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中厚板焊接残余应力与焊接变形的测量试验研究


分 类 号 学校代码 10487

学号 M201071304 密级

硕士学位论文
中厚板焊接残余应力与焊接变形的测 量试验研究

学位申请人 :张盈彬 学 科 专 业 :船舶与海洋工程 指 导 教 师 :赵 耀 教授

答 辩 日 期 :2012.5.27

A D

issertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering

Research on the Test of Measuring Welding Residual Stress and Deformation of Plate of Moderate Thickness

Candidate Major Supervisor

: Zhang Yingbin : Naval Architecture and Ocean Engineering : Prof. Zhao Yao

Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P.R.China May, 2012

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名: 日期: 年 月 日

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。 (请在以上方框内打“√” )

学位论文作者签名: 日期: 年 月 日

指导教师签名: 日期: 年 月 日

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摘要
随着焊接工艺在船舶建造过程中的广泛应用,焊接结构的强度性能成为全世界 各国专家关注的焦点。由于数值模拟仿真方法能够全面地反映工程结构的总体性能, 所以该方法已成为研究焊接结构的重要手段。但是数值模拟仿真方法需要将其计算 结果与实际的测量试验结果作对比,在验证其准确性后才能有效地应用于焊接结构 的研究,所以准确地测量焊接结构的相关参数是验证数值模拟仿真方法有效性的重 要前提。本文立足于影响焊接结构性能的两个重要因素——焊接残余应力及焊接变 形展开测量试验研究,通过对船用中厚板典型焊接试样进行测量试验,得到其残余 应力的分布状态和焊接变形的参数值,从而为验证数值模拟仿真方法在研究焊接结 构过程中的有效性提供准确的测量结果。 首先,介绍了盲孔法测量焊接试样表面残余应力的理论及相关参数的选取方法, 并根据实际条件对试验参数进行了选取。通过标定试验测量出应力释放系数 A、B 的值,进而对焊接试样表面的残余应力进行了实际测量。通过分析得出纵横两向残 余应力沿焊缝方向与垂直于焊缝方向的分布状态以及最大残余应力与材料屈服强度 之间的关系等结果。 其次,对逐层铣削法进行了理论推导,并应用该方法测量了焊接试样内部的残 余应力,由此不仅对该测量方法进行了初步探索,同时获得焊接试样内部残余应力 沿板厚方向的分布状态。 再次,对非接触性测量焊接变形的方法进行了探讨,并基于机器视觉法对焊接 试样的焊接变形进行了测量,得到不同焊接试样的变形参数。 最后, 对本文所采用的测量方法进行探讨, 分析得出影响测量精度的各个因素, 指出了测量方法的局限性与不足之处,从而为将来的进一步工作指明了方向。

关键词:焊接残余应力

焊接变形

盲孔法

逐层铣削法

机器视觉

I

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
With the welding process widely used in ship construction, the deformation and strength character of welded structure become the focus of experts from all over the world. Since numerical simulation method can comprehensively reflect the overall performance of engineering structures, it had become an important means for the research of welded structures. However, before the numerical simulation method effectively used in welded structures, the calculated results of this method should be verified by the actual test results. Therefore, accurately measuring results is an important prerequisite to verify the validity of the numerical simulation method. First of all, theory and selection method of related parameters of hole-drilling method, which involved to measuring the welding residual stress acting onthe surface of the specimens are introduced. The experimental parameters are optimized according to the actual conditions. By measuring prefabricated residual stress pieces, strain relief parameters A and B of two different steels are verified, and then the residual stress acting on the surface of two welded specimens is measured respectively. By analyzing the experimental data many results are obtained, including the distribution state of both longitudinal and transversal stress along the welding direction and the direction perpendicular to the welding direction respectively as well as the relationship between maximum residual stress and yield strength, etc. Then the theoretical derivation of layer-removal method, which used to measure the internal residual stress of rectangular cross-section beam are introduced. The application of this method to measure the internal residual stress of welded specimens, which not only conducted a preliminary exploration of the measurement method but also draw the distribution state of residual stress along the direction of thickness.

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Besides, Non-contact measurement methods of welding deformation are discussed. And then the welding deformation of several specimens were measured based on machine vision measuring method, thus obtained a group of welding deformation parameters. Finally, the adopted measuring methods used in this paper were discussed and the analysis come to various factors that affect the measurement accuracy, pointing out the limitations and inadequacies of the methods, which propose the research to be done in the future. Key words:Welding residual stress Layer-removal method Welding deformation Machine vision Hole-drilling method

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目录
摘要 ............................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................... II 1 绪论 1.1 立题背景 .........................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................. 2 1.3 本文主要研究工作 ......................................................................... 7 2 焊接试样表面残余应力的测量试验研究 2.1 引言 ................................................................................................. 8 2.2 盲孔法测量焊接残余应力的基本原理 ......................................... 8 2.3 盲孔法相关试验参数的选取 ....................................................... 10 2.4 盲孔法试验试样的制备 ............................................................... 15 2.5 试验所需的主要设备 ................................................................... 15 2.6 盲孔法测量焊接残余应力的试验操作技术 ............................... 18 2.7 应力释放系数 A、B 的标定试验 ............................................... 21 2.8 残余应力的测量结果及分析 ....................................................... 22 2.9 本章小结 ....................................................................................... 25 3 焊接试样内部残余应力的测量试验研究 3.1 引言 ............................................................................................... 27
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3.2 逐层铣削法测量残余应力的原理 ............................................... 27 3.3 切取 CCSE690 高强钢 40mm 厚板焊接试样............................. 29 3.4 逐层铣削法测量试样内部残余应力方案 ................................... 30 3.5 残余应力的测量结果及分析 ....................................................... 32 3.6 本章小结 ....................................................................................... 34 4 焊接变形的测量试验研究 4.1 引言 ............................................................................................... 35 4.2 现有焊接变形测量方法及其特点 ............................................... 35 4.3 基于机器视觉法测量焊接变形 ................................................... 39 4.4 本章小结 ....................................................................................... 46 5 总结与展望 5.1 全文总结 ....................................................................................... 47 5.2 展望 ............................................................................................... 48 致谢 ........................................................................................................... 50 参考文献 ................................................................................................... 51

V

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1绪
1.1 立题背景



焊接对于现代工业的各个部门而言是一门重要的材料加工工艺,它在金属结构 制造方面发挥着举足轻重的作用。据 2007 年发布的《中国焊接材料的市场需求与发 展态势》报告显示,2006 年我国的钢产量为 4.2 亿吨,占全球钢产量的 34%,焊接 材料的产量为 320 万吨左右,约占全球焊材产量的 50%。由此可见,我国已成为全 球钢材和焊材消费量最多的国家。 2009 年《我国制造业焊接生产现状与发展战略研究》总结报告中提出,由于焊 接结构具有重量轻、成本低、生产周期短、市场反应速度快等优点,焊接结构在工 业领域中的应用日益增多。目前我国同世界工业发达国家一样,焊接加工的钢材总 量多于其他加工方法。 在步入 21 世纪的前夕,德国工业界召开了一次圆桌会议,对焊接制造工艺的发 展前景进行了展望。首先,焊接工艺在 2020 年之前仍将是制造业的重要加工技术之 一,它是一种精确的、可靠的并且可采用高科技对材料进行连接的方法,目前在金 属连接方面焊接技术的应用最为广泛,其他技术还不能与之相媲美;其次,焊接技 术对改善产品全寿命的成本、质量和可靠性起着至关重要的作用,而且在提高产品 的市场竞争力方面有重要贡献;再次,焊接不应再是“应召工艺” ,它将会逐步集成 到产品设计、开发、制造到维修、再循环的全寿命过程;最后,现在以及将来焊接 工艺是成功地将各种材料加工成可投入市场的产品的首要加工方法[1]。所以,要发展 我国的制造业,尤其是装备制造业,就必须要高度重视焊接工艺的发展,保证焊接 技术在国际上处于领先水平。 焊接工艺在船舶和海洋工程结构中的应用,对造船业而言是一次深刻的变革, 它促使造船业步入跨越性地发展阶段。 自上世纪 30 年代船舶焊接代替船舶铆接之后, 船舶的建造模式从散装建造发展到分段建造以及现在的区域造船法,极大地缩短了 船舶建造周期。 在船体建造过程中, 30%~40%的船舶建造工时用于船体结构的焊接,

