高强铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力测试研究
发布时间：2021-11-18 17:01
变极性等离子弧-熔化极惰性气体保护（Variable Polarity Plasma Arc-Metal Inert Gas,VPPA-MIG）复合焊接方法具有焊接效率高,工艺区间宽和穿透深度大等优点,在厚板高强铝合金焊接中优势明显。该焊接方法为复合热源焊接,电弧能量集中,一次实现厚板焊接,导致焊接接头残余应力分布较为复杂,对安全生产有一定的影响。然而,针对厚板高强铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力的研究报道极少。本文提出了采用钻孔法和模态试验法相结合的残余测试方法,并获得了7A52高强铝合金VPPA-MIG复合焊接接头残余应力分布特性。研究结果对深入分析高能束复合焊接残余应力分布规律和机理,具有重要的研究意义和应用价值。针对高强铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力测试和分析需要,建立了由NI数据采集卡、工控计算机、虚拟仪器Lab VIEW、钻孔装置等组成的钻孔法残余应力测试系统,为实现高强铝合金VPPA-MIG复合焊接接头残余应力测量以及测量误差分析提供了保障。此外,建立了由INV 931X系列力锤、INV 9824型ICP加速度传感器、CS3062T0-24位云智慧采集分析仪...
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
钻孔法测量原理示意图[42]
轮廓法是一种切割式的机械破坏方法,参照图1-2,其原理为将试样沿着某一截面完整切开成为两半,由于应力释放,切割面轮廓产生变形,根据弹性力学中的叠加原理,施加外力使变形后的切割面恢复到切割前的平面状态,所得到的应力状态就等效为切割前该平面上的初始残余应力。该方法最早由Prime[57]提出,测得了某一截面上的二维残余应力分布情况。Turski等[58]利用轮廓法测试了3161不锈钢焊板的残余应力。Zhang等[59]利用轮廓法测量了2024铝合金VPPA焊接残余应力。张铮等[60]采用轮廓法测试了模锻铝合金7050-T74内部残余应力并获得了截面完整的二维残余应力分布情况。谢国贞等[61]总结出轮廓法只能测量垂直于切割面方向的正应力,对材料内部残余应力场有很好的测量效果,但对于表面的残余应力测量误差比较大。切环法和切块法[62]主要应用于焊管残余应力测量中。切环法是从焊管上切取一定长度的管段,然后沿轴向切开,利用该环在周向、轴向、径向的变形计算残余应力,测量结果反映了在切环宽度内整个厚度方向的平均应力。Xiao[63]给出了一种切管长度为70 mm的铝镁合金钢管轴向残余应力测量方法,能够实现铝镁合金钢焊管平均轴向残余应力的测量。切块法与切环法相类似,在焊管残余应力测量中通过从焊管上切下的试样块所释放的应变计算残余应力,测量结果反映了在切块范围内整个厚度方向应力释放的平均值。熊庆人等[64-65]采用切环法和切块法分别测试了大口径厚壁X80钢级螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管的平均残余应力,给出了切环法估算的残余应力和钻孔法的测试值比较接近,且螺旋缝埋弧焊管比直缝埋弧焊管的平均残余应力大。
压痕法是一种微量机械破坏法,其测量原理如图1-3所示,采用球形压头在试样表面进行压痕而产生一定尺寸的球冠形状,形成的外加应力场和残余应力场叠加引起应变增量,通过事先标定好的应变增量与弹性应变的关系曲线来得到残余应力值[66]。压痕法测量残余应力的研究最早起源于传统的洛氏硬度(Rockwell)实验或维氏硬度(Vickers)实验,主要通过残余应力对硬度或者残余压痕面积的影响来计算残余应力值[67-69]。胡秋实等[70]采用压痕法检测分析了2219-T87高强铝合金材料试件在TIG熔焊后形成法兰环缝和搅拌摩擦焊后形成T型接头的残余应力状态。黄超群等[71]采用压痕法对2219铝合金变极性TIG焊接残余应力进行了测量,得到了与盲孔法一致的测量结果。沈磊[72]通过研究压痕表面形貌的不同,得到压痕形貌变化与残余应力的关系,给出了基于压痕隆起量的残余应力测试方法,从而使压痕法能够直接应用在工程测试领域。随着压痕技术的不断发展,陆续出现了纳米压痕法[73]、原位高温压痕法[74]等压痕方法来实现一些薄膜材质表面的残余应力的测量。压痕法在测量残余应力的过程中,优点主要体现为对构件的破坏小,但由于压痕深度是一个平均响应,它只能测量平均残余应力的大小。逐层铣削法原理为通过铣、电解腐蚀、电火花剥蚀或研磨抛光等方法对试件表面进行剥层,使试件表层残余应力得以释放,通过电阻应变片测定试件剥层后剩余部分的变形进而得到释放的应力。