CN107677403A - 一种残余应力盲孔检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种残余应力盲孔检测方法，其特征在于，包括步骤：S1、在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放；S2、由事先贴在孔周位的应变计测得释放的应变量；S3、根据弹性力学原理计算出残余应力。本发明提供的残余应力盲孔检测方法，测量精度高、线性好、温漂小，可长时间可靠地工作，可广泛应用于工业现场、企业研发测试中心、大学教学实验的应变、应力、位移、压力等物理量综合测试。

Description

一种残余应力盲孔检测方法

技术领域

本发明涉及残余应力检测技术领域，更具体地说，涉及一种残余应力盲孔检测方法。

背景技术

通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。

按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：

第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域(很多晶粒)内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。

第Ⅱ类内应力是存在于较小范围(一个晶粒或晶粒内部的区域)的内应力。

第Ⅲ类内应力是存在于极小范围(几个原子间距)的内应力。

在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。

除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。

机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。

在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：不均匀的塑性变形；不均匀的温度变化；不均匀的相变。

针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。

通常调整残余应力的方法有：

自然时效，把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2％～10％，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效时间过长，一般不采用。

热时效，是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力可以完全消除。但在实际生产中通常可以消除残余应力的70～80％，但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。

振动时效，振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就是在机械的作用下，使构件产生局部的塑性变形，从而使残余应力得到释放，以达到降低和调整残余应力的目的。其特点是处理时间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后在国内被大力推广。

静态过载法，是以静力或静力矩的形式，暂时加载于构件上，并在这种载荷下保持一段时间，从而使零件尺寸精度获得稳定的时效方法。用于焊接件时需要将载荷加大到使原来应力与附加应力之和接近于材料的屈服极限，才能消除残余应力。静态过载法的精度稳定性效果，取决于附加应力的大小及应力下保持时间。

静态过载法处理后构件中仍然保持着相当大的残余应力。

热冲击时效法，1970年前后出现的一种新颖的稳定工件尺寸精度的时效工艺法。其实质就是将工件进行快速加热，使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。

因此，现有技术亟待有很大的进步。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种残余应力盲孔检测方法，包括步骤：

S1、在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放；

S2、由事先贴在孔周位的应变计测得释放的应变量；

S3、根据弹性力学原理计算出残余应力。

在被测点O处钻一半径为a的小孔以释放应力，σ1和σ2为被测点O点的残余主应力，在距被测点半径为r的P点处，σr和σt分别表示钻孔释放径向应力和切向应力，σr和σ1的夹角为ф，根据弹性力学原理可得P点的原有残余应力σ′r和σ′t与残余主应力σ1和σ2的关系如式(1)：

钻孔后P点处的应力σ″r和σ″t分别为式(2)

钻孔后，P点应力释放量为：

将式(1)和(2)代入(3)得：

在P点贴应变计，并在P点钻孔而测得释放应变σr，且有：将(4)式代入上述即得出P点处径向应变εr与残余主应力σ₁和σ₂之间的关系式：

因应变片的长度为L＝r₂-r₁，所测应变εr应是L内的平均应变值，即:将(5)式代入上式积分可得：

令则(6)式可简化为

如果在与主应力成任意角的Ф1，Ф2，Ф3三个方向上贴应变片，由上式可得三个方程，即可求出σ1，σ2和Ф来；为了计算方便，三个应变片之间的夹角采用标准角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，这样测得的三个应变分别为ε0，ε45和ε90即：

如果三个应变片都准确的贴在同一圆周上，则有：

A₀＝A₄₅＝A₉₀＝A

B₀＝B₄₅＝B₉₀＝B

对(8)式联立求解，得

被测点O处残余应力σ1，σ2和Ф。

在本发明所述的残余应力盲孔检测方法中，如果被测点的残余应力是单向应力状态，只要在应力方向上贴一应变片，钻孔后即可测出应变εo，把Ф＝0,σ2＝0代入(8)式得被测点O处残余应力σ1：

