CN107036744A - 一种残余应力盲孔测试法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应力检测技术领域，特别涉及一种残余应力的盲孔检测法。其包括以下步骤：取待测工件，选定检测区域；在检测区域选定打孔点和应变片贴片位置；将应变片粘贴在应变片贴片位置；对应变片进行密封；将应变片与应变仪相连接；在工件待测点上表面设置中通的工作液容器，并将工作液容器与工件待测点相密封，并在容器中放置工作液。本发明通过电火花成型机的高能放电效力在工件表面打孔，使得打孔位置便于选取，工件创伤面积小，精度较高，设备较为便宜，降低了传统机械式钻孔对工件产生较大附加应变的影响，解决了机械式钻孔很难高效的对高温硬质合金或其他高硬度材料钻孔的缺陷。

Description

一种残余应力盲孔测试法

技术领域

本发明涉及应力检测技术领域，特别涉及一种残余应力的盲孔检测法。

背景技术

残余应力是任何工作载荷作用的情况下存在于构件内部,且在整个构件内部保持平衡的应力,或者说是材料中发生了不均匀的弹性变形和不均匀弹塑性变形的结果，外力或温度变化而引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。机械制造过程是产生残余应力的主要原因，各种机械制造工艺，如铸造、切削、焊接、热处理、装配等工艺手段，都会使工件内出现不同程度的残余应力。在工件的使用过程中，工件承受载荷所引起的工作应力与其内部的残余应力相叠加，将导致工件产生二次变形和残余应力的重新分布，降低了工件的刚性和尺寸稳定性，同时在工作温度、工作介质及残余应力的共同作用下，工件的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及高温蠕变开裂能力都将大大下降，当机械设备的使用过程中发生的意外破坏事故，除了材料本身的结构强度外，多是由工件的残余应力造成的。因此，对残余应力的测量技术进行研究，对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。

目前机械法理论完善，技术成熟，广泛应用在现场测试中，但是利用机械法测量残余应力需释放应力，需要对工件局部分离或者分割，会对工件造成一定的损伤或者破坏。目前，以浅盲孔法的破坏性最小。近年来科学工作者对其做了大量工作，从测量原理到实际操作中的各种工艺因素、误差来源等进行了深入的研究，目前己成为工程上最通用的残余应力测量方法，其具有操作简单，测量方便，对构件损伤程度小等特点。

盲孔法是由Mather.J在1932年提出的，后由Soete发展完善而形成系统理论，该方法中采用高灵敏度的箔式应变片测量应变量，其基本原理是：假定一种具有残余应力的各项同性材料的工件，其中某一局部区域存在的残余应力场是均匀的，在表面合适位置粘贴应变片，随后根据应变片的位置钻一个直径2R(2mm左右)深度h(h>2R)的小盲孔，材料的连续性将遭到破坏，孔边的径向应力必然下降为零，从而在盲孔附近表面由于释放部分应力而产生相应的位移和应变，利用静态应变测量方法可由应变片结合应变仪测出应变值，然后利用弹性力学理论计算得到残余应力；在实际测量时，首先在一定条件下作标定试验，得到初应力与释放应变的关系曲线，将标定结果代入应力—应变通孔Kirch关系式，对Kirch公式进行修正，得到该试验条件下的A、B标定系数，然后将待测工件在同一条件下作盲孔试验，根据所测得的释放应变，代入经过修正的Kirch公式，即可得出工件中的残余应力值。

盲孔法测试残余应力时，贴应变片的质量、钻孔的偏心度、附加应变等都对测试结果有影响，尤其是采用传统机械式电钻进行钻孔时在孔的周围产生较大的附加应变，特别是采用旋转刀具钻孔，附加应力可能很大，M.T.Flaman研究钻孔对附加应变的影响表明,采用低速钻孔时(小于1000rmp)可能引入相当可观的附加应变；此外，当待测材料硬度较大时一旦钻孔发生偏心，会对测量结果的准确度产生较大的影响，根据国内研究资料显示，当钻孔的偏心距达到0.001英寸的情况下，纯剪应力状态下误差可达7％，而在单轴应力状态下亦可达到4.8％。同时传统机械电钻很难对高温硬质合金及其他高硬度材料进行钻孔，极大的影响了盲孔法的应用范围。

