钻孔法检测残余应力技术中有关参数的数值计算分析

钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析0 序言焊件在焊接过程中受到不均匀加热、因加热引起的热变形以及组织变形往往受到焊件本身刚度和外加拘束的双重约束，焊后构件内会存在焊接残余应力. 残余应力对构件的疲劳强度、服役寿命和抗应力腐蚀开裂等性能都会产生不利的影响. 为保证焊接接头的可靠性，需测定和掌握焊接接头应力分布情况. 在现存的残余应力测量方法中，钻孔法理论体系完备，是目前最常用的残余应力测量方法，美国ASTM 协会已将其纳入标准[1]. 然而，钻孔法测量残余应力时存在着较多的误差因素，影响测量结果的可靠性. 为降低各种误差因素对测量结果的影响，提高钻孔法残余应力测量结果的可靠性，众多研究者从钻孔时产生的偏心、应变计横向效应、应变计粘贴角度的偏差、孔边应力集中引起塑性变形、钻孔直径与钻孔深度、测试表面形状、贴片尺寸等方面分析、估计了钻孔法残余应力测量误差[2-6]，使钻孔法残余应力的测量精度在一定程度上得以提高. 然而，钻孔法测量残余应力过程中往往还存在弹性模量误差、贴片误差和应变取值时间误差等误差因素，现存的文献也未对这些误差因素进行深入分析、研究，使钻孔法测量残余应力的误差因素分析不全面，导致无法全面地提高残余应力测量精度，进而无法全面保证测量结果的可靠性. 因此，为全面提高钻孔法测量残余应力的精度，文中依据钻孔法测量原理，从误差传递理论推导影响测量结果的误差公式，根据误差公式找出测量过程中的误差因素，由误差因素建立一条影响最终测量结果的误差链以实现对测量误差的全面分析. 以10 mm厚2A12高强铝合金VPPA-MIG(变极性等离子弧–熔化极气体保护)复合焊接板材为试验对象，通过误差传递理论定量分析误差链中的弹性模量误差、贴片误差和应变取值时间误差等误差因素对最终测量结果的影响，找到剔除这些误差因素影响的有效途径，提高钻孔法测量高强铝合金2A12 VPPA-MIG复合焊接残余应力测量结果的可靠性.进而为根据残余应力分布情况优化现有高强铝合金VPPA-MIG复合焊接工艺[7-10]奠定基础，使高强铝合金获得VPPA-MIG复合焊接高效高质量的焊缝成形，更好地应用于航天航空器制造等领域.李辛孟（1997—），男，汉族，山西长治人，本科在读，研究方向：播音与主持艺术；姜壮（1985—），通讯作者，汉族，山东烟台人，硕士，讲师，一级播音员，研究方向：广播电视节目制作。

树脂成型部件残余应力的测量方法 ～钻孔法～什么是残余应力作为树脂内生应力的一个典型例子，残余应力是在不受外力作用的情况下由内部材料产生的一种应力。

其大小取决于成型条件、成型品形状等多种因素。

树脂注射成型时必然会产生残余应力，只是大小有别而已。

其原因是在注射成型时，熔融树脂的表层和内层的固化收缩速度不同（存在时间差），于是固化慢的内部就会在固化的同时对固化快的外部产生拉伸作用，从而产生残余应力。

残余应力所导致的问题残余应力会导致部件变形、疲劳断裂、溶液膨胀加快等问题，因此必须预先了解并设法降低它。

钻孔法概述钻孔法（hole-drilling method）是评估金属材料残余应力的一种有效方法。

其过程是贴上微型花式 3 向应变仪，在其中心部分钻孔（半断裂法），然后根据孔的变形情况来求出开放应力。

ASTM （美国材料试验学会）已将此法标准化。

钻孔法的原理在毫无应力的试件上钻孔时孔将呈正圆形，而在有应力的试件上钻孔时孔则会产生应变。

这种应变的大小和方向与该处存在的应力有关，因此用设置在孔周围的 3 向应变仪来测量该应变后便可求出原有的残余应力值。

传统方法的改进及其在树脂方面的应用厚壁金属部件的应力均匀分布在测量范围内，而树脂成型品的薄壁处则分布有残余应力，因此用钻孔法来求出树脂成型品的残余应力时就要设法找到这种应力分布的适当表达方法。