该方法主要用于测量厚板试件残余应力在厚度方向的分布情况。邹永丰等[75]采用逐层铣削法对45 mm厚钢板焊缝区的残余应力进行了测量,得到了其沿焊缝厚度方向的分布情况。龚海等[76]采用逐层铣削法测量了7075铝合金轧制板内部不同厚度处的平均残余应力,同时指出逐层铣削法是厚板残余应力测试的可靠手段。在采用逐层铣削法测量各向同性材料和复合材料试样整个厚度方向上的残余应力时,Salehi等[77]给出了合适的重复分切安全距离参数,排除了先前切割的影响,保证了测量的准确性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双向残余应力的超声检测及其对比性研究[J]. 徐丽霞,李伟煜,刘战捷,朱小溪,李大海,周双锋,杨耀东. 无损检测. 2019(08)
[2]反向钻孔法应用于工件内表面残余应力测量的研究[J]. 马小明,欧清扬. 中国测试. 2019(05)
[3]Q345/316L异种钢焊接残余应力与变形数值模拟[J]. 黄本生,陈权,杨江,刘阁,易宏雨. 焊接学报. 2019(02)
[4]X80钢焊接残余应力耦合接头组织不均匀下氢扩散的数值模拟[J]. 张体明,赵卫民,蒋伟,王永霖,杨敏. 金属学报. 2019(02)
[5]切环法和盲孔法测试大口径厚壁X80钢级埋弧焊管的残余应力[J]. 熊庆人,杨扬,许晓锋,吕华. 机械工程材料. 2018(12)
[6]纯铝薄板TIG焊接残余应力测量[J]. 包晓艳,甘世明,春兰. 热加工工艺. 2018(23)
[7]钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析[J]. 甘世明,韩永全,陈芙蓉. 焊接学报. 2018(10)
[8]高强铝合金VPPA-MIG复合焊接焊缝成形机理[J]. 童嘉晖,韩永全,洪海涛,孙振邦. 焊接学报. 2018(05)
[9]用于二维分布残余应力场测量的渐进裂纹柔度法[J]. 陈金龙,尹承振,孙翠茹. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2018(05)
[10]铝合金LB-VPPA复合焊接残余应力场预测[J]. 孙振邦,韩永全,杜茂华. 焊接学报. 2018(04)
博士论文
[1]基于压痕隆起量的残余应力测试方法与实验研究[D]. 沈磊.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]基于变分模态分解的残余应力检测及其评定方法研究[D]. 范高铭.长春工业大学 2019
[2]高强铝合金MIG-VPPA复合焊接工艺[D]. 童嘉晖.内蒙古工业大学 2017
[3]铝合金焊接残余应力X射线衍射法检测参数优化研究[D]. 张秋霞.北华航天工业学院 2015
[4]厚板焊接的表面残余应力测试方法研究[D]. 高望曦.武汉理工大学 2011
[5]厚板焊接残余应力试验测量与计算[D]. 葛森.北京工业大学 2002
本文编号：3503269
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
钻孔法测量原理示意图[42]
轮廓法是一种切割式的机械破坏方法,参照图1-2,其原理为将试样沿着某一截面完整切开成为两半,由于应力释放,切割面轮廓产生变形,根据弹性力学中的叠加原理,施加外力使变形后的切割面恢复到切割前的平面状态,所得到的应力状态就等效为切割前该平面上的初始残余应力。该方法最早由Prime[57]提出,测得了某一截面上的二维残余应力分布情况。Turski等[58]利用轮廓法测试了3161不锈钢焊板的残余应力。Zhang等[59]利用轮廓法测量了2024铝合金VPPA焊接残余应力。张铮等[60]采用轮廓法测试了模锻铝合金7050-T74内部残余应力并获得了截面完整的二维残余应力分布情况。谢国贞等[61]总结出轮廓法只能测量垂直于切割面方向的正应力,对材料内部残余应力场有很好的测量效果,但对于表面的残余应力测量误差比较大。切环法和切块法[62]主要应用于焊管残余应力测量中。切环法是从焊管上切取一定长度的管段,然后沿轴向切开,利用该环在周向、轴向、径向的变形计算残余应力,测量结果反映了在切环宽度内整个厚度方向的平均应力。Xiao[63]给出了一种切管长度为70 mm的铝镁合金钢管轴向残余应力测量方法,能够实现铝镁合金钢焊管平均轴向残余应力的测量。切块法与切环法相类似,在焊管残余应力测量中通过从焊管上切下的试样块所释放的应变计算残余应力,测量结果反映了在切块范围内整个厚度方向应力释放的平均值。熊庆人等[64-65]采用切环法和切块法分别测试了大口径厚壁X80钢级螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管的平均残余应力,给出了切环法估算的残余应力和钻孔法的测试值比较接近,且螺旋缝埋弧焊管比直缝埋弧焊管的平均残余应力大。