因此，市场上亟需一种残余应力盲孔检测法，使得打孔位置便于选取，工件创伤面积小，精度较高，有效减小了因待测材料硬度过大时传统机械式钻孔偏心所带来的误差，也明显降低了传统机械式低速钻孔对工件的孔周围产生较大附加应变的影响。

发明内容

本发明公开了一种残余应力盲孔测试法，以解决传统机械式电钻进行钻孔时在孔的周围产生较大的附加应变，影响测量结果的问题。

为实现上述目的，本发明所述一种残余应力盲孔测试法，包括以下步骤：

步骤一、取待测工件，选定若干个检测区域；

步骤二、在检测区域选定打孔点以及应变片贴片位置；

步骤三、将应变片粘贴在应变片贴片位置；

步骤四、对应变片进行密封；

步骤五、将应变片与应变仪相连接；

步骤六、在工件待测点上表面设置中通的工作液容器，并将工作液容器与工件待测点相密封，并在容器中放置工作液；

步骤七、利用电火花成型机借助工作液在工件表面打孔；

步骤八、打孔完毕后，将工作液排出，并将工件表面残留的工作液吹干；

步骤九、打孔完毕后静置至2-3个小时，待应变仪上数值趋于稳定后，将应变片测出的应变值代入公式

以及中，

并据此计算出主应力的大小和方向，随后将主应力大小和方向角代入公式

即可计算出环件径向及周向的残余应力，其中σ_r为径向应力；σ_θ为切向应力；σ₁、σ₂为工件内两个主应力；θ为参考轴与主应力σ₁方向的夹角；E为材料的弹性模量；A、B为释放系数；应变片中三个敏感栅测出的释放应变分别为ε₁、ε₂、ε₃。

优选地，所述步骤一还包括在选定检测区域后，对检测区域进行表面处理，所述表面处理方式包括利用砂纸对检测区域进行打磨，直至表面光亮为止，并对检测区域进行清洗。

优选地，所述步骤三中，用直角尺和划针在应变片贴片位置画出十字定位线，将所述应变片通过粘合剂粘贴在应变片贴片位置处。

优选地，所述步骤三中，操作人确定好应变片的45°方向，使应变片方位线对准十字定位线，在将应变片粘贴在应变片贴片位置之后，用万用表检查应变片的电阻值，检测有无断路现象，并用万用表检查应变片引线与工件间的电阻，检测有无短路现象。

优选地，在所述步骤四中，将所述应变片通过绝缘物质进行密封。

优选地，所述步骤四中，对应变片进行密封还包括，取环形接线端片，将其固定密封粘贴在工件表面，打孔点和应变片贴片位置均位于环形接线端片的内圆中，在环形接线端片的内圆中涂覆绝缘物质，将应变片完全封装至绝缘物质内部。

优选地，所述绝缘物质为玻璃胶或透明橡皮泥。

优选地，环形接线端片上表面设有若干接线端片，接线端片的数量与应变片引线的数量相同，应变片的引线通过接线端片与应变仪相连。

优选地，工作液容器为广口罩，广口罩的底部设有水槽。

优选地，工作液为油类有机化合物或蒸馏水或去离子水或配置简便的乳化液。

本发明相对于现有技术，取得了以下技术效果：

通过电火花成型机的高能放电效力在工件表面打孔，打孔位置便于选取，工件创伤面积小，精度较高，因此不仅有效减小了因待测材料硬度过大时传统机械式钻孔偏心所带来的误差，也明显降低了传统机械式低速钻孔对工件的孔周围产生较大附加应变的影响；整套测试装置结构简单，测试位置的密封结构便于实施，组装携带及位置调整比较灵活，能够满足绝大部分材质及各类形状的工件表面进行盲孔法的残余应力测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中打孔部件的连接结构示意图。

其中，1-工件；2-工作液容器；3-环形接线端片；4-接线端片；5-排水槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种残余应力盲孔测试法，以解决传统机械式电钻进行钻孔时在孔的周围产生较大的附加应变，影响测量结果的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种残余应力盲孔测试法，以解决传统机械式电钻进行钻孔时在孔的周围产生较大的附加应变，影响测量结果的问题。