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其成本约占船舶建造总成本的 30%~50%。因此,焊接技术质量是影响船体建造质量 的关键因素之一。 焊接是一个复杂的加热和冷却的过程,在焊接过程中热应力的变化及其所造成 的塑性变形不仅会在焊接构件内产生残余应力而且会造成焊接结构的变形。而焊接 残余应力及焊接变形会严重影响到工程结构的静强度、疲劳强度、腐蚀开裂以及机 械加工精度等性能。而目前研究焊接结构的主要手段为数值模拟仿真方法,即应用 大型有限元仿真软件对整个焊接过程进行模拟仿真,由此可以全面地反映焊接结构 的总体性能。但是数值模拟仿真方法需要将计算结果与实际的试验测量结果作对比, 在验证其准确性后才能有效地应用于焊接结构的研究,所以准确地测量焊接结构的 相关参数是验证数值模拟仿真方法有效性的重要前提。 本文以船用典型焊接构件作为试验测量研究的对象,分别应用盲孔法和逐层铣 削法对焊接试样表面及内部的残余应力进行测量,得到焊接残余应力的分布状态。 并基于机器视觉测量法对不同焊接模型的焊接变形进行了非接触式测量,得到焊接 构件的横向收缩量、纵向收缩量及角变形量等变形参数。由此为评价数值模拟仿真 方法在研究焊接结构过程中的合理性提供了准确的试验结果。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 残余应力的测量研究概况 残余应力测量方法的探索研究是从 20 世纪 30 年代开始的,研究初期大多采用 对构件破坏性较大的机械测量法。自 20 世纪 40 年代中期,得利于应变计的发明, 电测法得到极大的发展,通过与机械法的配合使用,有效地降低了机械法对构件的 破坏。残余应力的测量方法发展至今分为有破坏性的和无破坏性的两大类方法,前 者也称“机械测定法” ,后者称为“物理测定法” 。 机械测定法主要包括适用于薄板试件的切条法,多用于中厚板表面应力测量的 盲孔法、压痕法以及裂纹法,用于测定三向应力沿板厚方向分布的套取芯棒法以及 适用于厚板或复杂截面构件的逐层铣削法。在上述测量方法中,按其对构件的破坏 程度分为全破坏性测量方法和局部破坏性测量方法。前者包括切条法和逐层铣削法, 后者包括盲孔法、压痕法、裂纹法以及套取芯棒法。
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物理测定法主要包括用于表面应力测量的 X 射线法、适用于铁磁材料表面测量 的磁测法、用于大厚度板材内部应力测量的中子辐射法以及尚处于试验室研究阶段 的超声波法。由此可见,物理测定方法多为非破坏性测量方法,而且可以是非接触 式的。但由于物理测定法大都存在着误差大、设备昂贵、不便于现场测试等缺点, 因此多用于试验室的小试样测量研究。 残余应力的测量研究得到了各工业发达国家的重视。我国学术性的残余应力交 流会已成功举办 16 届。近年来,科研人员针对残余应力的测量方法及其改进优化、 减少机加工制造过程中引入的残余应力以及降低残余应力对机械构件造成的不良影 响等方面进行了大量研究。欧洲、美国及日本等国家也都定期开展有关残余应力测 量的会议,其中欧洲最重要的残余应力会议 ECRS 也已成功举办多届。目前来看, 国外的研究多集中于 X 射线法、中子衍射法等物理测量方法,并且取得了很多研究 成果,工程测量应用最为广泛的是盲孔法、X 射线法及逐层铣削法。 盲孔释放法测量焊接残余应力是由德国学者 J.Mathar 于 1934 年提出的。 20 世纪 40 年代得利于电阻应变片的发明,该方法得到了极大的发展。 Riparbelli、Ward 及 Suppigger 等学者对该方法的基本理论及测量方法进行了研究。其中 W.Soete 和 R.Vancombrugge[2] 提出了应用电阻应变片测量残余应力最基本的方法,即所谓的 Mathar-Soete 法。残余应力的测量不用校正试验,由理论推导得出。盲孔法后经国内 外学者的发展和完善,测量精度得到极大的提高。目前美、德等国家已经制定了相 关的国家标准,我国在 1992 年制定了船舶行业标准 CB 3395-92。 在打孔方式的研究方面, 1973 年 Bush 等[3]提出喷砂打孔的方法, 1982 年 Flaman[4] 提出极高速钻孔法。前者利用压缩空气将粉末状的三氧化二铝通过旋转的喷嘴打在 试样上,该方法特别适用于脆硬材料,能够有效地减少加工应变,但是不能准确地 控制打孔深度。后者用转速高达 400000r/min 的空气涡轮驱动转头,在不锈钢、镍、 铝以及纯铜等加工应变较大的材料上钻孔,该方法不仅能够有效地降低加工应变, 而且加工出来的孔型很好。Nawwar、Ruud 等[5-7]对应变片的尺寸半径以及打孔的孔 间距进行了探讨,认为设计应变花时敏感栅不能离应变花中心太远,并给出各自认 为合适的孔心间距。1979 年 A.AJOVALASIT[8]推导出在孔偏心条件下修正残余应力 测量精度的方程。
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在国内,许多学者也针对影响盲孔法测量精度的诸多因素进行了大量的研究工 作。王政、刘萍等[9]提出释放系数 A、B 不是与应力无关的常数,盲孔法适用于残余
1 1 1 应力值大于 σ s 的场合,标定 A、B 时加载的力如果在( ~ ) σ s 范围内,得到的测 4 4 3

量精度较高。候海量、朱锡等[10]通过对 921A 钢进行研究,得出 921A 钢盲孔孔边塑 性变形对测量精度的影响并提出塑性修正公式。黄晶等[11]应用盲孔法研究厚板焊接 残余应力的分布状况,并对其影响因素进行了分析。刘一华等 [12]对盲孔法的释放系 数进行了数值计算方法研究。王娜等[13]提出逐步扩孔的钻孔方案,通过试验比对发 现该扩孔方案能够保证残余应力完全释放且引入较小的加工应变。 尽管盲孔法是最常用的残余应力测量技术,但作为机械测量方法还是会对测量 对象造成局部破坏,从而限制该方法地应用,例如像压力容器这样的试件而言,不 能采用盲孔测量方法,而需要无损测量法,如 X 射线法等。X 射线测量法的优点就 是无损伤,可以反复测量,不利之处在于对工件表面处理的要求很高,测量精度受 很多因素的影响,而且测量的深度有限,只能在表面下 10~35μm 左右。 1961 年德国科学家 E.Machearauch 首次实现应用 X 射线测量应力,该方法推进 了 X 射线在应力测量领域的应用。随后 Gloeker 将该方法进行了简化,虽然精度略 有降低,但是有效提高了测试效率,受到广大科研工作者的欢迎。日本学者率先成 功研制出 X 射线应力测定仪,为残余应力的测量技术做出了巨大贡献。 国内自上世纪 60 年代中期开始展开 X 射线测定应力的研究,70 年代初由北京 机电研究所成功研制出我国第一代 X 射线应力测定仪。杨于兴等[14]利用 X 射线测定 应力技术对浦东国际机场钢屋(35#钢)架上弦主梁的残余进行了测量,指出火工校 弯对构件的残余应力有一定的影响。在焊接结构的测量方面,文献[15]为研究大型分 瓣式转轮在组焊过程中产生焊缝开裂的原因,应用 X 射线对焊接试样进行了残余应 力测量,发现过高的焊接残余应力是转轮在运行中产生变形的主要原因。 由于 X 射线法为无损测量方法,因此被广泛地用于测量焊接构件的残余应力。 文献[16]应用 X 射线法对 AZ91 型镁合金的激光焊件进行了残余应力的测量, 结果发 现激光焊接导致构件在不同区域的微观结构以及材料性能出现异同。 文献[17]为测定 电子束焊接板的残余应力,采用了裂纹柔度法、盲孔发以及 X 射线法分别对焊接试 样进行残余应力的测量,通过试验测量出该焊接工艺下试样的残余应力分布情况。
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X 射线法由于是通过直接测量晶体的原子间距来得到构件的残余应力,因此具 有较高的精度。然而,这种方法对粗晶粒等材料的测量目前还有一定的困难,因为 某些材料很难找到衍射面。由于 X 射线的穿透深度极浅,因此在测量试件内部的残 余应力应力时必须对试样进行剥层。所以,从对构件破坏性角度来看,X 射线法已 逐渐发展成为有损检测法。 逐层铣削法自上世纪 20 年代初发展至今,已成为一种较为可靠的测量手段。该 方法最大的优点是能够测量轴对称形状试样的残余应力沿厚度方向的分布规律,如 圆板、圆筒、球、线材以及梁、板、薄壁圆管等。缺点是要求测量对象的应力状态 为均匀分布,由此也限制了该测量技术的应用。 1931 年 F.Stablein 和 N.N.Dabidenkov 首先提出应用逐层铣削法测定长方形截面 梁的残余应力。后有学者提出将逐层铣削法与 X 射线法相结合,用于测量残余应力 沿剥层厚度方向的分布。随着电化学加工方法的日益兴起,剥层方式也由机械铣削 变成电解腐蚀或电解抛光,由此极大地减少了加工应变对原应力场造成的影响。荷 兰科学家成功研制出通过电解抛光剥层应用 X 射线对试样残余应力进行测量的仪器。 随着逐层铣削法测量技术的日益成熟,国内外学者基于该测量方法进行了大量 的研究。J.R.White[18]将逐层铣削法进行了理论完善,用于测量杨氏模量随厚度方向 变化的复合材料的残余应力。M.Poulain 等[19]应用逐层铣削法测量了由于热涂层造成 的残余应力的大小。 B.Ekmekci 等[20]对电化学加工设备进行了改进, 通过建立控制系 统保证电化学加工是一个线性剥层过程,由此缩减了试验后数值处理的时间。国内 对逐层铣削法测量残余应力的研究较晚,目前还没有研制出试验所需的成套设备。 在逐层铣削法试验的应用方面,南京航空航天大学的余伟等[21]应用逐层铣削法试验 对用于飞机结构件中的 7050 型铝合金进行了残余应力的测量,用于研究航空薄壁件 的加工变形。王树宏等[22]为研究初始残余应力对航空铝合金厚板铣削变形的影响, 应用改进的逐层铣削法试验对美国 ALCOA 公司生产的 7050T7451 铝合金板材进行 了残余应力测量,并用有限元仿真软件对剥层过程进行了仿真模拟。郭魂等 [23]提出 了逐层铣削法的改进方案,运用弹性力学理论推导出应力释放与产生应变的迭代关 系式。华南理工大学的胡华南等[24]提出了表面剥层时残余应力测量的修正方法及修 正公式,有效地提高了测量精度。
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逐层铣削法主要用于测量残余应力沿试样厚度方向的分布。目前,该方法有两 个发展方向,一是剥层 X 射线法,即通过机械加工、电解腐蚀或者化学腐蚀等方法 对试样进行剥层,再应用 X 射线测量各层的残余应力,该方法的测量精度很高,因 为在测量过程中没有引入加工应变所以不会对原有的应力场造成破坏,但是该方法 的加工效率较低,设备成本较高。二是剥层应变法,该方法是通过测量剥层后的变 形或者应变,根据弹性力学理论计算出剥层前试样内部的残余应力,剥层的方式由 机械铣削向电化学加工转变,在牺牲加工效率的基础上提高了测量精度,但是电化 学加工的环境会对腐蚀试样上粘贴的应变片。综上,逐层铣削法的发展方向是形成 试验标准规范,以及研制出准确、高效地专用试验设备。 1.2.2 非接触式测量方法研究概况 目前,焊接变形的测量方法由接触式测量方法向非接触式测量方法转变,其原 因是百分表、量尺等测量工具在焊接高温条件下难以方便、准确地测量焊接变形。 随着光学与图像学等新兴理论研究的发展,非接触式测量法已成为精确测量焊接变 形的重要手段。特别对于大型复杂焊接构件而言,只有通过重建焊接构件的三维模 型才能精确有效地测量其焊接变形。针对焊接变形及大型复杂曲面的近景测量等工 业测量需求,国内外学者展开了大量研究,目前的研究热点集中于融合了光学、图 像学及机器视觉等非接触式测量方法上。 国外对非接触式测量技术的研究较早,Hung 提出了基于视觉技术的全景曲面三 维测量系统[25],Pancewicz 根据光学衍射理论提出基于条纹投影的三维建模方式[26], C.Reich 将近景摄影测量与编码结构光技术相结合提出曲面结构三维测量方法[27], 而 国内对该领域的研究较晚,研究水平与发达国家相比还有较大的差距,但在某些应 用领域取得了一些研究成果。如朱援祥应用数码相机对焊接构件的收缩变形进行了 测量[28],武汉大学的刘经南等应用 CCD 摄像机对钣金件的加工误差进行了检测[29], 天津大学的叶声华等提出了用于汽车检测的白车身三维视觉检测系统[30]。 目前针对非接触式测量已经开发出专用的商业软件,如美国的 GSI 公司的 V-STARS 系统、德国的 GOM 公司的 TRITOP 系统、挪威 METRONOR 公司的 METRONOR 系统等[31],其近景工业摄影测量技术的测量精度都达到 0.1mm/m 的水 平。 国内的公司也开发出多款类似的测量系统, 如上海数字制造开发的 3DSS 系统及
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北京开远公司开发的 OKIO 系统等。

