承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析
通道数 32 （可一起接10个测应力用的应变化，自动巡检、监测10个点的应力变化；或能够接32个电阻应变片，自动巡检32个通道） 数据接口 每通道最高采样率 分辨率 误差1 温漂2 显示、操作 打印 灵敏度设置 内置测试软件 接桥方式 抗干扰 通过U盘导出测试结果，以记事本格式在PC机上再现 1S/s 0.1με 0.05%D±0.3με 1με/℃ 自带平板电脑（8英寸/800X600彩色触摸屏）、鼠标（可外接键盘） 自带微型打印机（320点/行） 应变片灵敏度可设置，并存在仪器内部 具有设置、测试、自定义等界面，可显示曲线、图表，能够存储和打印测试结果 半桥公共补偿 (8通道共享1个补偿应变片) 可抗静电、脉冲群、电磁辐射等电磁干扰， 允许在被测材料上电钻打孔、电焊、等离子切割等操作 接线端子 电源 工作温度 尺寸 重量 夹式直插 220VAC电源输入，可选配内置7.4V锂电池 0～50℃ 465mm×359mm×154mm 6353g
应变仪能够实现将被测构件因外加载荷而引起的应变量的变化转化为电阻变化率。通过相应的换算得到应变值。
图3-3-应变仪内部等效电路图
本仪表为应变电桥测量方式，等效电路如图所示：E为激励电源，U为输出的测量信号，R3和R4为120Q高精密电阻。放在仪表的内部，本仪表只能接半桥的工作方式，R1和I为工件上的应变片，其中R1为工作片内路，R2为外部的补偿片，在测量残余应力或应力时应选用450或者600的应变花。
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应变片转化来的电阻变化率经过应变仪中的电桥最终转变为为电压的变化，电路放大器的运放功能能够将电压的变化量放大。这里需要注意的是正确的选择通道并且接入补偿电阻，应变片应选用三栅应变花。
郑州机械研究所研制的钻具系统测量残余应力钻孔的装置，可对环状焊缝结构、角焊缝结构以及平板对接结构定位以辅助钻孔。该采集系统能够实现应变数据的采集功能，能够实时显示出应变、应力的变化曲线及历史曲线。系统的参数设置中，能够实现应力参数及应变参数的设置，包括材料中的灵敏度系数、弹性模量、泊松比、残余应力。测量中不但加入了对于释放系数A、B的手动输入还有附加应变的输入。该采集系统实现了用电阻应变片测量应力、应变的数据采集功能。系统的参数设置中，参数可以被设置的应力和应变的参数中。
①选用的测量点之后，打磨光滑的表面粗糙度，以满足要求。注意打磨方向采用横竖交错的方式，这可能是因为所造成的打磨和试剂用丙酮清洗并干燥的表面用吹风机的附加应力减小。
②将表面处理部件后，使用压力固化粘合贴剂，重视均匀胶至背面应变计，当贴片来尝试向焊缝横向或纵向方向测厚仪一致，贴片后，伴随着软塑料拇指轻轻按压。保证板材与工件表面张力产生良好的耦合，经过足够长的时间为治愈应变计，以达到理想的固化强度。
③用线测试检查应变片铅接触：用焊接方法，利用与电阻应变片导线连接特别补偿引线端子。连接后，用万用表检查电阻应变计为每个门是正常的，讲究的访问赔偿。
④线接入应变计，应变式开放，预热时间约一个半小时的保证。 ⑤钻孔勃起支架装置，该装置可在中心保证垂直钻孔莲座，并且可以确保准确的钻孔深度。
⑥打开软件，启动系统参数和零点漂移值清零和其他设置，然后测量所存储的数据。
⑦开始钻：在安装工具，先轻轻旋转钻头，以剖开基膜应变仪后，再顺利钻出直径1.5RAM，孔孔深2 0MM进行测量点的压力释放过程。实践证明，要注意钻顺时针旋转。
⑧测试数据记录和存储。
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图3-4：应变仪图
3.3.3贴片位置选择