压痕法是一种微量机械破坏法,其测量原理如图1-3所示,采用球形压头在试样表面进行压痕而产生一定尺寸的球冠形状,形成的外加应力场和残余应力场叠加引起应变增量,通过事先标定好的应变增量与弹性应变的关系曲线来得到残余应力值[66]。压痕法测量残余应力的研究最早起源于传统的洛氏硬度(Rockwell)实验或维氏硬度(Vickers)实验,主要通过残余应力对硬度或者残余压痕面积的影响来计算残余应力值[67-69]。胡秋实等[70]采用压痕法检测分析了2219-T87高强铝合金材料试件在TIG熔焊后形成法兰环缝和搅拌摩擦焊后形成T型接头的残余应力状态。黄超群等[71]采用压痕法对2219铝合金变极性TIG焊接残余应力进行了测量,得到了与盲孔法一致的测量结果。沈磊[72]通过研究压痕表面形貌的不同,得到压痕形貌变化与残余应力的关系,给出了基于压痕隆起量的残余应力测试方法,从而使压痕法能够直接应用在工程测试领域。随着压痕技术的不断发展,陆续出现了纳米压痕法[73]、原位高温压痕法[74]等压痕方法来实现一些薄膜材质表面的残余应力的测量。压痕法在测量残余应力的过程中,优点主要体现为对构件的破坏小,但由于压痕深度是一个平均响应,它只能测量平均残余应力的大小。逐层铣削法原理为通过铣、电解腐蚀、电火花剥蚀或研磨抛光等方法对试件表面进行剥层,使试件表层残余应力得以释放,通过电阻应变片测定试件剥层后剩余部分的变形进而得到释放的应力。该方法主要用于测量厚板试件残余应力在厚度方向的分布情况。邹永丰等[75]采用逐层铣削法对45 mm厚钢板焊缝区的残余应力进行了测量,得到了其沿焊缝厚度方向的分布情况。龚海等[76]采用逐层铣削法测量了7075铝合金轧制板内部不同厚度处的平均残余应力,同时指出逐层铣削法是厚板残余应力测试的可靠手段。在采用逐层铣削法测量各向同性材料和复合材料试样整个厚度方向上的残余应力时,Salehi等[77]给出了合适的重复分切安全距离参数,排除了先前切割的影响,保证了测量的准确性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双向残余应力的超声检测及其对比性研究[J]. 徐丽霞,李伟煜,刘战捷,朱小溪,李大海,周双锋,杨耀东. 无损检测. 2019(08)
[2]反向钻孔法应用于工件内表面残余应力测量的研究[J]. 马小明,欧清扬. 中国测试. 2019(05)
[3]Q345/316L异种钢焊接残余应力与变形数值模拟[J]. 黄本生,陈权,杨江,刘阁,易宏雨. 焊接学报. 2019(02)
[4]X80钢焊接残余应力耦合接头组织不均匀下氢扩散的数值模拟[J]. 张体明,赵卫民,蒋伟,王永霖,杨敏. 金属学报. 2019(02)
[5]切环法和盲孔法测试大口径厚壁X80钢级埋弧焊管的残余应力[J]. 熊庆人,杨扬,许晓锋,吕华. 机械工程材料. 2018(12)
[6]纯铝薄板TIG焊接残余应力测量[J]. 包晓艳,甘世明,春兰. 热加工工艺. 2018(23)
[7]钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析[J]. 甘世明,韩永全,陈芙蓉. 焊接学报. 2018(10)
[8]高强铝合金VPPA-MIG复合焊接焊缝成形机理[J]. 童嘉晖,韩永全,洪海涛,孙振邦. 焊接学报. 2018(05)
[9]用于二维分布残余应力场测量的渐进裂纹柔度法[J]. 陈金龙,尹承振,孙翠茹. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2018(05)
[10]铝合金LB-VPPA复合焊接残余应力场预测[J]. 孙振邦,韩永全,杜茂华. 焊接学报. 2018(04)
博士论文
[1]基于压痕隆起量的残余应力测试方法与实验研究[D]. 沈磊.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]基于变分模态分解的残余应力检测及其评定方法研究[D]. 范高铭.长春工业大学 2019
[2]高强铝合金MIG-VPPA复合焊接工艺[D]. 童嘉晖.内蒙古工业大学 2017
[3]铝合金焊接残余应力X射线衍射法检测参数优化研究[D]. 张秋霞.北华航天工业学院 2015
[4]厚板焊接的表面残余应力测试方法研究[D]. 高望曦.武汉理工大学 2011
[5]厚板焊接残余应力试验测量与计算[D]. 葛森.北京工业大学 2002
本文编号：3503269
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