1.3 本文主要研究工作
本文以船用钢材典型焊接试样为研究对象。采用盲孔测量法和逐层铣削法两种 测量手段,对焊接结构中残余应力的分布状态进行了测量,同时应用机器视觉法测 量了焊接试样的变形参数,从而为验证数值模拟仿真方法的合理性提供了准确的测 量结果。本文的主要研究内容如下: (1) 通过盲孔法试验, 测量得到 EH36 钢材 100mm 厚板及 CSSE690 高强钢 40mm 厚板典型焊接构件表面残余应力的分布状态。 (2) 应用逐层铣削法对 CSSE 钢材 40mm 厚板焊缝区内部的残余应力进行测量研 究,得到该焊接试样内部残余应力沿板厚方向的分布状态。 (3) 基于机器视觉法测量典型焊接试样的纵向收缩量、横向变形量及角变形量。 在测量过程中对该方法的测量精度进行了标定,并对影响测量精度的各个因素进行 了分析。

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 焊接试样表面残余应力的测量试验研究
2.1 引言
本章将应用盲孔法测量试验技术对焊接试样表面的残余应力进行测量。 该测量方法 自 J.Mather 提出后,经 W.Soete 及 R.Vancom-brugge 等学者的研究与发展,使测量精度 得到了极大的提高。 之后国内外有关盲孔法测量残余应力的研究主要在打孔方式、 孔边 塑性变形的修正等方面展开,使得盲孔法的测量精度得到极大的提高。以 1981 年美国 首次颁布 ASTM 标准 E837-81[32]为标志,盲孔法开始正式应用于工业测量。 盲孔法是一种简单易行、测量精度可靠的测量方法,在焊接、铸造、冲压等残 余应力的测量中得到广泛的应用。目前,已经研制出专门测量残余应力的仪器,只 需要做简易的操作就可测得残余应力的大小,为残余应力的测量带来极大的便利。

2.2 盲孔法测量焊接残余应力的基本原理
假设焊件内存在残余应力场(ζ1、ζ2),按相应的尺寸标准在试样上钻一个盲孔(直径 为 d,深度为 h),该处的残余应力会随金属的切除完全释放,孔周边区域也会因边界条 件的改变产生部分释放应变(其大小与释放应力相对应),并使原来的应力场达到新的平 衡。测出该释放应变 Δε,便可根据相应的计算公式[33]求出测点处的初始主应力。

图 2.1 测量残余应力用的应变花示意图

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盲孔法测量残余应力的理论是在通孔法的理论基础上加以改进和修正得来的。 如图 2.1 所示在焊接试件上粘贴三向应变花测量释放应变, 其中 1 号应变计的长轴方 向为垂直于焊缝方向,其主应力 ζ1、ζ2 及方向角 θ 的计算公式为:

? 1,2 ?

E 2E 2 2 ? ?1 ? ? 3 ? ? ? ?1 - ? 2 ? ? ? ? 3 - ? 2 ? 4A 4B ? ? ? - 2? 2 tg 2? ? 1 3 ?1 - ? 3

(2.1)

式(2.1)中, ε1 、 ε2 和 ε3 分别表示打孔后 1、 2、 3 号应变计测量的释放应变, 单位为 με; A、B 为释放应变系数,是与孔径大小、孔深、材料的杨氏模量等有关的量;θ 为最 大主应力(代数值)与 1 号应变片长轴之间的夹角;ζ1、ζ2 为主应力,单位 Mpa。 通孔的应变系数 A、B 可以通过弹性力学中的 Kirsch 解直接求出:
A?? 1 ? ? D2 ? 2 E 4r1r2

2 2 2 D 2 ? 1 ? ? D ? r1 ? r1r2 ? r2 ? ? ?1 ? ? B?? ? 2 Er1r2 ? 4 4r12 r2 2 ? ? ?

(2.2)

式子(2.2)中,E、μ 分别表示材料的杨氏模量和泊松比;D 表示孔的直径;r1、r2 分别 表示孔中心到应变片近端和远端的距离。 盲孔法的应力释放系数 A、B 则通过标定试验获得。标定试验是在标定试样上 进行。 对已粘贴应变花的标定试样施加一个已知的单向应力场(ζ1=ζ, ζ2=0), 假设 1、 3 方向应变片的长轴分别平行于 ζ1 和 ζ2 方向,即此时的方向角 θ=0,则有:

4A 4B ? ?? ? ?? ?2 ? 1 3 ? 1 3 4A 4B
A ? ? ?1 ? ? 3 ? 2? B ? ? ?1 ? ? 3 ? 2?

?1 ?

?1 ? ? 3

?

?1 ? ? 3
(2.3)

将单向应力场 ζ1=ζ, ζ2=0 代入公式(2.3)中, 可得应力释放系数 A、 B 的表达式: (2.4)

式子(2.4)中,ε1、ε3 分别表示 1 号和 3 号应变片测得的释放应变。

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2.3 盲孔法相关试验参数的选取
盲孔法试验涉及到粘贴应变片、钻孔以及通过静态应变仪测量释放应变等操作, 是一个较为复杂的试验过程。因此在试验过程中,相关参数的选取合理与否将直接 影响到测量精度的高低,本节将就影响测量精度的主要试验参数进行阐述,并依据 理论选取合适的参数值。 2.3.1 孔心与贴片点之间 r 距离的选取 若 r 是孔中心点 A 与应变片中心点 B 之间的距离。在试验中,A 点是测量点, 而 B 点则难以判断,因为应变片有一定的面积。目前,根据不同的理论模型,共有 4 种选取 r 值的方法。其中方法(4)的表达式极为复杂,本文将只对其理论方法进行阐 述。 (1) 一点积分法 该方法以应变计两根对角线的交点作为 B 点,将 B 点的应变记为释放应变,如 图 2.2(a)所示。

(a) 一点积分法

(b) 线积分法

(c) 面积分法

(d) 纵向栅丝面积分法

图 2.2 r 的四种不同取值方式
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(2) 线积分法 如图 2.2(b)这种方法将应变计看作一条直线, 认为测量的释放应变是该直线上的 平均值。其计算公式为:

?m ?
由此知,

r2 1 ? r dr r2 ? r1 ?r1

(2.5)

? m ? A(? 1 +? 2 )+B(? 1 -? 2 )cos2?
式子(2.6)中,A 与 B 为方程(2.2)的表达式。 (3) 面积分法

(2.6)

如图 2.2(c), 该方法是将应变计看作一个矩形面, 释放应变为矩形区域的平均值。 其计算结果为,

? m' ? A1 (?1 +? 2 )+B1(?1 -? 2 )cos2?
式子(2.7)中,A1 与 B1 的表达式为:
A1 ? B1 ? (1 ? ? )a 2 1 1 [ 2 ? ] 2 4 r1 ? d (r1 ? l ) 2 ? d 2

(2.7)

d 1 2a 2 3a 4 2a 2 [{? ?1 ? ? ? ( 2 ? 4 ) cos 4? ? (1 ? ? ) 2 cos 2? }r ? r1 dx 4d ? d r r r 2 4 2 d 2a 3a 2a ? ? {(1 ? ? )( 2 ? 4 ) cos 4? ? (1 ? ? ) 2 cos 2? }r ? r1 ?l dx] ?d r r r

(2.8)

(4) 纵向栅丝面积分法 如图 2.2(d)该方法考虑得更加合乎实际情况,认为应变栅不是一整块矩形面积, 而是由纵向及横向栅丝组成。横向栅丝较短可以忽略不计,因此认为释放应变是 n 条纵向栅丝测得应变的平均值。 南云曾以陕西汉中生产的 BE120-2CA-A 型应变花做过试验,研究发现一点法产 生的误差较大,纵向栅丝面积分法与面积分法两者测量的精度都比较高[34]。但是纵 向栅丝面积分法与面积分法都太繁琐,试验过程中不建议采用。陈惠南[35]通过试验 比较,认为计算 A 宜采用线积分法,误差为-6.5%,可以加修正系数 1.065 来修正, B 则可以通过面积分法来获得。本文的试验原理应用的是线积分方法,A、B 的取值
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是通过标定试验求得。 由于钻孔会导致焊件内的应力场将重新分布,而应力释放的过程相当于在孔壁 施加相应的反向载荷。根据圣维南原理,只在离孔边不远的地方才受载荷的作用, 因此 r 值不能过大。Nawwar 等对此问题做过研究,通过试验拟合出三向应变计的无 量纲系数 λ(λ=D/r)与灵敏度系数 Kr 的关系曲线,发现三向应变片的灵敏度系数 Kr 不 可能同时达到最大。但是该理论只适用于通孔、薄板及单向应力场的情况。在本试 验中,采用汉中精测电器有限公司生产的 BE-120CA-A 型应变计,r 为 3mm,灵敏 度系数为 1.98± 0.02%。孔中心距离应变栅两端的距离 r1=2mm、r2=4mm。 2.3.2 两孔互不干扰的孔心距的选取

