CN112484892A - 一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，包括试件表面喷涂步骤、试件初始形貌获取步骤、试件钻孔步骤、试件钻孔的形貌获取步骤以及数据处理步骤，具体地，先在试件表面的待测区域上进行散斑喷涂；利用相机对试件表面的待测区域上的形貌进行拍摄，获取散斑初始分布信息；在试件的待测区域上钻盲孔；在钻孔过程中用相机对试件表面散斑形貌进行拍摄，获取钻孔过程中试件的散斑变化信息；最后对比不同阶段的散斑形貌相片，获得钻孔过程中不同阶段试件表面的应变信息，通过换算得到试件表面的残余应力值。该方法通过比较应力释放前后散斑形貌的变化计算得到试件的残余应力值，能显著提高使用盲孔法测量残余应力的精度。
Description
技术领域
本发明涉及残余应力检测领域，尤其涉及一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法。
背景技术
各种生产制造工艺在生产工件的过程中，由于不均匀塑性变形及梯度温度场的影响，会在工件内部引入不同程度的内应力。根据其作用范围，内应力可分为第一类(宏观)内应力及第二、第三类(微观)内应力。通常，工程上所说的残余应力指的是第一类内应力。工件中过高的残余应力会导致工件尺寸的变化、降低加工精度，同时会使得工件在服役过程中发生开裂、应力腐蚀、疲劳失效等问题，甚至会造成重大的工程事故。部分工艺流程中特意通过变形预处理消除/降低有害残余应力或引入有益残余应力，从而提高材料的服役行为。目前为止，对第一类内应力的测量技术最为完善，其对材料性能与工件服役行为的影响研究的最为透彻。
盲孔法是由德国学者Mathar于1934年提出的残余应力半有损测量方法，该方法理论经Soete及Brugge等学者完善与发展，目前已被列入中国船舶行业标准CB3395与美国材料实验协会标准ASTM E 837。盲孔法由于其操作简单、测量方便、对构件损伤程度小等特点，被广泛应用于实验室研究与生产现场的残余应力测试。
但是使用盲孔法测量残余应力的影响因素较多，如基本理论与实际情况之间的差异、孔位偏移、孔深与孔径误差、应变仪零漂、应变片粘贴质量及灵敏系数误差、钻孔引起的附加应变、钻孔引起的孔边缘塑性变形等，都很容易会造成测量结果有误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，以解决现有使用盲孔法测量残余应力时很容易会造成测量结果有误差的问题。
本发明采用如下技术方案实现：
本发明提供了一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，包括以下步骤：
试件表面喷涂步骤：在试件表面的待测区域上进行散斑喷涂；
试件初始形貌获取步骤：利用相机对试件表面的待测区域上的形貌进行拍摄，获取散斑初始分布信息；
试件钻孔步骤：在试件的待测区域上钻盲孔；
试件钻孔的形貌获取步骤：在钻孔过程中用相机对试件表面散斑形貌进行拍摄，获取钻孔过程中试件的散斑变化信息；
数据处理步骤：对比不同阶段的散斑形貌相片，获得钻孔过程中不同阶段试件表面的应变信息，通过换算得到试件表面的残余应力值。
进一步地，试件表面喷涂步骤是先在试件表面喷涂白色哑光底漆，再用黑色黏着剂在试件表面上进行散斑喷涂。
进一步地，在试件表面喷涂步骤中，喷涂的散斑直径小于1微米，且试件待测区域上的散斑喷涂面积占试件待测区域的50％以上。
进一步地，所述试件表面喷涂步骤之前还包括试件表面处理步骤，所述试件表面处理步骤包括：
对试件表面进行打磨，去除试件表面杂质后进行机械抛光，机械抛光后对试件表面进行电解抛光，最后对试件表面进行清洗和吹干。
进一步地，所述试件表面处理步骤中，当电解抛光结束后先用有机溶剂清洗试件表面，然后用去离子水清洗试件表面，重复上述步骤两次以上，最后吹干试件表面。
进一步地，在试件初始形貌获取步骤和在试件钻孔的形貌获取步骤中所使用的相机为同一相机，所述相机拍摄的相片需能够反应出试件的离面形变，并且对非平面试件拍摄后的相片也能进行测量。
进一步地，在试件钻孔的形貌获取步骤中所述相机的数量至少为四个，四个所述相机分设于盲孔的四周。
进一步地，在试件钻孔的形貌获取步骤中，所述相机每秒钟至少拍摄五张相片。
进一步地，在所述试件钻孔步骤中，在钻盲孔前需根据试件尺寸、测量点的数量及分布确定盲孔的位置，其中盲孔到试件边界的距离大于或等于8倍盲孔的孔径，试件厚度大于或等于4倍盲孔的孔径，每两个测量点之间的直线距离大于或等于5倍盲孔的孔径，且盲孔的深度与盲孔的孔径比值大于1.2。