在本发明所述的残余应力盲孔检测方法中，如果残余应力σ1和σ2的方向已知，则可沿两个主应力方向贴一应变片，Φ＝0和Φ＝90。则由(8)式可得：

解以上两个方程，得被测点O处残余应力σ1，σ2：

在本发明所述的残余应力盲孔检测方法中，在主应力方向未知的平面应力场中，使用三轴60°应变花来测量，则得被测点O处残余应力σ1，σ2和方向Ф：

实施本发明的残余应力盲孔检测方法，具有以下有益效果：测量精度高、线性好、温漂小，可长时间可靠地工作，可广泛应用于工业现场、企业研发测试中心、大学教学实验的应变、应力、位移、压力等物理量综合测试。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明残余应力盲孔检测方法的被测点o附近的应力状态图。

图2是本发明残余应力盲孔检测方法的优选钻具示意图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明残余应力盲孔检测方法的被测点o附近的应力状态图。如图1所示，在本发明第一实施例提供的残余应力盲孔检测方法中，在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放，并由事先贴在孔周位的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。钻孔的直径和深度都不大，不会影响被测构件的正常使用。并且这种方法具有较高的精度，因此它已成为应用比较广泛的方法。

如图1表示被测点o附近的应力状态：σ1和σ2为о点的残余主应力。在距被测点半径为r的P点处，σr和σt分别表示钻孔释放径向应力和切向应力。并且σr和σ1的夹角为ф。

根据弹性力学原理可得P点的原有残余应力σ′r和σ′t与残余主应力σ1和σ2的关系如式(1)。

钻孔法测残余应力时，要在被测点о处钻一半径为a的小孔以释放应力。由弹性力学可知，钻孔后P点处的应力σ″r和σ″t分别为式(2)

钻孔后，P点应力释放量为：

将式(1)和(2)代入(3)得：

上式中标明了P点的应力变化与测点O处的残余应力σ₁和σ₂之间的对应关系。在实际测量时，是在P点贴应变计，并在P点钻孔而测得释放应变σr，且有：将(4)式代入上述即得出P点处径向应变εr与残余主应力σ₁和σ₂之间的关系式：

但因应变片的长度为L＝r₂-r₁，所测应变εr应是L内的平均应变值，即:将(5)式代入上式积分可得：

令则(6)式可简化为

在一般情况下，主应力方向是未知的则上式中含有三个未知数σ1，σ2和Ф。如果在与主应力成任意角的Ф1，Ф2，Ф3三个方向上贴应变片，由上式可得三个方程，即可求出σ1，σ2和Ф来。为了计算方便，三个应变片之间的夹角采用标准角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，这样测得的三个应变分别为ε0，ε45和ε90即：

如果三个应变片都准确的贴在同一圆周上，则有：

A₀＝A₄₅＝A₉₀＝A

B₀＝B₄₅＝B₉₀＝B

对(8)式联立求解，得：

在有些情况下，公式(9)将会有所变化：

1.如果被测点的残余应力是单向应力状态，只要在应力方向上贴一应变片，钻孔后即可测出应变εo，把Ф＝0,σ2＝0代入(8)式得：

2.如果残余应力σ1和σ2的方向已知，则可沿两个主应力方向贴一应变片，Φ＝0和Φ＝90。则由(8)式可得：

解以上两个方程，得：

3、在主应力方向未知的平面应力场中，有时也使用三轴60°应变花来测量。则可由下式计算残余应力及方向。

图2是本发明残余应力盲孔检测方法的优选钻具示意图。具体实施时，钻孔设备的结构应该简单，便于携带，易于固定在构件上，同时要求对中方便，钻孔深度易于控制，并能适应在各种曲面上工作。如图2这种钻具能较好地实现上述要求，借助4个可调节X、Y方向的位置和上、下位置，以保持钻孔垂直于工件表面，用万向节与可调速手电钻连接施行钻孔。

钻孔的技术要求：

①被测表面的处理要符合应变测量的技术要求，直角应变片应用502胶水准确地粘贴在测点位置上，并用胶带覆盖好丝栅，防止铁屑破坏丝栅。

②钻孔时要保证钻杆与测量表面垂直，钻孔中心偏差应控制在±0.025mm以内。

③钻孔时要稳，机座不能抖动。钻孔速度要低，钻孔速度快易导致应变片的温度漂移，孔周切削应变增大使测量不稳定。为消除切削应变的影响，可先采用小钻头钻孔然后再用铣刀洗孔。