图 2.3 P 点的应力状态示意图

如图 2.2 所示,在一块无限大的薄板上钻一个半径为 R 的小孔,假设钻孔前薄 板内的应力场为 ζ1 和 ζ2。钻孔后孔周围的应力场会发生变化并达到新的平衡。若 P 点与孔中心的距离为 r,则钻孔前后 P 点应力状态的变化根据 Soete 解可以表示为:

R2 3a 4 2a 2 R2 3a 4 2a 2 ? r ? [? 2 ? ( 4 ? 2 ) cos(2? )]?1 ? [? 2 ? ( 4 ? 2 ) cos(2? )]? 2 2r 2r r 2r 2r r

(2.9)

?? ? [

R 2 3a 4 R 2 3a 4 ? cos(2 ? )] ? ? [ ? cos(2? )]? 2 1 2r 2 2r 4 2r 2 2r 4

(2.10)

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式子(2.9)、(2.10)中,σr、ζθ 分别表示 P 点的径向应力与切向应力。当 σr=ζθ=0 时说 明钻孔并没有影响到该处的应力场。同时根据公式(2.9)、(2.10)可知,当 r>>R 时 ζr 与 ζθ 都趋向于零,由圣文南定理也可推出这一结果。 西安交通大学的裴怡、 包亚峰等人[36]通过单向拉伸载荷试验及三维有限元仿真, 对边界与孔中心距离和孔间距问题进行了研究,认为无载荷方向的孔间距 dmin’取 5 倍的孔径(即 10R) ,有载荷方向的孔间距 dmin 取 10 倍的孔径(即 20R) ,当满足上 述条件时,相邻孔的影响所引起的误差不超过 2%~3%。由于焊接残余应力是多向分 布的,所以在盲孔法测量试验中纵横方向的孔间距一致取为 20R。 2.3.3 孔径及孔深的选取 盲孔法所测量的是孔径周围某一区域内的平均应力。 文献[37]通过试验分析得出, 当应变花的测量圆直径一定时, 钻孔的直径越小, 所测量的结果就越接近峰值应力。 但是,孔径越小,孔周测得的释放应变越小,测量的相对误差就会增大。为了协调 两者的关系,可以参照 ASTM 标准 E873-81 提供的经验公式,采用应变花的测量直 径 D0=6mm,钻头直径 D=1.5mm。 孔的深度 h 与孔直径 D 的比值称作深径比。很多研究结果表明,不同的深径比 对试验的精度影响不同。 ASTM 标准 E873-81 中推荐的深径比 h/D 在 1.0~1.2 范围内。 文献[12]通过试验对比得出,当孔深超过该范围时,再钻一个深度的增量,远在表面 的测点测量不出这一深度的增量所产生的释放应变。 图 2.4 所示为应变片测量的释放 应变与深径比的关系。

图 2.4 释放应变与深径比 h/D 的关系[38]
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通过对深径比的分析,为保证较高的测量精度,确保在各个深度方向上都能测 得精确的释放应变,降低测量误差的影响,本试验选取 h/D=1.2,即孔深为 2mm。 2.3.4 试验测点的布置 根据文献[39]可知,对于平板对接焊,残余应力在横向基本上是关于焊缝中心线 对称分布,由于在该方向上焊缝附近的残余应力变化梯度较大,因此在近焊缝区布 片较密。同时,由于在焊缝中心线上的残余应力较大且分布较为均匀,因此需要在 焊缝中心线上布片,布片在远离横向中心线处应较密。综上所述,为获得焊接残余 应力的最大值及其在试样表面的分布规律,贴片方案为,横向只在焊缝中心线的一 侧贴片,纵向在板宽一侧沿焊缝中心线布片。图 2.5 给出了平板对接焊焊接试样的布 片示意图,图 2.6 为试验中某一试样的实际的布片方案。

图 2.5 对接焊试样贴片示意图

图 2.6 实际布片方案图

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2.4 盲孔法试验试样的制备
盲孔法测量试验的研究对象为 EH36 钢材和高强度钢 CSSE690,焊接模型如图 2.7 所示,试板材料及尺寸如表 2.1 所示。

模型 1

模型 2

图 2.7 模型 1、2 分别为 100mm、40mm 厚平板对接焊的焊接试样模型

表 2.1 试板材料及尺寸 试板尺寸 模型 零件号 材料 长× 宽× 厚(mm) ① 1 ② ③ 2 ④ CSSE690 300× 250× 40 EH36Z CSSE690 400× 250× 100 300× 250× 40 CO2 气体保护焊 EH36Z 400× 250× 100 埋弧自动焊 焊接方法

2.5 试验所需的主要设备
本试验选用的钻孔设备是 HK-21B 型钻孔装置,如图 2.8 所示。

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图 2.8 HK-21B 型打孔设备

其主要技术参数如下, (1) 钻孔精度(mm) (2) 钻孔垂直度(mm) (3) 打孔深度(mm) (4) 微调范围(mm) (5) 调压范围(V) (6) 电钻最大速度(r/min) ≦0.02mm ≦0.01mm 2~3mm 2mm 70~100V 16000r/min

图 2.9a 与 2.9b 所示为 HK-21B 设备的示意图及其各零部件的名称。

1、目镜 2、目镜装具 3、内套筒 4、三向调节螺丝 5、支腿高度调整螺母 6、夹具支腿 7、 万向节 8、钻杆 9、钻深卡子 10、导套座 11、粘接垫脚 12、钻头 13、应变片 图 2.9a 目镜对准测量点示意图图
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图 2.9b 打孔装备示意图

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应变测量计选用陕西汉中精测电器生产的 BE120-2CA-A 型三向应变花,电阻值 为 119.8±0.2Ω,灵敏度系数为 2.10± 1%,如图 2.10 所示。

图 2.10 BE120-2CA-A 型应变花

释放应变的测量选用 DH-3818 静态应变测试仪,如图 2.11 所示。每台静态应变 仪有 1-10 个通道,最多可同时可测量 10 个应变值,在程控状态下数据采集速度为 10 测点/秒;测试应变范围为±19999με,分辨率为 1με,自平衡范围为±15000με,灵 敏度系数 K=2,内置电阻 R=120Ω 满足试验要求。

图 2.11 静态应变测试仪

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2.6 盲孔法测量焊接残余应力的试验操作技术
2.6.1 试验测点粘贴应变花 首先清理试件待测应变区的表面, 用纸砂轮在粘贴应变花处大于应变花面积 4~6 倍的范围内打磨掉氧化层和锈迹,待露出金属光泽、无麻坑后用 360 品细砂纸采用 圆形旋转正反方向打磨或垂直、水平交替打磨,除去残留的毛刺。然后用 1000 品细 砂纸斜 45°交叉打磨,使贴片区表面形成平整、有一定粗糙度的网纹状表面,如图 2.12 所示。

图 2.12 打磨好的试样表面图

待试样表面清理完毕后,在试样表面贴片区清洗及画线。用蘸有丙酮的脱脂棉 球擦拭贴片区,擦拭时呈十字状擦洗,并更换棉球反复擦洗,保证中心粘贴部位干 挣,擦洗直至棉球无黑色污物为止。待清洗干净,丙酮挥发后,用刻度直尺和 2B 铅 笔在测点处划十字刻线。 确定应变花的正反面,并将应变花的连线向上拉起,左手捏住连线,使粘贴面 朝上。在粘贴面的中心滴适量 502 粘贴剂,摇匀使粘贴面上形成一薄层胶水。将粘 贴面朝下,使应变花的方位线对准试件的十字定位线。将聚四氟乙烯薄膜展开垂直 覆盖在应变片上,用食指轻轻滚压聚四氟乙烯薄膜表面将应变花里面多余的胶水和 气泡赶出,滚压时不能有滑动,滚压 5~6 秒后轻轻由外向里掀开,以防多余胶水与 聚四氟乙烯薄膜粘贴过牢。再放上透明纸按压,可用大拇指或中指加大力度滚压 20 秒左右,使应变片与试件较好地粘贴,之后再进对贴片质量进行检查。粘贴好的应 变片如图 2.13 所示。
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图 2.13 粘贴好的应变花

然后将应变花与静态应变仪相连。首先将导线编好号,用剥线钳剥除导线的一 小部分绝缘外皮,并用电烙铁挂少量锡,防止导线头松散。然后在应变花导线根部 粘贴绝缘胶带,将应变花的引出线与导线相连。再将导线的端部用胶带固定在应变 花的根部,固定导线的远端,防止扯动,如图 2.14 所示。

图 2.14 将粘贴好的应变花与导线相连图

图 2.15 用万用表检查应变化的粘贴质量

之后用镊子将应变花的引出线缠绕在导线上,最后用锡焊处理连接线。焊接完 引出线和导线后,用数字万用表分别搭在接线端子和导线末端接线柱上测应变片直 流电阻值是否有明显变化,正常情况基本无变化,如发现万用表显示“0” ,则短路, 显示初始值“1” ,则表明未接通或接触不良,如图 2.15 所示。用兆欧表检测丝栅与 试件的绝缘电阻,要求电阻>100MΩ。再将粘贴好的应变花与 DH-3818 静态应变测 试仪相连,同时在相同材料的试样上粘贴应变花作为补偿片,最后将静态应变仪接 地调平衡。
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2.6.2 安装试验设备 首先,检查装置各部分连接是否牢固,然后将垫脚处螺帽松开,将装置放置于 应变花上方,装入放大镜粗略对准应变花上的打孔点,如图 2.16 所示。然后将垫脚 底座用 502 胶水粘于工件上等胶水固定后,拧紧螺帽将装置固定于试件表面。再用 锁紧螺钉调节偏心套使放大镜中心十字刻线中心对准应变花上打孔点,拧紧锁紧螺 钉将偏心套锁紧,取出放大镜。