进一步地，所述方法还包括位于数据处理步骤之后的误差分析步骤：重复以上步骤，对试件表面不同位置进行残余应力测量，记录实验结果，并对测量结果进行误差分析。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明使用高分辨率的CCD相机对不同阶段的散斑形貌进行拍摄，在实现位移/应变在微纳米级别的空间分辨率的同时，能够检测试件的离面运动，也可对非平面试件进行测量；且通过比较应力释放前后散斑形貌的变化计算得到试件的残余应力值，能显著提高使用盲孔法测量残余应力的精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的提高盲孔法测量残余应力精度的结构图；
图2为本发明实施例提供的试件表面的散斑喷涂的示意图；
图3为本发明实施例提供的使用DIC软件分析选区示意图；
图4为本发明实施例提供的试件残余应力沿着X轴和Y轴分布的结果。
图中：
10、试件；20、散斑；30、应变测量分析区域；40、相机；50、刀具。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提上，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
请参阅图1至图4，本发明公开了一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，包括以下步骤：
S101、试件10表面喷涂步骤：在试件10表面的待测区域上进行散斑20喷涂；
S102、试件10初始形貌获取步骤：根据所需位移/应变空间分辨率要求以及待测试件10的尺寸大小，选择合适的CCD相机，利用焦距为50毫米的CCD相机对试件10表面的待测区域上的形貌进行拍摄，获取钻孔前试件10表面散斑20初始分布信息；
S103、试件10钻孔步骤：在试件10的待测区域上钻盲孔；
S104、试件10钻孔的形貌获取步骤：在钻孔过程中用相机40对试件10表面散斑20形貌进行拍摄，获取钻孔过程中试件10的散斑20变化信息，这里的相机40优选为CCD相机，CCD相机拍照速度为20毫秒/张；
S105、数据处理步骤：根据测量需要在拍摄的图像上选择感兴趣的应变测量分析区域30，结合数字图像相关(DIC)分析软件对比不同阶段的散斑20形貌相片并对图像信息进行处理，获得钻孔过程中不同阶段试件10表面的应变信息，通过换算得到试件10表面的残余应力值，结果如图3所示；
S106、误差分析步骤：处理完毕后，重复以上步骤，对试件10表面不同位置进行残余应力测量，记录实验结果，并对测量结果进行误差分析；
S107、测试结束，清理现场，拟定残余应力检测报告。
在试件10表面喷涂步骤中，是先在试件10表面喷涂白色哑光底漆，再用黑色黏着剂在试件10表面上进行散斑20喷涂，要求喷涂的散斑20分散性、粘附性好，尺寸大小合适，散斑20的颜色与白色底漆对比度大，且界面清晰可见，试件10表面散斑20的形貌如图2所示。
作为优选地实施方式，在试件10表面喷涂步骤中，喷涂的散斑20直径小于1微米，且试件10待测区域上的散斑20喷涂面积占试件10待测区域的50％以上。
在试件10表面喷涂步骤之前还包括试件10表面处理步骤，试件10表面处理步骤包括：使用240#到1200#的金相砂纸对试件10表面进行打磨，去除试件10表面氧化层杂质后，然后使用颗粒度为0.5微米到3微米的金刚石研磨液对试件10进行机械抛光，最终抛光所用研磨液或抛光膏颗粒度应小于1微米；机械抛光后对试件10表面进行电解抛光，最后对试件10表面进行清洗和吹干。
在试件10表面处理步骤中，当电解抛光结束后先用酒精、丙酮等有机溶剂清洗试件10的表面，然后用去离子水清洗试件10的表面，重复上述步骤两次以上，最后吹干试件10表面。
在试件10初始形貌获取步骤和在试件10钻孔的形貌获取步骤中都是根据测量所需分辨率及拍摄帧数，选择合适的CCD相机对试件10表面形貌进行捕捉；且两个步骤中所使用的相机40为同一相机40，其拍摄参数也相同，CCD相机需要具有一定的景深，相机40拍摄的相片需能够反应出试件10的离面形变，并且对非平面试件10拍摄后的相片也能进行测量。
作为优选地实施方式，在试件10钻孔的形貌获取步骤中相机40的数量至少为四个，四个相机40分设于盲孔的四周，具体地，四个相机40分别位于钻孔的前、后、左、右位置，以获得完整的钻孔区域全场散斑20分布图。
作为优选地实施方式，在试件10钻孔的形貌获取步骤中，相机40每秒钟至少拍摄五张相片，以保证应变及应力测量的准确性。
在试件10钻孔步骤中，需根据试件10尺寸、测量点的数量及分布确定盲孔的位置，在待测位置做好标记，固定试件10与钻孔装置在同一平面上，使用光学显微镜在试件10表面对钻孔位置进行定位，选择直径为2毫米的刀具50对定位中心进行钻孔，在试件10的表面钻盲孔，其中盲孔到试件10边界的距离大于或等于8倍盲孔的孔径，试件10厚度大于或等于4倍盲孔的孔径，每两个测量点之间的直线距离大于或等于5倍盲孔的孔径，即可保证测量结果互不影响，且盲孔的深度与盲孔的孔径比值大于1.2，比如盲孔深度为2.5毫米，钻孔步进为40微米。
在试件10钻孔步骤中采用高速气钻进行钻孔，高速气钻的钻速为8000rpm。其引起的残余应力测量误差在20MPa以内，且采用高速气钻钻孔其钻孔偏心度和钻孔附加应变较小，可认为测试系统精度较高。