为实现上述目的，本发明所述一种残余应力盲孔测试法，包括以下步骤：

步骤一、取待测工件1，选定检测区域；利用砂纸对检测区域进行打磨，直至表面光亮为止，并对检测区域进行清洗。步骤二、在检测区域选定打孔点和应变片贴片位置；步骤三、将应变片通过粘合剂粘贴在应变片贴片位置；在将应变片粘贴在应变片贴片位置之后，还要用万用表检查应变片的电阻值，确定后有无断路现象，并用万用表检查应变片引线与工件1间的电阻，确定有无短路现象。步骤四、取环形接线端片3，将其固定密封粘贴在工件1表面，所述打孔点和应变片贴片位置均位于环形接线端片3的内圆中，在环形接线端片3的内圆中涂覆绝缘物质，将应变片完全封装至绝缘物质内部。步骤五、在环形接线端片3上表面设有若干接线端片4，接线端片4的数量与应变片引线的数量相同，应变片每一根引线均通过其相应的接线端片4与应变仪相连。步骤六、在工件1待测点上表面设置中通的工作液容器2，并将工作液容器2与工件1待测点相密封，并在容器中放置工作液；在本实施例中，工作液容器2为广口罩，且所述广口罩的底部设有排水槽5；步骤七、利用电火花成型机借助工作液在工件1表面打孔；孔深度与直径的比在1.0-1.2之间；步骤八、打孔完毕后，将工作液排出，并将工件1表面残留的工作液吹干；步骤九、打孔完毕后静置至2-3个小时，待应变仪上数值趋于稳定后，将应变片测出的应变值代入公式(1)、公式(2)，计算出主应力(σ1、σ2)的大小和方向，然后将主应力大小和方向角代入公式(3)即可计算出环件各方向的残余应力：

本发明所述在电火花成型机打孔过程加入工作液，首先可以加速电极间隙的冷却过程，降低工具电极与工件1表面瞬时放电产生的局部高温，防止工件1表面因局部过热而产生结炭、烧伤并形成电弧放电，并由此有效防止应变片烧损；其次会形成火花放电通道，在火花机电极尖端放电结束后迅速恢复放电间隙的绝缘状态，以便下一个脉冲电压再次形成火花放电；再次使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去，避免放电间隙严重污染，导致火花放电点不分散而形成有害的电弧放电；最后可压缩火花放电通道，增加通道中被压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力，从而抛出更多熔化和气化了的金属，从而加强了蚀除的效果，极大地减小了火花机打孔过程中孔周围产生的附加应变。若工作液煤油不纯混有部分导电液体，则工件1与加工平台之间会放电，将工件1放伤且使应变片与应变仪的导电受到干扰，直接影响到应变片的测试精度，因此保险起见需要对应变片以及打孔环境作进一步的密封处理，使应变片与工作液处于完全的隔绝状态。

由于应变仪的灵敏度很高，因此本发明将应变片通过玻璃胶密封在待测区域中，可有效阻止电火花成型机打孔时，工作液煤油与应变片的接触的情况，防止煤油不纯时，应变片与应变仪的导电受到干扰等不利因素，因此有效保护了应变片，保证了应变仪测试时数据的稳定性，保证了测量结果的准确性。

实施例1

本发明取GH4169高温合金环件作为待测工件，取蒸馏水作为工作液，在其内环面和端面分别取8个点进行测试，所述内环面两点之间的夹角均为45度，且所述内环面点与端面点位置是相对应的，其中表1为内环面残余应力数值，表2为端面1残余应力数值，表3为端面2残余应力数值。

表1

表2

表3

实施例2

本发明取GH909合金环件作为待测工件，取煤油作为工作液，在其内环面和端面分别取8个点进行测试，所述内环面两点之间的夹角均为45度，且所述内环面点与端面点位置是相对应的，表4为内环面残余应力数值，表5为端面1残余应力数值，表6为端面2残余应力数值。

表4

表5

表6

实施例3

本发明取TC25合金环件作为待测工件，取煤油作为工作液，在其内环面和端面分别取8个点进行测试，所述内环面两点之间的夹角均为45度，且所述内环面点与端面点位置是相对应的，表7为内环面残余应力数值，表8为端面1残余应力数值，表9为端面2残余应力数值。

表7

表8

表9

实施例4

本发明取GH4169合金环件作为待测工件，取煤油作为工作液，在其内环面和端面分别取8个点进行测试，所述内环面两点之间的夹角均为45度，且所述内环面点与端面点位置是相对应的，表10为内环面残余应力数值，表11为端面1残余应力数值，表12为端面2残余应力数值。