图 2.16 调整试验装置对准打孔点

待应变化的中心与钻具调对心后,将配置 Φ1.5mm 钻头额钻杆擦干净,装入钻 头夹轴与导套装好。然后,在导套外壁上抹少许机油,然后放到偏心套中。并在导 套与导套座之间塞入 2.0mm 的钻孔卡子,将钻头顶到应变花上来确定钻头的夹持长 度,拧紧钻头夹轴上的螺母,使钻头夹紧。之后除去钻孔卡子,将钻头提起,静态 应变仪调零。再将调压器接到 200V 电源上接好手钻与调压器,调压范围控制在 150~200V 之间。 将钻套下部四方孔套入钻头夹轴上四方头轴, 保持合适的压力开钻, 如图 2.17a、2.17b 所示。 当导套与导套座贴合时(即达到预定孔深 2.0mm) ,停止钻孔并拔出钻杆。过 20min 后当静态应变仪指示稳定时, 测出应变示值 ε1、 ε2、 ε3, 填入制作好的表格内。 最后将螺帽松开取下装置,将垫脚从试件上掰下。
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图 2.17a 安装钻头图

2.17b 对试样进行钻孔

2.7 应力释放系数 A、B 的标定试验
通过对标准试样施加单向应力场进行盲孔法的标定试验。根据公式(2.3)、(2.4), 可以很方便地求得应力释放系数 A、B 的值。 标定试验是在粘贴好应变片的标准试件上进行,首先对试样施加已知静态载荷, 然后对试样进行钻孔(孔径及孔深尺寸与盲孔法试验相同) ,通过应变片前后示数的 变化,测得由于钻孔而产生的释放应变。将释放应变值代入公式 (2.4)中,就可得到 应力释放系数 A、B 的值。 标定试样所用的材料与待测材料相同,依据规范[40]制备试样,试样的尺寸如图 2.18 所示。标定试样加工完毕后需要对其进行去应力退火处理。

图 2.18 标定试样零件图

为了保证标定试验的精确性,需要进行多次标定试验,因此试样上需要粘贴多
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片应变计,应变计的粘贴方案如图 2.19 所示。

图 2.19 标定试样应变片粘贴位置示意图

将粘贴好应变花的标定试样夹持到万能材料试验机上,如图 2.20 所示。

图 2.20 用万能试样机给试样加载单向应力

待试样夹持稳定后,按照试验加载表中的加载顺序给试样加载,并分别记录静态应 变仪在不同加载条件下显示的 X、Y 方向的应变值(X 代表加载方向,Y 代表垂直于 加载方向)。然后将试样取下,按照盲孔法的试验规范在测点处打孔,再将试样重新 安装到试验机上进行加载,同样记录在不同加载条件下静态应变仪的示值。

2.8 残余应力的测量结果及分析
通过对 EH36 钢材以及高强度钢 CSSE690 进行盲孔法标定试验,测得的标定结 果如表 2.2 所示。
表 2.2 标定试验结果 参数 材料 EH36 CSSE690 A(με/MPa) -0.3845 -0.4177 B(με/MPa) -0.7098 -0.6636

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通过对 EH36 钢材 100mm 厚焊接试样以及高强钢 EH690 的 40mm 厚焊接试样进 行盲孔法测量试验,测得的结果如图 2.21~图 2.24 所示。

图 2.21 EH36 钢材 100mm 厚板残余应力沿焊缝方向的分布

图 2.22 EH36 钢材 100mm 厚板残余应力沿垂直于焊缝方向的分布

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图 2.23 CCSE690 高强度钢 40mm 厚板残余应力沿焊缝方向的分布

图 2.24 CCSE690 高强度钢 40mm 厚板残余应力沿垂直于焊缝方向的分布

由图 2.21 可以看出在 100mm 厚板的焊缝区, 沿焊缝方向分布的纵向应力都是拉 应力,且在靠近焊缝中心线处的纵向应力基本处于均布状态,随着离焊缝中心线距

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离的增加而变小,其最大残余应力 ζ=320Mpa,约为屈服强度的 0.9 倍,出现在焊缝 中心线附近。而横向应力既有拉应力又有压应力,但总体的应力值都很小,分析其 原因是由于焊道高出母材的表面,在横向几乎没有约束,接近于自由伸缩状态。 由图 2.22 可知,100mm 厚板焊接试样的纵向残余应力在靠近焊缝区的残余应力 都是拉应力, 随着离焊缝线距离的增大而衰减。 横向残余应力随着测点远离焊缝线, 由拉应力变成压应力,在远离热影响区处横向残余应力同样衰减为零。纵向残余应 力的最大值出现在焊缝中心线处,而横向残余应力的最大值则出现在焊缝融合线处, 最大横向残余应力为 ζ=120Mpa,约为屈服强度的 0.34 倍,由此可见横向残余应力 相比纵向残余应力而言要远低于屈服强度值。 由图 2.23 可知, 对于 CCSE690 高强钢的 40mm 厚焊件而言, 纵横两向的残余应 力在靠近焊缝中心线处都为拉应力,且基本呈均布状态。纵向残余应力的最大值 ζ=572Mpa,约为屈服强度的 0.82 倍。 由图 2.24 可知,CCSE690 高强钢 40mm 厚焊件的纵向残余应力沿垂直于焊缝方 向,随着离焊缝中心线距离的增大由拉应力逐渐衰减至无应力状态。最大纵向应力 出现在焊缝中心线处。而横向残余应力在热影响区,随着远离焊缝中心线距离的增 大由拉应力逐渐变为压应力,在热影响区外由压应力逐渐衰减至无应力状态。而横 向应力之所以呈近似于正玄曲线式的分布是由于焊接残余应力是一个自平衡的应力 状态。 另,由于 100mm 厚板与 40mm 厚板的焊接工艺有所不同,所以两者的应力分布 状态也略有差异,譬如图 2.21 中的纵横两向应力都比图 2.23 中的应力要缓和的多, 原因是 100mm 厚板采用了引弧板,而 40mm 厚板未采用。

2.9 本章小结
本章论述推导了盲孔法测量残余应力的基本原理以及应力释放系数 A、B 的标 定方法。针对盲孔测量法各试验参数地选取进行了理论论述,并根据实际的测量条 件对孔心与贴片点之间 r 的距离、 两孔互不干扰的孔心距、 孔径及孔深等试验参数进 行了选取。 通过对 EH36 钢材 100mm 厚焊接试样以及 EH690 高强钢 40mm 厚焊接试 样进行表面残余应力的实际测量,得出各焊接试样纵横两向残余应力的分布状态,
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由测量试验的结果可以得出以下结论: (1) 在靠近试样的焊接中心线处, 纵横两向残余应力沿焊缝方向都为拉应力且呈 基本呈均匀分布状态,随着距焊缝中心距离的增大两向残余应力逐渐衰减。 (2) 在热影响区垂直于焊缝方向, 纵向残余应力随着距焊缝中心线距离的增大由 拉应力逐渐衰减至无应力状态,而横向应力则由拉应力逐渐变为压应力,在热影响 区外逐渐衰减为无应力状态,且横向残余应力值的最大值出现在焊缝融合线处。 (3) 在热影响区内,同一测点的纵向残余应力要比横向残余应力大。 (4) 焊接残余应力的峰值大小与焊接试样的屈服强度值紧密相关。

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 焊接试样内部残余应力的测量试验研究
3.1 引言
对于薄板焊件而言,试样表面的残余应力基本可以表征整个试样的应力状态, 但是对于厚度为 40mm 以上的焊件,由于焊接工艺为多层多道焊,比薄板焊件引入 更多的热输入及金属相变过程,因此厚板焊件的残余应力在试样内部的分布状态相 较薄板焊件而言有其复杂性。要弄清厚板焊件总体残余应力的分布状态,就必须对 其内部残余应力进行测量。 目前, 测量焊接残余应力总体分布状态的方法主要有套取芯棒法、 逐层钻孔法、 逐层铣削法、剥层 X 射线衍射法。文献[41-44]对上述方法进行了理论研究与应用。套 取芯棒法适合于测量大厚度截面深度方向的三向残余应力,但是测量的精度与操作 技巧、钻孔和套钻的误差有关,目前还没有提出相应的修正理论。逐层钻孔法虽然 理论较为成熟且破坏性较小但是操作速度慢,且随测量深度的增加测量精度降低。 剥层 X 射线衍射法的测量精度非常高,但由于 X 射线对试样表面的加工精度要求较 高,通常需要采用电化学铣削进行剥层,由此导致加工效率降低,且加工厚度不易 控制,在一定程度上限制了该方法在厚板多次剥层试验中的应用。 相较而言逐层铣削法是一种较为可靠的残余应力测量方法,能够给出焊接试样 内部残余应力分布的全貌,但是逐层铣削法是对整层试样进行剥除,所以该方法测 量的结果为焊接试样在不同厚度处的平均应力。目前国内外都没有颁布有关逐层铣 削法测量焊接残余应力的试验标准,说明整个试验过程还有待标准化地完善。 本章以 40mm 厚板焊缝区的纵向残余应力测量研究对象,通过对其内部残余应 力进行测量,得到焊缝内部纵向残余应力沿厚度方向的分布状态,同时对逐层铣削 测量法进行探索,积累可供借鉴的测量经验。

3.2 逐层铣削法测量残余应力的原理
逐层铣削法是一种较为可靠的残余应力测定法,它可以较为精确地测量物体厚 度方向梯度较大的残余应力。该方法是将梁从一侧逐层剥除,通过电阻应变片测定
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另一侧表面的变形,便可推算出每层高度上的残余应力值。

图 3.1 逐层铣削法测量残余应力原理示意图

假设长方形截面梁仅具有长轴方向的残余应力,应力在断面内是均匀一致的并 且是由表及里的梁高度的函数。如图 3.1 所示,梁的长度为 l,厚度为 h,宽度为 b。 由梁的底面进行外层的逐层铣削,考虑将深度剥除到 a 的情况。 设深度为 h 处的残余应力为 σ(h)。 当剥除进行到厚度为 a 时, 残余应力值为 σ*(h), 在剥除过程中,由于应力的平衡而使剩余厚度为 (h-a)的梁弯曲了。这种弯曲的发生 可认为是,由于从厚度为 h 的梁上剥除掉的深度为 a 部分的应力在剥除的同时施加 给梁一个弯矩的缘故。假设由于垂直力的平衡而附加的应力为 σ1(h),因弯曲而附加 的应力为 σ2(h),则有,

