初始應力對三維光學輪廓法測試焊接接頭殘余應力的影響

何向前，殷咸青，牛靖，梁晉，張建勛

（西安交通大學 a.金屬材料強度國家重點實驗室；b.機械工程學院，西安 710049）

目前的焊接接頭殘余應力測試方法中，小孔法和X 射線衍射法比較常用，這兩種方法多用于測量焊件表面殘余應力，不能準確測量焊接結構內部殘余應力。中子衍射法、裂紋柔度法和逐層銑削法可以測量焊接內部殘余應力，但都存在一定缺點。于是，Michael B.Prime[1]首次提出了輪廓法。2004年L.Edwards 等[2]基于輪廓法測試了2024 鋁合金VPPA 焊接殘余應力。董春林等[3]采用輪廓法測試了小直徑FGH96 鎳基高溫合金慣性摩擦焊接接頭的內部環向應力。劉川等[4]采用輪廓法測試TC17 鈦合金線性摩擦焊接的內部殘余應力。趙海燕等[5]采用輪廓法和X 射線衍射法對厚板的電子束焊接內部和表面縱向殘余應力進行測試。DEWALD A 等[6]采用擴展輪廓法能力的方法，測量棱柱形連續加工體中空間變化的多軸殘余應力。M.Turski 等[7]采用輪廓法對316L 不銹鋼平板堆焊橫向的殘余應力分布進行了測試。張紀奎等[8]利用輪廓法研究了電弧增材制造鈦合金界面處的殘余應力及其影響。董亞波[9]利用輪廓法研究了2Al4 鋁合金厚板淬火殘余應力以及消除工藝，并對輪廓法測試原理進行了有限元驗證。M.B.Toparli1 和M.E.Fitzpatrick[10]采用輪廓法獲得了經激光噴丸處理的2 mm 厚鋁板2024-T351 樣品的殘余應力場。余凱勤等[11]采用三坐標測量機測量了輪廓數據，用于輪廓法的應力計算。

三維光學測量技術[12—13]在近幾年得到了快速發展，由西安交通大學自主研發的三維光學掃描系統XJTU-OM，可以實現復雜空間輪廓數據采集，可操作性較強。該方法在產品的質量檢測、外形尺寸檢測、復雜曲面的校核等方面得到了廣泛的應用。文中將三維光學掃描系統XJTU-OM 以輪廓法相結合，采用一種新的數字化三維實測技術來實現輪廓法測量，在此基礎上研究初始殘余應力對于三維光學輪廓法測試焊接接頭殘余應力的影響。

1 測量技術原理

1.1 輪廓法基本原理

輪廓法的原理是將含有殘余應力的工件切開成兩半，由于應力釋放，切割面會發生輪廓變形，假設切割過程不產生附加應力，且殘余應力的釋放會造成切割面輪廓變形。若殘余應力全部釋放，此時施加外力使變形輪廓恢復到切割前的原始狀態，那么所施加的外力等效于此切割面原始法向的殘余應力。輪廓法的一般步驟：①切割工件，應力釋放，切割面輪廓變形；② 掃描變形輪廓，處理輪廓數據；③建立有限元模型，將變形輪廓作為邊界條件，進行應力反算。

1.2 XJTUOM 輪廓測量原理

采用XJTUOM 三維光學面掃描進行輪廓測量，通過投射多頻相移條紋到切割面上，基于雙目立體視覺原理，采用兩臺攝像機記錄物體在三維空間的圖像，利用三角測量原理和立體匹配技術，結合已經獲得的圖像匹配點坐標值，通過標定計算和坐標轉換，算出物體表面目標點的三維坐標信息。

2 實驗

2.1 實驗設計

MIG 多道焊接試樣為 Q345R，工件尺寸為200 mm×125 mm×15 mm。采用兩塊試板，試板1 為供貨態，由火焰切割成形，存在原始殘余應力。試板2 經去應力退火處理，退火實驗參數為保溫溫度590℃，保溫時間3.5 h，爐冷。