本公司经过认真研究测量方法和条件开发出了新的逐次计算法，从而能够定量评估残余应力在表层附近到内层的分布状况。

总结逐次计算法既可用来评估残余应力，也可用来评估树脂部件内层部分所承受的负荷应力。

也就是说，可通过评估组装和加工（焊接、螺钉固定、弹性配合等）时树脂部件所承受的负荷来求出最佳制造条件的指标。

我们希望这项评估技术能够与本公司的产品一起被广泛应用于树脂产品厂家的多个方面，如树脂成型部件的形状设计、成型加工、故障分析等。

残余应力的测量方法由于工件经过振动时效处理以后其残余应力降低，所以测定工件振动时效前后残余应力的变化量也是判断振动时效效果的方法之一。

1. 盲孔法：它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。

测量仪器；应变仪.盲孔钻. 应变花。

2.X射线法：X射线应力测定方法是利用X射线衍射测定试样中晶格应变求出工件表面应力的方法。

但是由于χ光应力测定仪的测量精度较差.比较适合用于测定具有较大残余应力的工件，如普通纲件.焊接件 .淬火件等。

З.磁性法：磁性法测量残余应力是利用铁磁材料的压磁效应即在应力作用下.铁磁材料的各方向上的导磁率发生不同的变化，从而产生磁各向异性.通过对导磁率变化的测定来确定残余应力的方法。

此法目前尚处于试验或试用阶段，我所正在进行探讨采用此方法的可能性。

有关的数据处理方法在科学试验中，有着大量的测试数据，但是有时这些数据并不能使我们一目了然，而通过对这些数据进行科学的整理和分析，就可以帮助我们总结出许多现象和问提。

目前，这一问提已经引起越来越多的科技工作者的注意和重视，我们试验中每批试件尺寸精度保持性的数据都是几百个，甚至上千多个，因此初步尝试用一些简单的数理统计方法分析.整理了大批试验数据，取得了一定的成效。