? * (h) ? ? (h) ? ?1 (h) ? ? 2 (h)
由于垂直力的平衡,则有,

(3.1)

? 1 ( h) ?

a 1 ? ( x)bdx ? b( h ? a ) 0

(3.2)

作用在板上的弯矩为 M(a),由于弯曲而附加的应力 σ2(h)为,

? 2 ( h) ? ?
其中, M (a) ? ? ? ( x)bdx ? [(h ? x) ?
0 a

M (a) h ? a ? I (a) 2

(3.3)

h?a 1 ] ; I (a) ? b(h ? a)3 ,则 σ2(h)可以转化成公 2 12

式(3.4)。

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? 2 ( h) ? ?
6 (h ? a) 2

?

a

0

? ( x)(

h?a ? x)dx 2

(3.4)

将公式(3.2)、(3.4)带入公式(3.1)中可得,

? * (h) ? ? (h) ?

a 1 6 ? ( x)dx ? ? (h ? a) 0 ( h ? a) 2

?

a

0

? ( x)(

h?a ? x)dx 2

(3.5)

在此,设表面的应变为 ε(a)则,

E? (a) ? ? * (h) ? ? (h)
根据上述方程,

(3.6)

E? (a) ?

a 1 6 ? ( x)dx ? ? (h ? a) 0 (h ? a) 2

?

a

0

? ( x)(

h?a ? x)dx 2

(3.7)

将(3.7)式乘以(h-a),取变量 a 的微分,再乘以(h-a)2,然后再微分则
d ? ? (a) ? E d d ?? {(h ? a) 2 ? [? (h ? a)]} 2 ? ? da ? h ? a ? 2(h ? a ) da da

(3.8)

将上式积分即可求出 σ(a),

? (a) ? ? [(h ? a)

E 2

a ? ( x) d ? ( x) ? 4? ( x) ? 6(h ? a) ? dx] 0 ( h ? x) 2 dx

(3.9)

式子(3.9)中, ε(x)为测量得到的梁另一表面测得的表面应变对剥层厚度 a 的函数 ε(a), 也是应变对坐标 X 的函数。将逐层铣削中获得的一组 ε-a 数据拟合成一个函数关系 式 ε(x)或者 ε(a),然后代入式子(3.9)中的微分项和积分项中求得 ζ(a)。

3.3 切取 CCSE690 高强钢 40mm 厚板焊接试样
由于逐层铣削法测量残余应力的基本假设为,应力在断面内是均匀一致且是由 表及里的梁深的函数, 而根据盲孔法试验测得的结果可知, 40mm 厚板焊接试样在焊 缝区的纵向残余应力基本呈均匀分布状态,因此可以切取该纵向梁进行逐层铣削法 试验。 40mm 厚板焊接坡口先焊面及后焊面的宽度尺寸分别为 40mm 和 35mm, 为获得

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焊缝区的纵向梁试样,试样切取方案如图 3.2 所示,试样的切取按照路线 1 至路线 4 的次序,切取焊缝区纵向梁的尺寸为 220mm× 40mm× 40mm(长× 宽× 高) 。为保证焊 缝区的残余应力为均布状态, 需要切去焊缝两端的非均匀焊接区各 40mm, 由于该区 域的残余应力值较小,所以可以认为在切除过程中,焊缝区的纵向应力状态并没有 发生改变,图 3.3 为线切割切取试验试样现场图。

图 3.2 线切割切取铣削试样方案

图 3.3 线切割切取试验试样

3.4 逐层铣削法测量试样内部残余应力方案
线切割切取试验试样后,按照图 3.4 所示的贴片方案在试样的底部粘贴应变片, 为防止在铣削加工过程中由于冷却液的使用而造成应变片的受潮脱落,用 703 硅橡 胶对应变片做密封处理。
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图 3.4 应变片粘贴位置图

粘贴好应变片后,开始对试样进行逐层铣削,并测量每次铣削后由于应力的释 放导致剩余试样产生的变形量,图 3.5 为逐层铣削法测量系统示意图。

图 3.5 逐层铣削法测量系统示意图

由于试验采用数控铣削的方式对试样进行逐层剥层,所以在铣削的过程中势必 会引入加工应变, 由此会影响到试验结果的准确性。 为了保证测量结果的真实可靠, 必须要选取最优的试验加工参数,使铣削加工造成的附加应力尽可能小。试验按文 献[45]选取最佳的铣削参数对试样进行剥层加工。其中,进给速度为 0.36m/min,主 轴转速为 1200r/min,刀具材料为硬质合金钢。每剥层 1mm 测量一次释放应变,为 减少加工应变,分两次进行铣削,每次铣削 0.5mm。试验共铣削剥层 40 次,最后一 次铣削到焊接试样的中间截面。 在铣削加工时, 试样采取侧面加紧调平的方式。 试验每剥除一层后, 卸去装夹, 使试样处于自由变形状态,并读取应变值。对静态应变仪进行调平衡后进行下一次

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铣削。图 3.6 为试验流程图,图 3.7 为实际的铣削测量系统图。

图 3.6 逐层铣削法基本操作流程图

图 3.7 逐层铣削法测量系统

3.5 残余应力的测量结果及分析
逐层铣削加工过程中测得的试验数据为试样每次加工后松开夹具测得的结果, 每加工一次都需要对静态应变仪重新调平衡。所以粘贴在试样底部的应变片测得的 应变值必须累加起来,才是每次加工后的总体变形数值。如图 3.8 所示为测量得到释 放应变与剥除深度之间的关系图,通过拟合便可求得两者之间的关系方程式。将拟 合的方程式代入式(3.9)中,便得到试样内部的残余应力应力沿板厚方向的分布曲线 如图 3.9 所示。

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350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150

应变值/με

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

剥层深度 /mm

图 3.8 测得的应变与剥层深度之间的关系曲线
5 4 3 x 10
8

2
应 力 值 /Pa

1 0

-1 -2

-3

0

2

4

6

8

10 12 梁 高 度 /mm

14

16

18

20

图 3.9 残余应力沿厚度方向的分布曲线图

由图 3.9 可知,40mm 厚板焊缝区表面的纵向残余应力为 400Mpa 左右,该测量 结果与盲孔法试验的测量结果相吻合,说明逐层铣削法是一种较为可靠的测量残余 应力的手段。同时可以看出焊接试样内部的残余应力值小于表层的残余应力值,且 中心厚度处的残余应力几乎为零。
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3.6 本章小结
本章对焊接试样内部残余应力的测量方法进行了研究,主要工作总结如下: (1) 对长方形截面梁残余应力内部残余应力的测试方法进行了深入研究, 并推导 了该测量方法的理论基础。 (2) 应用逐层铣削法对线切割切取的试样进行残余应力测量, 通过数值拟合得到 释放应变与剥层深度之间的关系曲线以及焊接残余应力沿板厚方向的分布曲线。将 试验结果与盲孔法测得的试验结果相对比,发现两者基本吻合,说明逐层铣削法是 一种较为可靠的测量残余应力的手段。

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 焊接变形的测量试验研究
4.1 引言
在船舶焊接构件的生产过程中,焊缝区金属的热胀冷缩会受到周围金属的约束 而不能自由伸缩,由此会导致焊接工件产生变形。焊接变形的存在不仅会影响船舶 建造的精度而且在一定程度上会影响到其总体性能。对于船舶建造过程中出现的焊 接变形,通常需要花费大量的时间去矫正,特别是复杂焊接构件的变形,其矫正工 作会严重影响船舶的建造进程。另外,通过加热或“拉马”的方式对焊接变形进行 矫正还会引入附加残余应力,由此会造成结构材料的脆化和低应力破坏。所以在设 计和焊接过程中对焊接变形进行控制和调整具有十分重要的意义。对焊接变形进行 快速精确的测量,是衡量控制、调整焊接变形效果的重要手段,同时测量结果可用 于验证焊接变形数值模拟仿真结果的合理性。

4.2 现有焊接变形测量方法及其特点
4.2.1 应用百分表测量变形 首先在焊接试件上制定测量基线和测量点,并将百分表的磁性支座装夹在试样 周围,然后将百分表的机械底脚固定于焊件的测量点上,如图 4.1 所示。随着焊接温 度的升高焊接试样随之产生焊接变形,读出百分表的示数即测得焊接的变形量。由 于该测量方法为接触式测量,即测量工具与测量对象相接触,焊件的温度会影响到 试验的测量精度,因此在测量过程中必须对机械底脚进行冷却。

a 采用测量底脚测横向变形

b 采用测量底脚测纵向变形

图 4.1 应用百分表测量焊接变形
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4.2.2 光干涉测量法 光干涉法是基于光的劈尖干涉原理,如图 4.2 所示。从光源 S 发出的光线,经过 透镜 L 转换为平行光线并使之投射到平面反射镜 M 上,光线经过 M 垂直入射到平 镜 A 的表面, 在平镜 A 和块规 B 之间构成的空气劈尖的上下表面所引起的反射光将 形成相干光,并产生干涉条纹。在焊接变形前后距离为 N 的长度范围内干涉条纹的 数量会发生改变,如图 4.3 所示。例如采用钠光作为光源,钠光波长度已知,就可根 据相应的公式计算得出焊接试样的长度变化量[46]。该方法的测量精度极高,但是量 程较小,难以满足实际工程中焊接大变形的测量需求。

图 4.2 光干涉原理图

4.3 劈尖干涉图样

4.2.3 应用热电偶及位移传感器测量焊接变形法 位移传感器能够测量出测量点相对于参考点的横向和纵向位移,同时热电偶能 够测得该点的温度,经数值计算后便可求得焊件结构的变形量。因此该测量系统能 够直接测量出焊缝高温区测量点相对于构件外参考点的焊接变形轨迹[47]。