采用MIG 自動焊接，焊接過程保護氣體為純氬氣，焊絲型號為QB ER50-6，直徑1.2 mm，焊道示意圖如圖1 所示，V 型坡口，鈍邊為2 mm，實際焊接為3 層6 道。每道焊縫完成后進行表面氧化皮及雜質清理，以防出現氣孔以及不導電的雜質相，進而導致切割過程放電不穩定或者斷絲，后繼續焊接，每層焊縫之間冷卻到70℃左右時，進行下一道焊接，依次完成所有焊道。焊接工藝參數如表1。為避免切割引入附加應力，因此需要慢走絲切割。采用日本三菱MITSUBISHIBA8EDM 切割機床進行切割。切割過程在去離子水中進行，采用直徑200 μm 銅絲，切割速度為20 mm/min。采用對稱約束方式，保證切割過程始終垂直于焊縫。

圖1 焊道示意圖Fig.1 Schematic diagram of weld bead

表1 焊接工藝參數Tab.1 Welding process parameters

2.2 建立數據處理平臺

OM 測量的原始數據會受到環境的影響，而帶入很多誤差點，而且其點云的坐標系與實際坐標系不一致，因此必須要進一步進行去噪處理、擬合、離散處理，才可以用于有限元計算的邊界條件。首先，刪除點云中的環境雜點，而對截面點云不做處理，隨后將標記的全局點作為參考點進行坐標轉換，在點云轉正后，使用Lowess 模型進行點云的擬合，同時可以使用局部加權線性回歸來平滑數據。根據擬合曲面與噪聲點的空間距離去掉較大噪聲點云。將一個截面輪廓進行鏡像，因為兩個平面切割后的原始對應位置在進行輪廓拍攝時不是對應的，因此必須將某一個輪廓進行鏡像，之后平均所測得的兩個截面的對應數據點，將所測輪廓曲線進行平均以減小誤差。

以上的數據處理過程，均采用Matlab 編程實現。利用Matlab 自帶的用戶圖形界面平臺將以上的數據處理過程設計為GUI 操作平臺[14]，通過該數據處理平臺可以快速地對OM 面掃描得到的點云數據進行轉正、去燥、位移計算、離散、邊界條件輸出等功能，如圖2 所示。

2.3 應力計算與分析

基于ABAQUS 有限元計算軟件建立三維模型，劃分尺寸為1 mm 的均勻有限元網格。利用擬合平均后的輪廓計算出有限元節點上的位移初始條件，并反向加載到有限元模型上，另外在有限元模型上施加額外約束，以防止模型發生剛性位移。基于本次計算主要在于小應變問題的特點，因此彈性計算過程采用的是減縮積分單元，每個單元具有8 節點數，即3D Stress（C3D8R）三維實體單元。

2.4 有限元模擬

基于ANSYS 平臺對多層多道焊進行彈塑性模擬[15]。采用均勻體熱源，利用生死單元技術來模擬實際焊縫填充過程。溫度場的計算為瞬態計算，設定型初始溫度為20℃，增加對流邊界條件，實現工件外表面與空氣的對流換熱。如圖3，選取焊縫截面位置溫度場與實際的焊縫腐蝕形貌進行對比，可以發現計算得到的熔池與實際焊接的熔池形貌非常接近，這將大大提高后續應力計算的準確性。應力計算采用Solid185 單元，采用間接耦合計算焊接殘余應力，將瞬態分析過程中的每一時間步的熱計算結果作為應力計算的載荷。載荷作用時間與熱分析使得熱源作用時間保持一致，且熱計算模型以及應力計算采用三點約束。

圖3 多道焊縫形貌與計算模型對比Fig.3 Comparison of multi-pass weld morphology and calculation model

3 結果與分析

含初始應力焊接試板、去應力退火焊接試板和數值模擬殘余應力分布見圖4。含初始應力、去應力退火和數值模擬焊縫中心為拉應力區，最大拉應力分別為480,450,523 MPa，且都位于焊縫根部區域。含初始應力和去應力退火的焊接試板在焊縫區較為接近，但未經退火的工件拉應力區域分布較寬。試板兩側為壓應力區域，最大壓應力分別為380,280,157 MPa，三者數值相差較大，但應力分布趨勢相同，焊縫區域整體為拉應力區域，向板材兩邊降低，逐漸變為壓應力區。