如果无法使用小孔钻，可以使用喷沙打孔法打一盲孔，喷沙打孔的方法就是利用压缩空气带动Al2O3或SiO2粉末，通过回转的喷嘴对准应变花中心打孔标志，喷吹表面而得一盲孔。这种方法实际上是一种磨削过程，其产生的热量由气流冷却，加之切削量很小，因此打孔时引起的附加应力较小，喷沙打孔法的测量精度较高。

具体实施时，可参考以下步骤：

1、准备检测器材：静态应变仪，三根信号线，一根信号补偿线，打孔装置，钻头、手持式磨光机，直角应变片，瞬间黏合剂(502或406)，乙醇清洁剂，棉球，粗砂皮，精细砂纸，剪刀，镊子，电烙铁，接线端子，稳压电源，数据记录卡，示意图绘制卡，常用工具箱。

2、调整工件位置及整理现场环境，保证检测试验的精度。

3、选择应力测试点，一般选6～10个点。

4、打磨测试点。先用砂轮进行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，最后用细砂纸精打磨，确保表面光滑。

5、用乙醇清洁剂清洁测试点。

6、使用瞬间黏合剂粘贴应变片并按紧，贴片后在示意图卡上绘出工件上各点位置。(每个测试点分开贴两个应变片，分两组检测，振前测试第一组测试点中的一个应变片，振后测试第二组)。

7、将测试线轻轻拉起，小心拉断，使测试先不与构件接触。

8、粘贴接线端子(每点三个方向)。

9、将测试先焊于接线端子上0°、45°、90°(每个角度有两根测试线)。

10、将剩余的测试线剪断。

11、接数据线：

0°接在CH1上的A、B；

45°接在CH2上的A、B；

90°接在CH3上的A、B；

补偿线接在另外某一点的A、B。

12、电烙铁焊接数据线：

将0°，45°，90°数据线焊于对应的测试点，接线端子上；

将补偿线暂时焊接在一快不用的接线端子上(当测试此点时，将补偿线换一位置焊好)。

13、将静态应变仪清零，通道1，2，3，(单点平衡)。

14、将打孔装置接入到稳压电源24伏，手持钻枪保持平衡、匀速的钻入(须钻在测试片中心)。

15、钻孔同时由助手观察并记录，静态应变仪记录振前值。依次记录每个孔的振前应变值。

16、起振，对被测工件进行振动时效处理。

17、处理完毕，再对各点的第二组应变片进行打孔检测数值。

18、记录振后应变数值。

19、全部实验数据与测量结果均应列表表示，按公式计算残余应力的大小和方向，并对测量结果进行误差分析。

20、将数据线拆除，清理现场。

21、将数据输入电脑进行软件换算，得出振前、振后的应力变化表。

22、拟定盲孔法残余应力检测报告。

本发明提供的残余应力盲孔检测方法，适用于以下各种测量情况：

1.测量各种线弹性材料的静态或缓慢变化的应变、应力，如：钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、钛合金、镁合金、岩石、混凝土、复合材料、植物、塑料、橡胶等。

2.测量各种各向同性弹塑性材料的内部残余应力(挤压、焊接、铸造、机加工等产生)，如：钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、钛合金、镁合金、岩石、混凝土、塑料、橡胶等，还可去除测残余应力打孔引起的系统误差。

3.可以测量各种物理信号

(1)一次直接测量信号

a.基本信号：应变信号、差分电压信号、单端电压信号。

b.扩展信号：电流、压力、力、载荷、扭矩、流量、温度(热电阻、热电偶、或其他温度传感器)、位移、速度等各种物理信号(传感器须直接输出或通过适配器转换成三种基本信号)。