图 4.4 高温区一点运动轨迹测量试验装置图[47]
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系统装置如图 4.4 所示,A 点为焊接构件的待测位移点,B 点为热电偶的埋点, C、 D、 E 点为螺栓压紧点。 为了在实际操作中能够方便地测量 A 点纵横两向的位移, 在 A 点垂直点焊一枚螺丝,并使其垂直于钢板,然后用卡具将一小方块固定在螺丝 上,使其角度符合要求。在安装位移传感器时,将基准点选择在工作台上,定义坐 标方向。通过传感器测量得到 A 点 x’、y’方向的位移,经坐标变换便可得出测量点 A 的横向(x 方向)和纵向(y 方向)位移。同时,通过热电偶测得 A 点的温度变化值, 最终可通过数值计算得出焊接试样的变形量。 4.2.4 使用数码相机测量焊接变形 数码相机测量焊接变形的流程如图 4.5 所示。
数码或CCD 数字图像 计算机

保存数据

图像二值化

数值分析

图 4.5 数码相机测量焊接变形流程图

采用数码相机对焊件进行拍摄图片,将拍摄图片输入计算机中进行二值化处理, 并提取出测量需要的图像区域,以便于对焊件的变形运用几何学的概念进行分析和 描述。由于数字图像中的长度尺寸是以像素点表示,实际的焊件尺寸是以长度单位 毫米表示,所以为了构建出两者之间的关系,需要对已知的标准尺寸用像素进行标 定,由此确定在已知距离的图像中像素点的个数 n 与对应尺寸 x(单位为 mm)之间的 关系式。假设关系式为,

K ?n/ x

(4.1)

在图像二值化处理过程中,首先要提取出事先制定的测量点,通过对图像进行 处理得出测量点之间的像素 n,然后根据式(4.1)求出实际的距离,将其与焊接前测量 的距离相比较,可得出焊接结构的变形量[48]。 同理该方法可用于检测焊接的边缘,通过几何换算得到焊接试样的角变形和纵 横两向的位移[49]。照相法测量焊接变形的精度取决于相机的像素数的多少及测量标

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识点的大小。 4.2.5 四种测量方法的比较分析 上述应用百分表测量法、应用热电偶及位移传感器测量方法、光干涉测量法、 数码相机测量法都能够对焊接变形进行测量。但是由于它们的测量原理、理论和实 际操作技术的不同, 会在测量精度、 适用范围等方面存在一定的差异, 如表 4.1 所示:
表 4.1 四种测量方法对比 项次 测量条件 方法 需要用底 受温度的影响 应用百分表侧量法 脚,属于接 触式测量 极高但量程 非接触式测 光干涉测量法 量 用于大变形 测量 位移传感器的 应用热电偶及位移传 感器测量法 非接触式测 较高 量 入测量误差 数码相机的像 非接触式测 使用数码相机测量法 量 定 点的大小 较高但不稳 素多少及标识 成熟 通用 坐标设定会引 较成熟 通用 响光的干涉 较小,不适 焊接温度会影 成熟 专用 较高 较大 简单成熟 通用 测量精度 误差因素 测量理论 测量设备

应用百分表或其他应变计测量焊接变形,属于接触式测量,在测量操作过程中 具有一定的危险性,且焊接温度会对应变计的测量精度造成不可忽视的影响。光干 涉方法是基于光学的劈尖干涉理论对焊接变形进行测量,由于该方法的量程属于微 米级以及需要专用的测量设备,所以不能用于实际工程中焊接大变形的测量。构建 热电偶及位移传感器测量系统需要花费较多的时间,且不能有效地保证标定坐标的 准确性。应用数码相机测量焊接变形简单方便,但是测量精度较大程度上依赖数码

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相机的像素多少及标志点的大小,而且很难测量焊接试样的角变形。

4.3 基于机器视觉法测量焊接变形
目前已知的测量方法都有其局限性,在一定程度上不能满足焊接变形的测量条 件,如接触式测量由于焊接热影响会导致测量仪器失准,而其他非接触式测量方法 多适用于纵横两向焊接变形的测量,很难对角变形进行测量。所以,如果能够构建 焊接结构的三维模型,通过计算焊接前后三维模型标识点间距离的变化即可测得焊 接结构的各个变形量。据此思路,本文引入机器视觉测量法,通过机器视觉重建焊 接结构测量点的三维模型,从而精确测量焊接变形。 4.3.1 机器视觉测量焊接变形的原理 机器视觉的基本原理与人的双目视觉立体感知相类似,即从 2 个或 2 个以上的 角度对同一事物进行观察,得到不同视角下的感知图像,通过计算分析不同图像中 同一点的视差来获取物体表面的三维形状信息[50]。机器视觉三维坐标的数学模型和 对应坐标如图 4.6 所示。

图 4.6 机器视觉测量原理图[51]

其中,OWXWYWZW 为物方世界坐标系,O1X1Y1Z1 为视角 1 的坐标系,O2X2Y2Z2 为视角 2 的坐标系,OXY 为平面坐标系。物方点 P(Xw,Yw,Zw)在左右两个视角平 面内对应的像点分别为 P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2),直线 O1P1 和直线 O2P2 相交 于 P 点。 通过对两视角拍摄照片的相机进行标定,可以得到视角 1 的坐标系 O1X1Y1Z1 和
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视角 2 的坐标系 O2X2Y2Z2 的相对关系:

? x2 ? ? x1 ? ?y ? ? R?y ? ?t ? 2? ? 1? ? ? ? z ? 2? ? z1 ? ?
? r1 其中 R ? ? ? r4 ? r7 ? r2 r5 r8 r3 ? ? r6 ? ? 为视角 2 坐标系对视角 1 坐标系的旋转矩阵,t ? ?t x ? r9 ?

(4.2)

ty

tz ? ? 为

T

视角 2 坐标系对视角 1 坐标系的平移矩阵。在已知像点 P1、P2 和坐标系关系 R、t 的条件下即可计算点 P 三维坐标(Xw,Yw,Zw)。
? xw ? ? y ? ? ( AT A) ?1 AT b ? w? ? ? zw ? ?
? 1 ? 0 式(4.3)中, A ? ? ? r1 ? r7 x2 ? ? r4 ? r7 y2 0 1 r2 ? r8 x2 r5 ? r8 y2 ? x1 ? ? 0 ? ? 0 ? ? ? y1 ? ?。 ,b ? ? ? x2t z ? t z ? r3 ? r9 x2 ? ? ? ? r6 ? r9 y2 ? ? ? y2t z ? t y ? ?

(4.3)

机器视觉测量焊接变形的基本过程是,首先通过照相机从不同视角拍摄焊接试 样在焊接前后的图像, 然后通过数字图像处理, 获取焊接试样上标识点的二维坐标, 再对照像机进行标定求得如旋转矩阵、平移矩阵等相关参数,进而通过矩阵运算获 得焊接试样上标识点的三维坐标。由此便可通过换算焊接前后标识点的三维坐标得 到焊接试样的各个变形参数值。 4.3.2 制备焊接试样及标识测量点 根据实际的船体结构,选取 3 组典型的焊接结构进行焊接变形测量。各模型的 模型示意图如图 4.7 所示,试样尺寸大小如表 4.2 所示。

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模型 1 (30-30 对接焊)

模型 2 (40-40 对接焊)

模型 3 (100-100 对接焊) 图 4.7 焊接模型示意图 表 4.2 试样材料及尺寸 试样尺寸 模型 零件号 ① 1 ② ③ 2 ④ ⑤ 3 ⑥ 材料 长×宽×厚 EH36 EH36 CCSE690 CCSE690 EH36Z EH36Z 300×250×30 300×250×30 300×250×40 300×250×40 400×250×100 400×250×100 CO2 气体保护焊 焊接方法

CO2 气体保护焊

埋弧自动焊

为测量各焊接试样的变形,需要在试样上设计测量点,如图 4.8 和图 4.9 所示。

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图 4.8 模型 1、2 的试验装置以及测点的分布图

图 4.9 模型 3 的试验装置以及测点的分布图

分布图中的 1,2,?11,12 点即为焊接变形的测量点。沿焊缝方向分布的点集,如 2,6,10 用于测量焊接构件的纵向变形,垂直于焊缝方向分布的点集,如 5,6,7, 8 用于测量焊接构件的横向变形和角变形。 根据焊接试样的测点分布图对焊接试样进行测点标识,为保证标识点准确且清 晰可见,采用钢针刻线方法,如图 4.10 所示为用钢针标识模型 3 的测点。

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图 4.10 标识模型 3 的测量点

4.3.3 重建标识点的世界坐标并计算焊接变形 机器视觉测量法需要获取物方世界坐标系下同一测点在不同图像中的像素坐标 值。为此采用标定板确定焊接试样所在的物方世界坐标,如图 4.11 所示为测量试验 用的标定板。采用佳能 D90 相机从不同的仰角(0° ,22.5° ,45° )和旋转角(0° ,45° , 90° )对焊接试样进行拍照获取测量点的图像集, 并通过图像处理软件 GIMP 获取各标 识点的像素坐标,如图 4.12 所示。

图 4.11 标定板图

图 4.12 获取标识点的像素坐标

应用与标定板相配套的相机标定软件(GML Camera Calibration Toolbox)对相机 的各个参数进行标定,标定界面如图 4.13 所示。由此获取相机的焦距、焦点坐标、 误差矩阵、像素误差以及旋转矩阵 R 和平移矩阵 t 等参数。

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图 4.13 标定软件的界面

应用相机标定出的旋转矩阵 R 和平移矩阵 t, 以及图像处理软件读取的测量点的 像素坐标,就可通过相应的坐标变换求得各测量点的三维坐标。通过对比焊接前后 测量点间距离的变化就可求出相应的焊接变形。 4.3.4 标定机器视觉测量法的精度 机器视觉测量法需要经过精度标定才能应用于实际的工程测量。由于游标卡尺 的测量精度为 0.05mm,因此可以选取游标卡尺刻度线上两点之间的距离作为尺寸基 准,应用机器视觉测量法对尺寸基准进行测量,如图 4.14 所示,通过计算测量结果 与尺寸基准间的相对误差,就可有效地标定测量精度。