4.测量误差分析：对大量的数据运用数理统计方法进行分析 .整理时，经常要用到算术平均值（X ）及离差（s ）其表达式为：一般用表示测量值的平均水平。

用8来衡量测量值的波动情况，S越大，表名测量值的波动越大，S小，则说明测量比较集中。

在计算.分析振动时效工件导轨精度变化量时，根据测量时重复读数的偏差大小，可以算出测量的离差值S，当变形量小于S时，就应该认为没有变形或变形不显著。

钻孔法测量残余应力测量原理钻孔法测量残余应力是基于材料力学中的应力释放原理。

当在材料表面钻孔时，孔周围的材料会发生弹性变形，这种变形会受到材料内部的残余应力的影响。

通过测量钻孔后的表面位移，可以确定孔周围的残余应力状态。

实验步骤钻孔法测量残余应力的实验步骤如下：1、选择合适的材料试件，进行表面处理，确保表面平整无杂质。

2、使用高精度的钻机在材料试件的表面钻孔，钻孔直径一般在0.5-1.0mm之间，孔深约为10-20mm。

3、在钻孔前、钻孔后和取下钻屑后分别使用光学显微镜观察孔周围的表面形貌，并记录下来。

4、根据观察到的表面形貌变化，计算出钻孔前后的位移量。

5、根据位移量和材料的弹性常数，计算出孔周围的残余应力。

精度分析钻孔法测量残余应力的精度主要受到以下因素的影响：1、钻孔直径和深度的精度：钻孔直径和深度的变化会影响位移量的测量精度，进而影响残余应力的计算精度。

2、表面处理质量：表面处理不干净会导致钻头受损，从而影响钻孔质量。

3、观察和测量误差：观察和测量表面形貌变化的过程中可能存在误差，导致位移量的计算不准确。

4、材料本身的力学性能：材料的弹性常数等力学性能参数的准确性也会影响残余应力的计算精度。

为了提高精度，需要采取以下措施：1、使用高精度的钻机和测量设备，确保钻孔直径和深度的准确性。

2、加强表面处理，确保表面干净无杂质。

3、使用高精度的光学显微镜进行观察和测量，减少人为误差。

4、对材料试件进行详细的质量和性能检测，确保其符合实验要求。

数据处理根据实验步骤中记录的位移量和材料的弹性常数，可以计算出孔周围的残余应力。

一般而言，钻孔法测量残余应力的数据处理可以采用以下步骤：1、计算钻孔前后的位移量差值，得到孔周围的位移变化量。

2、根据位移变化量和材料的弹性常数，利用应力释放原理计算孔周围的残余应力。

3、将计算得到的残余应力与实验前的预测值进行比较，评估测量结果的准确性。

4、如果测量结果不满足要求，可能需要重新进行实验，并检查实验步骤和数据处理方法是否正确。

金属材料残余应力测定钻孔应变法
金属材料残余应力测定钻孔应变法
金属材料在加工过程中，由于受到各种因素的影响，如温度、应力等，会产生残余应力。

残余应力是指在材料内部存在的一种应力状态，它
不是由外力引起的，而是由材料内部的微观结构和组织引起的。

残余
应力会影响材料的性能和寿命，因此对其进行测定和分析具有重要意义。

钻孔应变法是一种常用的测定金属材料残余应力的方法。

该方法利用
了材料的弹性变形特性，通过测量钻孔周围的应变来计算出残余应力。

具体操作步骤如下：
1. 在待测材料表面钻一个直径为d的小孔，孔深一般为材料厚度的
1/2到2/3。

2. 在孔壁上粘贴一根应变片，应变片的长度应大于孔深。

3. 用一台应变计测量应变片上的应变值。

4. 根据材料的弹性模量和泊松比等参数，计算出孔周围的残余应力。

钻孔应变法的优点是操作简单、精度高、适用范围广。

但也存在一些
局限性，如只适用于表面残余应力的测定，不能测定材料内部的应力；孔径和孔深的选择对测量结果有一定影响，需要根据具体情况进行选择。

总之，钻孔应变法是一种可靠的测定金属材料残余应力的方法，可以
为材料加工和使用提供重要的参考依据。

盲孔法测量残余应力钻孔装置使用介绍首先，盲孔法测量残余应力钻孔装置主要包括钻机、钻头、测力传感器、数据采集系统以及分析软件等组成部分。

钻机是使用钻头在材料上钻取盲孔的设备，可以选择传统的手动钻机或者电动钻机。

钻头一般使用硬质合金材料制成，具有较好的切削性能和耐磨性。

测力传感器是用于测量钻削过程中产生的切削力的装置，它可以将切削力转换为相应的电信号输出。

测力传感器通常采用片式结构，具有较高的灵敏度和稳定性。

数据采集系统是用于采集测力传感器输出的电信号，并将其转换为数字信号进行处理和存储的设备。

数据采集系统可以选择通用的数据采集卡或者专用的数据采集设备，其中包括模拟转换器、数字信号处理器等。

分析软件是用于对采集到的数据进行处理和分析的软件程序，可以根据数据的变化趋势和数学模型计算出材料的残余应力。

常用的分析软件有MATLAB、Origin等。

使用盲孔法测量残余应力钻孔装置时，首先需要选择合适的钻头和钻机，根据待测材料的性质和尺寸确定适当的参数。

然后，将测力传感器安装在钻机上，并将其与数据采集系统连接。

确保测力传感器的位置正确，并调整其灵敏度和稳定性。

接下来，根据测量要求，在待测材料上选择合适的位置，使用钻头进行盲孔的钻削操作。

在钻削的过程中，数据采集系统会实时记录下测力传感器输出的数据。

完成钻削后，利用分析软件对采集到的数据进行处理和分析，计算出材料的残余应力。

根据需要可以绘制应力变化图谱，并进行相应的数据分析和结果评价。

最后，根据测量结果，对材料的应力状态进行评估和判断，为产品的设计和工艺提供参考和指导。

总之，盲孔法测量残余应力钻孔装置是一种常用的测量残余应力的方法，它具有操作简单、测量精度高等优点。

使用该装置可以快速准确地测量材料的残余应力，为材料的应力分析和优化提供重要数据支持。

残余应力测定方法（精）第二章残余应力测定方法残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理测量法两类。

物理测量法包括X射线法、磁性法、和超声波法等。

它们分别利用晶体的X射线衍射现象.材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。

它们是无损的测量方法。

其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的一种测量方法。

磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前途的两种测试方法。

物理法的测试设备复杂.昂贵.精度不高。

特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。

机械方法包括切割法、套环法和钻孔法（下面主要介绍）等，它是把被测点的应力给予释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。