表10

表11

表12

实施例5

本发明取GH706合金环件作为待测工件，取蒸馏水作为工作液，在其内环面和端面分别取8个点进行测试，所述内环面两点之间的夹角均为45度，且所述内环面点与端面点位置是相对应的，表13为内环面残余应力数值，表14为内环面残余应力数值。

表13

表14

通过对实施例1-5的实验过程可以发现，利用基于电火花打孔的盲孔法测量残余应力，针对于常见的镍基合金与钛合金都可以顺利的进行实验测量，测量数据的分布基本符合实际规律，尤其在取工作液为煤油时，实际测量过程数据的波动较小，测试稳定性较好，提高了测量结果的可靠性。

实施例6

表15表示各方法在不同材料应力释放试件上3个敏感栅测得的总平均加工应变

表15中几种材料由于加工应变太大，因此都不能用普通转速的端铣进行打孔，即使是加工应变最小的软钢，只产生(-40με)的加工应变，也相当于在孔壁上要加很大的载荷才能引起，但实际上这些加工应变是由加工小孔产生的，并非由残余应力释放所致，假如都计算在释放应力上，则所测结果将产生很大的误差，利用电火花加工、化学腐蚀、激光打孔等非接触式得加工方法，理论上不存在加工应变，而实际中加工应变的数值都可以很小，因此，利用电火花打孔的方法与传统的机械式钻孔对比，从表15可知，不同方法的加工应变数值相差很大，其中电火花的加工应变数值较其他方法更优。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种残余应力盲孔测试法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、取待测工件，选定若干个检测区域；

步骤二、在检测区域选定打孔点以及应变片贴片位置；

步骤三、将应变片粘贴在应变片贴片位置；

步骤四、对应变片进行密封；

步骤五、将应变片与应变仪相连接；

步骤六、在工件待测点上表面设置中通的工作液容器，并将工作液容器与工件待测点相密封，并在容器中放置工作液；

步骤七、利用电火花成型机借助工作液在工件表面打孔；

步骤八、打孔完毕后，将工作液排出，并将工件表面残留的工作液吹干；

步骤九、打孔完毕后静置至2-3个小时，待应变仪上数值趋于稳定后，将应变片测出的应变值代入公式

以及中，

并据此计算出主应力的大小和方向，随后将主应力大小和方向角代入公式

即可计算出环件径向及周向的残余应力

其中σ_r为径向应力；σ_θ为切向应力；σ₁、σ₂为工件内两个主应力；θ为参考轴与主应力σ₁方向的夹角；E为材料的弹性模量；A、B为释放系数；应变片中三个敏感栅测出的释放应变分别为ε₁、ε₂、ε₃。

2.根据权利要求1所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：所述步骤一还包括在选定检测区域后，对检测区域进行表面处理，所述表面处理方式包括利用砂纸对检测区域进行打磨，直至表面光亮为止，并对检测区域进行清洗。

3.根据权利要求1或2所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：所述步骤三中，用直角尺和划针在应变片贴片位置画出十字定位线，将所述应变片通过粘合剂粘贴在应变片贴片位置处。

4.根据权利要求3所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：所述步骤三中，操作人确定好应变片的45°方向，使应变片方位线对准十字定位线，在将应变片粘贴在应变片贴片位置之后，用万用表检查应变片的电阻值，检测有无断路现象，并用万用表检查应变片引线与工件间的电阻，检测有无短路现象。

5.根据权利要求4所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：在所述步骤四中，将所述应变片通过绝缘物质进行密封。

6.根据权利要求5所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：所述步骤四中，对应变片进行密封还包括，取环形接线端片，将其固定密封粘贴在工件表面，打孔点和应变片贴片位置均位于环形接线端片的内圆中，在环形接线端片的内圆中涂覆绝缘物质，将应变片完全封装至绝缘物质内部。

7.根据权利要求5或6所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：所述绝缘物质为玻璃胶或透明橡皮泥。

8.根据权利要求6所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：环形接线端片上表面设有若干接线端片，接线端片的数量与应变片引线的数量相同，应变片的引线通过接线端片与应变仪相连。

9.根据权利要求1所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：工作液容器为广口罩，广口罩的底部设有水槽。

10.根据权利要求1所述的残余应力盲孔测试法，其特征在于：工作液为油类有机化合物或蒸馏水或去离子水或配置简便的乳化液。