该板材厚度较厚，经过多层多道焊接工艺，后续焊道在(板平面)纵向与横向有较高的收缩抗力，并且先焊的焊道对后来的焊道有一定预热作用，对残余应力可稍加抑制，但是由于强烈弯曲效应的叠加，使得先焊焊道承受拉伸力，后焊的焊道承受压缩力，横向应力在焊缝的根部超出了屈服强度，这是因为每焊一层会产生一次弯曲的作用，焊缝的根部会因为每次的弯曲作用而产生了应变硬化，其产生的是在焊缝冷却过程中较冷一端的部位妨碍了冷却收缩的过程，多次的拉伸塑性变形使得材料在屈服后的抵抗变形能力增加，使得应力在不断的升高。
该板材厚度较厚，通过多道焊接过程，随后的焊接中（板面）具有更高的纵向和横向的收缩性，并且第一焊接焊缝上后来对残余应力的预热效果可以稍微抑制，但由于叠加强烈弯曲效应，使第一焊道承受拉力，焊接在压力下，横向应力珠在焊缝根部后超过屈服强度，因为每一层将有一个弯曲的焊接效果，因为焊接的弯曲根部其中每个产生的应变硬化，这是在焊缝冷却的部位的冷却器端期间产生的防止收缩的冷却过程中，拉伸几个塑性变形，使得在所述能力的物质的增加，以产生这样的应力不断升高后抵抗变形。
鉴于以上分析和模型中的焊接接合部钻头钻探的安装空间的限制的实际位置（考虑架设的方向平行于主托架和三角支架的架设方向以及焊缝待测工件与支
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架底部的接触面积是否能满足固定的强度要求)，在该150ram厚度的方向与平板的方向的模型表面上选取了六个关键点部位。备注：应变片1-、2、3的贴片位置朝向与1、2、3一致。而4、5、6与4’、5’、6’号的应变花朝向与焊缝的关系稍有区别。0。、45。和900方向所对应的值是应变仪1、2、3通道上所对应的值。
3.3.4试验结果记录
以1号应变片为例提到了盲孔法测量残余应力的过程中，应变及应力释放曲线的变化情况，应变释放曲线在其它测量点上基本类似，这里不一一陈述。从应力、应变曲线上能够看出：盲孔法测残余应力是在钻孔开始后，应力及应变曲线剧烈变化，这是因为钻孔使得小孔周围原来平衡的应力状态被打破，要经过一段时间应力达到新的平衡状态，各个通道的应变释放也将会趋于稳定，系统能够给出实时的残余应力值即第一主应力和第二主应力以及主应力方向角度。
热处理后的残余应力测点选择在对称的另一条焊缝上进行，同样选取厚度方向上焊缝中心一点、熔合线两点、平板方向上焊缝中心一点、熔合线一点以及远离熔合线一点共六点位置。热处理前的模型焊接接头上关键点残余应力如图3-5所示：
图3-5：残余应力记录
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3.3.5结果分析
厚板模型焊接接头在热处理前后的关键点残余应力对比：在模型焊接接头厚度方向的三个测量点中，1号和2号的测点均为熔合线附近位置并且2号位置位于焊缝根部，2号的残余应力值达603MPa，对于一般厚板，一般的横向拉伸多发生在单边多道对接焊缝的根部焊道，这是因为焊缝根部的角收缩倾向较大，而对于模型中的接头来说，这种收缩会受到板厚方向和横向的抑制，可见对于厚板焊接多层焊道对于根部拉伸塑型变形的积累还是很严重的，从而导致了高应力的产生，并且超过了母材的屈服强度，而位于焊缝中心的3号应变片所测得的残余应力值为494MPa，也是处于相对较高的应力集中状态。
图3-6：热处理前后残余应力对比
模型焊接的接头平板方向上，4号应变片所测得的残余应力值最高，达到了508MPa，从4到5到6号测量点，残余应力逐渐下降，能够看出平板方向上焊缝中心到HAZ区域的一段距离上，接头处于较高的残余应力状态。
模型焊接接头在经过热处理后，能够明显的看出各个测量点的残余应力值有所降低，但各自的降幅不一样，比如接头厚度方向上的测点平均降幅达到了64％，但是平板方向上的测量点残余应力降幅却为56％。经过热处理后，六个点的主应力幅值都降低到了母材屈服强度以下。模型接头厚度方向上的3点达到了263MPa是六个点中最高应力。
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