本发明的方法具有以下优点：
1.使用高速气钻进行钻孔，降低由于钻孔塑性变形、钻孔偏心度与钻孔附加应变引入的测量误差；
2.钻孔前使用光学显微镜对钻孔中心与刀具50中心进行定位，保证钻孔过程中孔中心与刀具50中心在同一轴线上，避免由于打孔位置偏移引入的测量误差；
3.通过DIC对由应力释放引起的试件10塑性形变进行检测，避免由于应变片的贴片质量、应变片灵敏度系数误差及应变仪零漂引起的测量误差。其中，贴片质量误差源于贴片时应变片没有与试样表面完全贴合，造成的测量所得应变偏小，属于人为误差。应变片灵敏度系数限制了其测量试样形变的精度，容易忽略一些较小的位移信息；应变仪零漂源于应变放大器读数的不稳定造成的试验误差，以上两种均属于系统误差。
4.结合高分辨扫描CCD相机实现位移/应变在微纳米级别的空间分辨率，大大提高残余应力盲孔法的测量精度；且具有一定景深的CCD相机能够分辨试件10的离面运动，对非平面试件10进行测量；
5.通过在钻孔位置周围设置多台CCD相机，能够获得盲孔周围全场的散斑20分布图像，通过计算获得沿着钻孔位置环向的应变分布。
综上所述，本发明的方法其技术稳定，结果准确，结合刀具50的选择可减小由钻孔偏心度及附加应变等影响因素造成的测试误差；使用高分辨率的CCD相机对不同阶段的散斑20形貌进行拍摄，在实现位移/应变在微纳米级别的空间分辨率的同时，能够检测试件10的离面运动，也可对非平面试件10进行测量；且通过比较应力释放前后散斑20形貌的变化计算得到试件10的残余应力值，能显著提高使用盲孔法测量残余应力的精度。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
试件表面喷涂步骤：在试件表面的待测区域上进行散斑喷涂；
试件初始形貌获取步骤：利用相机对试件表面的待测区域上的形貌进行拍摄，获取散斑初始分布信息；
试件钻孔步骤：在试件的待测区域上钻盲孔；
试件钻孔的形貌获取步骤：在钻孔过程中用相机对试件表面散斑形貌进行拍摄，获取钻孔过程中试件的散斑变化信息；
数据处理步骤：对比不同阶段的散斑形貌相片，获得钻孔过程中不同阶段试件表面的应变信息，通过换算得到试件表面的残余应力值。
2.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，试件表面喷涂步骤是先在试件表面喷涂白色哑光底漆，再用黑色黏着剂在试件表面上进行散斑喷涂。
3.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，在试件表面喷涂步骤中，喷涂的散斑直径小于1微米，且试件待测区域上的散斑喷涂面积占试件待测区域的50％以上。
4.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，所述试件表面喷涂步骤之前还包括试件表面处理步骤，所述试件表面处理步骤包括：
对试件表面进行打磨，去除试件表面杂质后进行机械抛光，机械抛光后对试件表面进行电解抛光，最后对试件表面进行清洗和吹干。
5.根据权利要求4所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，所述试件表面处理步骤中，当电解抛光结束后先用有机溶剂清洗试件表面，然后用去离子水清洗试件表面，重复上述步骤两次以上，最后吹干试件表面。
6.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，在试件初始形貌获取步骤和在试件钻孔的形貌获取步骤中所使用的相机为同一相机，所述相机拍摄的相片需能够反应出试件的离面形变，并且对非平面试件拍摄后的相片也能进行测量。
7.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，在试件钻孔的形貌获取步骤中所述相机的数量至少为四个，四个所述相机分设于盲孔的四周。
8.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，在试件钻孔的形貌获取步骤中，所述相机每秒钟至少拍摄五张相片。
9.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，在所述试件钻孔步骤中，在钻盲孔前需根据试件尺寸、测量点的数量及分布确定盲孔的位置，其中盲孔到试件边界的距离大于或等于8倍盲孔的孔径，试件厚度大于或等于4倍盲孔的孔径，每两个测量点之间的直线距离大于或等于5倍盲孔的孔径，且盲孔的深度与盲孔的孔径比值大于1.2。
10.根据权利要求1所述的用于提高盲孔法测量残余应力精度的方法，其特征在于，所述方法还包括位于数据处理步骤之后的误差分析步骤：重复以上步骤，对试件表面不同位置进行残余应力测量，记录实验结果，并对测量结果进行误差分析。
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