圖4 含初始殘余應力、去應力退火與數值模擬殘余應力Fig.4 Initial residual stress,stress relief annealing and numerical simulation of residual stress contained

圖5 截線位置示意圖Fig.5 Schematic view of the position of the line

為了進一步探究初始殘余應力對有限元計算的影響，取切割截面的3 條截線L1（距底面12 mm）、L2（試板中心厚度方向中線）、L3（距離底面3 mm）位置，分析其殘余應力分布。具體的截線示意圖如圖5 所示。去應力退火工件的焊接殘余應力輪廓法測試結果與有限元模擬結果對比如圖6 所示。通過3 條截線數據對比可以發現，L1截線處其應力結果較為一致，輪廓法與數值模擬結果分別為356 MPa 和410 MPa，殘余應力相差約為50 MPa 左右。焊縫中心與近縫區位置處的應力結果相近，試板右側位置出現稍許波動，與數值模擬結果有所差異，但數值上差異均在100 MPa以內。L2截線處輪廓法與數值模擬最大拉應力分別為307 MPa 和348 MPa，殘余應力相差約30 MPa 左右，試板兩側壓應力在100～150 MPa 之間波動，總體保持一致。L3截線位于焊縫根部位置，其應力比前兩處較高，輪廓法與數值模擬的最大拉應力分別為412 MPa和456 MPa，在焊縫中心較為一致，兩側仍然存在一定波動（50～100 MPa），但整體一致性良好。

未經退火處理的試板輪廓法測試應力如圖6 所示，可以看出在焊縫處的一定寬度區域內，其殘余應力數值與退火件輪廓計算值、數值模擬應力值較為一致。在遠離焊縫處其應力波動較為嚴重，尤其在試板邊緣處其壓應力約為300～400 MPa，已經超過數值模擬值約200 MPa 左右。由此可見，試板由于切割、成形過程中產生的附加初始應力會導致試驗所測應力一定要考慮初始應力對于結果的影響。

圖6 截線位置應力結果對比Fig.6 Comparison of stress results at the cut line position

殘余應力在焊縫中心位置處的吻合度較高，因此數值與有限元模擬數值相差較大，因此分析結果提取了各個截線位置處節點的溫度循環，取各個節點在整個溫度循環中的最高溫度如圖6 中的綠色曲線。可以看到，大致600℃為分界線，溫度循環高于600℃的區域，其殘余應力高度一致，隨著其溫度循環的逐漸降低，輪廓法與有限元的計算差值越大。其中溫度循環高于600℃的區域大致約為焊縫及其熱影響區。焊縫及近縫區域的應力實驗值與有限元模擬數值較為一致，主要由于在焊接熱循環的作用下，高于金屬再結晶溫度時可以消除部分內應力，而對于其他區域，由于溫度循環較低，對其內應力消除不明顯，導致實驗與有限元結果相差較大，因此在數值模擬過程有必要考慮其初始殘余應力對結果的影響。

4 結論

1）采用三維光學輪廓法對多層多道焊接殘余應力進行測試，通過建立的數據處理平臺對得到的輪廓數據進行處理。分別計算去應力退火焊件與退火處理焊件的殘余應力分布，對比數值模擬結果，可以發現三者的殘余應力在焊縫中心處的分布較為一致，而沿著焊縫向兩側的分布區域內，其應力差別逐漸變大。

2）通過提取3 條截線上不同位置的最高溫度循環，可以發現在大致600℃以上區域內，三者的應力分布表現高度一致，在最高溫度循環低于600℃的區域，其應力明顯存在不一致。主要原因為焊接熱循環溫度高于金屬再結晶溫度時，可以消除部分殘余應力，而溫度循環較低時對應力消除不明顯，導致實驗結果相差較大。