論

（1）溫度場熱源形貌考慮實際焊接情況，應力云圖與經(jīng)典平板對接規(guī)律一致，驗證了仿真分析結(jié)果的正確性。

（2）縱向殘余應力的分布為先增大再減小，起弧與收弧點表現(xiàn)為壓應力，中間位置表現(xiàn)為拉應力。與兩種測量方法X射線衍射法結(jié)果變化趨勢吻合相對較好，盲孔法由于影響因素較多，結(jié)果波動相對較大。橫向殘余應力的分布表現(xiàn)為拉應力，遠離焊縫位置的殘余應力很小。與兩種測量方法變化趨勢大致相符，高應力區(qū)測量值均大于仿真值，低應力區(qū)均小于仿真值，且X射線衍射法結(jié)果均高于盲孔法應力結(jié)果。

（3）兩種測量方法測量殘余應力分布，在低應力區(qū)兩者吻合度較好，在高應力區(qū)X射線衍射法結(jié)果一般高于盲孔法應力結(jié)果。

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Test method for residual stress of high strength steel Q890 on thick aluminum plate

FANG Yuanbin1，WANG Yong2，WANG Can1，KONG Xiangyi3，ZHAN Xiaohong4
（1.Jiangsu Xuzhou Engineering Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.XCMG Xuzhou Mining Machinery Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China；3.XCMG Road Machinery Corporation，Xuzhou 221004，China；4.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

High strength steel has been widelyused in large engineeringmachineryproduction.It directlyaffects the subsequent process of residual stress after welding.By means of finite element analysis of welding process，it is obtained the residual stress distribution of high strength steel plate.Select the corresponding position of simulation results，taking into the principle of measuring position selection.By using two kinds of X-ray diffraction method and blind hole method，it validates the prediction results.The results showthat the simulation results of high strength steel plate are in good agreement with X-ray diffraction method.There is a good agreement with the two measurement methods in the low stress area，and there is a large gap between the high stress zone and the high stress zone.It has an important guidingsignificance tocontrol the residual stress ofthe production process.

high strength steel；thick aluminum plate；residual stress；test method

TG404

A

1001-2303（2016）10-0085-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.18

獻

房元斌，王勇，王燦，等.高強鋼Q890中厚板殘余應力測量技術(shù)[J].電焊機，2016，46（10）：85-89.

2016-03-11；

2016-06-28

江蘇省自然科學基金（BK20140229）

房元斌（1985—），男，山東威海人，碩士，工程師，主要從事工程機械產(chǎn)品方面的焊接工藝及數(shù)字模擬仿真的研究工作。