(2)二次计算生成信号

应力信号、残余应力信号、根据一种或多种一次直接测量信号(经软件中各种复杂高级函数运算)生成的任意虚拟信号。

1.机械工程及制造设备：起重机、挖掘机、水泥泵车等工程机械的力臂等部位的应变应力、位移测试；油缸的压力、位移、温度、应变应力综合测试；机床导轨的残余应力测试。

2.高铁、汽车、轮船等交通设备：发动机、减速机的压力、温度、应变应力综合测试；车体、轮轴、高压输电弓等部位的应变应力测试。

3.电力、动力工程：电厂设备的强度测试，如核电站安全壳整体强度测试；水轮机轴及叶片的应变应力测试；蒸汽管道受热后的应变应力、温度、压力综合测试。

4.土木建筑及水利工程：建筑结构静态应变应力测试；大型体育场馆的钢结构屋顶在拆除安装支架时的应力监测。

5.桥梁和道路：大型钢结构桥梁的静载强度试验和道路涵隧工程结构应力测试。

6.材料参数测定：各种金属材料的弹性模量、泊松比、残余应力释放系数A和B等参数测定。

7.冶金、石油、化工：钢锭模表面热应力测试；油罐、压力容器、管道的压力、应变应力测试。

本发明通过以上实施例的设计，主要测量静态应变、应力、残余应力，还可测量电压、电流、位移、压力、温度等其它静态物理信号，无论是原理图设计还是线路板上元器件的布局及连线，都充分考虑了温度、湿度、振动等因素以及静电、脉冲群、电磁辐射等电磁干扰的影响，还进行了严格的泄露电流、绝缘等级、绝缘强度等安全规程测试，因而测量精度高、线性好、温漂小，可长时间可靠地工作，可广泛应用于工业现场、企业研发测试中心、大学教学实验的应变、应力、位移、压力等物理量综合测试。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (5)

1.一种残余应力盲孔检测方法，其特征在于，包括步骤：

S1、在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放；

S2、由事先贴在孔周位的应变计测得释放的应变量；

S3、根据弹性力学原理计算出残余应力。

2.根据权利要求1所述的残余应力盲孔检测方法，其特征在于，在被测点O处钻一半径为a的小孔以释放应力，σ1和σ2为被测点O点的残余主应力，在距被测点半径为r的P点处，σr和σt分别表示钻孔释放径向应力和切向应力，σr和σ1的夹角为ф，根据弹性力学原理可得P点的原有残余应力σ′r和σ′t与残余主应力σ1和σ2的关系如式(1)：

钻孔后P点处的应力σ″r和σ″t分别为式(2)

钻孔后，P点应力释放量为：

将式(1)和(2)代入(3)得：

在P点贴应变计，并在P点钻孔而测得释放应变σr，且有：将(4)式代入上述即得出P点处径向应变εr与残余主应力σ₁和σ₂之间的关系式：

因应变片的长度为L＝r₂-r₁，所测应变εr应是L内的平均应变值，即:将(5)式代入上式积分可得：

令则(6)式可简化为

如果在与主应力成任意角的Ф1，Ф2，Ф3三个方向上贴应变片，由上式可得三个方程，即可求出σ1，σ2和Ф来；为了计算方便，三个应变片之间的夹角采用标准角度，如Ф，Ф+45°，Ф+90°，这样测得的三个应变分别为ε0，ε45和ε90即：

如果三个应变片都准确的贴在同一圆周上，则有：

A₀＝A₄₅＝A₉₀＝A

B₀＝B₄₅＝B₉₀＝B

对(8)式联立求解，得

被测点O处残余应力σ1，σ2和Ф。

3.根据权利要求1所述的残余应力盲孔检测方法，其特征在于，如果被测点的残余应力是单向应力状态，只要在应力方向上贴一应变片，钻孔后即可测出应变εo，把Ф＝0,σ2＝0代入(8)式得被测点O处残余应力σ1：

4.根据权利要求1所述的残余应力盲孔检测方法，其特征在于，如果残余应力σ1和σ2的方向已知，则可沿两个主应力方向贴一应变片，Φ＝0和Φ＝90。则由(8)式可得：

解以上两个方程，得被测点O处残余应力σ1，σ2：

5.根据权利要求1所述的残余应力盲孔检测方法，其特征在于，在主应力方向未知的平面应力场中，使用三轴60°应变花来测量，则得被测点O处残余应力σ1，σ2和方向Ф：