图 4.14 应用游标卡尺对测量方法进行标定
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按照机器视觉法测量步骤,首先应用相机从不同的角度对游标卡尺和标定板进 行拍照,拍照的图片编号如表 4.3 所示。
表 4.3 图像编号表 旋转角 仰角 22.5° 45° 0° ① ④ 45° ② ⑤ 90° ③ ⑥

然后通过图像处理软件读取图像中游标卡尺刻度线 5,10,15,20 点处的像素坐标 值,再应用相机标定软件对相机的固有参数及旋转矩阵 R 和平移矩阵 t 进行标定, 将标定参数与读取的像素点坐标进行矩阵运算,便可求得 5,10,15,20 点间的距 离,如表 4.4 所示。
表 4.4 机器视觉测量法测得各测点间的距离 项目 图像组 ①②③ ④⑤⑥ ①⑤③ ②④⑥ 5-10 刻度线间距离 (mm) 49.97 49.827 49.924 49.916 10-15 刻度线间距离 (mm) 49.979 50.258 49.921 50.009 15-20 刻度线间距离 (mm) 50.047 50.02 50.033 49.936

根据表 4.4 试验标定的结果可知,测量误差的最大值出现在④⑤⑥图像组合,相 对误差 δ=0.51%。 图像组测量得到的距离的平均值相对于各测量项目的相对误差分别 为 δ1=0.18%,δ2=0.089%,δ3=0.11%。由此可知通过对多组测量取平均值后,机器视 觉测量法的测量精度得到明显提高,并且其测量误差远低于实际工程允许的误差值, 因此通过该标定试验可以验证机器视觉测量法的测量精度满足焊接变形的测量要求。 4.3.5 焊接变形测量结果及机器视觉法误差分析 应用机器视觉法对各模型的焊接变形进行测量,测量结果如表 4.5 所示。

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表 4.5 焊接变形的测量结果 模型 30-30 对接焊先焊面 30-30 对接焊后焊面 40-40 对接焊先焊面 40-40 对接焊后焊面 100-100 对接焊小坡口 100-100 对接焊大坡口 横向变形(mm) 0.86 -2.33 1.83 -1.86 1.67 -3.29 纵向变形(mm) 1.11 -0.96 0.425 -0.55 1.47 -1.25 角变形(度) 0.28

1.36

1.7

应用机器视觉法测量典型焊接试样的焊接变形时,发现影响该测量方法精确性 的因素主要包括以下几个方面的内容: (1) 相机像素点的多少,该因素决定了图像中测量点像素坐标的精确度,在试验 过程中应用相机的像素数量为 1400 万,满足试验要求。当像素点再高于该像素值时 测量精度不会得到明显提升。 (2) 图片的拍摄角度, 通过比对试验的测量结果发现, 拍摄照片的视角相差越大, 测得的结果越合理。但相机的仰角应控制在 20° ~60° 之间,否则较大或较小的仰角都 会对测量精度造成影响。 (3) 测量点的标识方式,在试验中采用钢针对焊接试样上的测量点进行标识,虽 然该方法能够保证测量点较小,但是该方法不利于像素点坐标的获取。参照其他非 接触式测量方法,可通过编码标识块来对测量点进行标识,在图片的后处理过程中 通过图像的二值化处理获取测量点的像素点坐标。

4.4 本章小结
本章首先概括介绍了目前测量焊接变形的主要方法,并对其测量原理进行了论 述。介于目前已知测量方法的弊端和局限性,提出基于机器视觉测量焊接变形的方 法,并对该方法测量焊接变形的可行性进行了初步探索,得到各焊接试样的纵向变 形量、横向变形量及角变形量。通过试验标定的结果可知机器视觉测量法的精度很 高, 满足焊接变形的测量要求。 最后针对影响该测量方法的因素进行了论述与分析。

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5 总结与展望
5.1 全文总结
本文以船用典型焊接试样为研究对象,通过盲孔法试验和逐层铣削法试验对 CCSE690 高强钢 40mm 厚板和 EH36 钢材 100mm 厚板的焊接试样进行了残余应力的 测量研究,并基于机器视觉法对焊接试样的焊接变形进行了非接触式测量,根据实 际的测量试验研究得到一系列测量结果,为评价数值模拟仿真方法的合理性提供了 较为准确的试验数据。同时在测量研究工作中对试验方法进行了理论推导和实践应 用,为以后的测量工作积累了可供参考的经验。本文的具体工作如下: (1) 应用盲孔法对焊接试样表面残余应力状态进行测量。 对盲孔法测量过程中如 孔心与贴片点之间 r 距离、 两孔互不干扰的孔心距、 孔径及孔深等相关试验参数的选 取方法及原则进行了阐述,并根据相关理论选取最优的试验参数。同时阐述了应用 盲孔法测量焊接残余应力的测量技术,其中包括应力释放系数 A、B 的标定试验及 盲孔法试验的整体操作技术。 通过实际测量, 测得两试样表面残余应力的分布状态。 通过数据分析可知在焊缝区域的残余应力呈均匀分布状态,在垂直于焊缝方向随测 量点远离焊缝,纵向应力由拉应力逐渐衰减为无应力状态,而横向应力则在热影响 区内由拉应力逐渐衰减过渡为压应力,焊缝区的最大残余应力值为 0.8ζs~0.9ζs,并 且屈服强度较大的材料其最大焊接残余应力值也相应较高。 (2) 为测量焊接试样内部残余应力的分布状态, 对长方形截面梁残余应力内部残 余应力的测试方法进行了深入研究,推导了该测量方法的理论基础,构建了逐层铣 削法测量焊接残余应力的测量系统,提出该方法的测量流程。在选取合适的铣削参 数的基础上,应用逐层铣削法对 CCSE 高强钢 40mm 厚板内部焊接残余应力进行实 际测量,得到该试样焊缝区纵向残余应力沿板厚方向的分布状态。 (3) 介于目前已知测量方法的弊端和局限性, 提出基于机器视觉对焊接变形进行

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测量的方法,并对该方法测量焊接变形的可行性进行了初步探索,对影响该测量方 法的因素进行了论述与分析。通过标定试验,对机器视觉法的测量精度进行评估, 由标定结果可知该方法可以用于实际的工程测量。 本文的主要创新点如下: (1) 应用盲孔法对 CCSE 高强钢 40mm 厚板及 EH36 钢材 100mm 厚板焊接试样 表面的残余应力进行测量,得到两焊接试样表面的残余应力在沿焊缝方向及垂直于 焊缝方向的分布状态。 (2) 应用逐层铣削法对 CCSE 高强钢 40mm 厚板焊接试样内部残余应力进行测量, 得到了该试样焊缝区纵向残余应力沿板厚方向的分布状态。在此过程中对该测量方 法的试验参数选取及测量流程进行了实践探索,为该测量方法的应用提供了可借鉴 的测量经验。 (3) 基于机器视觉法对焊接变形进行了测量, 获得了不同焊接结构的纵向变形量、 横向变形量及角变形量。通过标定试验对该方法的测量精度进行了评估,由标定结 果认为该测量方法具有较高的精度,可用于实际的工程测量,并论述了影响该方法 测量精度的各个因素。

5.2 展望
尽管本文通过盲孔法、逐层铣削法及机器视觉法,实现了对船用典型焊接试样 的残余应力及焊接变形的测量试验研究,但由于测量手段及测量条件的局限性,还 没有达到精确测量目的,在此过程中还有以下几个方面的内容有待改善和开展进一 步研究。 (1) 应用盲孔法试验测量焊接试样表面的残余应力时, 没有考虑由于应力集中而 造成的孔边塑性变形,所以测量结果会偏大。 (2) 应用线切割切取铣削试样过程中,会有一定的应力释放,因此只有测得该部 分释放应力才能更准确的反映焊接试样内部残余应力的分布状态。 (3) 铣削加工采用的是数控铣床,在铣削过程中势必会引入附加残余应力。因此 还需要对更加高效且无应力引入的剥层方式进行研究。

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(4) 逐层铣削法的加工参数及铣削流程有待于进一步的研究优化从而使该方法 形成规范化的测量方法。 (5) 机器视觉法应用的瓶颈为测量点的标识方式,文章采用的是钢针划线法,在 图像处理过程中,该方法不能准确地反映测量点的像素坐标,由此会引入较大的测 量误差。所以,高效、精准的标识方式能够极大地提高该测量方法的精度。

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 致谢
本硕士论文在导师赵耀教授的悉心指导与热情关怀下完成的。赵老师严谨的科 研作风、实事求是的科研态度以及忘我的科研精神为学生所敬仰,并将受益终生。 在攻读硕士学位的两年时间里所做的研究都离不开赵老师的支持与帮助,在此期间 我学到了很多专业知识和为人处世的作风。谨在论文完成之际,向赵老师致以崇高 的敬意和诚挚的感谢! 在试验的过程中,得到张涛老师和李威老师的指导与帮助,结构实验室的丁大 卫老师及机械厂的胡师傅、徐师傅、周师傅等都给予我很多帮助,在此特向他们表 示衷心的感谢! 在读研的两年时间里,东二楼 306D 实验室的兄弟姐妹给予我很多帮助和关心。 袁华老师为课题研究的顺利进行提供了很多指导、建议及帮助,在此深表谢意!感 谢何书韬、李良伟、黄辉、张赣波等师兄对我科研工作的指导。感谢同年级的鲁鹏、 胡昌成、易雯、杨燕琴、周雪莲同学陪我度过充实而快乐的两年时光,在他们身上 我学到了很多良好的品质。实验的完成离不开丁超、吴重轮、董宏宝等研一及大四 师弟师妹们的大力协助,在此特向他们表示深深地感谢! 感谢所有关心、帮助过我的老师和同学! 衷心地感谢我的家人给予我生命,培育我成人,教我如何做人。 谨以此文献给父亲张桂强、母亲柳淑欣、姐姐张伟娜、女友陈霞、外甥袁思怡 及所有关心、帮助我的亲人、朋友和同学。

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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 参考文献
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