残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具有简单、准确等特点。

从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则测试宏观应力与微观应力的综合值。

因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。

一、分离法测量残余应力切割法和套环法都是将被测点与其邻近部分分开以释放残余应力，因此统称分离法。

它是测量残余应力的一种最简单的方法，多用于测量表面残余应力或沿厚度方向应力变化较小的构件上的残余应力。

（一）、切割法：在欲测部位划线：划出20mm×20mm的方格将测点围在正中。

在方格内一定方向上贴应变计和应变花，再将应变计与应变仪相连，通电调平。

然后用铣床或手锯慢速切割方格线，使被测点与周围部分分离开。

切割后，再测应变计得到的释放应变。

它与构件原有应变量值相同、符号相反，因此计算应力时，应将所得值乘以负号。

释放后的残余应力计算方法如下：1、如果已知构件的残余应力为单向应力状态，只要在主应力方向贴一个应变片（如图3.1）即可。

分割后得释放应变ε，由虎克定律可知其残余应力为：σ=-Eε（1）2、如果构件上残余应力方向已知，则在测点处沿主应力方向粘贴两个应变片1和2（如图3.2所示）。

钻孔法检测残余应力的有限元分析陈聪【期刊名称】《吉首大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)001【摘要】释放系数是钻孔法测量残余应力的重要指标之一.采用有限元分析软件abaqus研究了释放系数与钻孔位置和钻孔深度之间的关系,并得到了对应的拟合曲线.通过与已有的研究结果进行对比分析,表明了该研究方法和研究结果是可以满足工程需要的.%Releasing coefficient is one of the most important index when applying hole-drilling method to measure residual stress.In this paper,the effect of the position of strain gages and the depth of drilled hole on the releasing coefficient are studied by using the finite element method （FEM）,and the corresponding fitted curves are pared with the previous research results,the method and results discussed in this paper is valid.【总页数】5页(P56-60)【作者】陈聪【作者单位】湖南省特种设备检验研究院湘西分院,湖南吉首416000【正文语种】中文【中图分类】TG404【相关文献】1.钻孔法检测残余应力技术中有关参数的数值计算分析 [J], 赵冲久;邓雷飞;田双珠2.基于钻孔法检测预应力混凝土梁有效应力的有限元分析 [J], 徐满意;林高杰;孙熙平3.基于逐层钻孔法的闪光焊钢轨轨底残余应力分析 [J], 罗雁云;唐吉意;朱茜;陆可人;张天琦4.反向钻孔法应用于工件内表面残余应力测量的研究 [J], 马小明;欧清扬5.钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析 [J], 甘世明;韩永全;陈芙蓉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

残余应力检测方法关于构件的残余应力检测（盲孔法检测）一、前言（1）应力概念通常讲，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。

（2）应力作用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。

（3）应力的产生在机械制造中，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：1.不均匀的塑性变形；2.不均匀的温度变化；3.不均匀的相变（4）应力的调整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：①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。

钻孔DMI应变计法测定非均布点焊径向残余应力陈忠安;高宗山;赵玉津;金学松【摘要】基于传统电阻应变计钻孔法无法测定点焊残余应力,提出以对中逐层钻孔的钻孔DMI应变计法来测定沿板厚方向非均匀的点焊径向残余应力.推导出了逐层钻孔所释放的径向残余应力与释放应变的关系方程;并在二维轴对称有限元模型上,采用分层加载的方法实现各层释放系数的仿真计算,标定了一个用于5层非均匀应力计算所需的释放系数表;利用该系数表,结合5步逐层钻孔测定点焊残余应力的示例,验证了该方法的有效性.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)009【总页数】4页(P18-21)【关键词】点焊径向残余应力;钻孔;DMI应变计;释放系数【作者】陈忠安;高宗山;赵玉津;金学松【作者单位】江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013;江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013;美国南卡罗莱娜大学机械工程系,南卡罗莱纳州803843864;天津大学材料学院,天津300072;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TB121电阻点焊作为一种产效率高、焊接质量好的焊接方法，被广泛用于汽车工业中[1]。

焊点中一般都存在着应力集中现象，该现象的存在会造成点焊件产生脆性破坏及疲劳强度降低等问题[2-3]，所以此残余应力的确定对点焊件的安全性能评估具有重要意义。

传统电阻应变计钻孔法能够较好地满足工程中一般残余应力的测定要求，但它却不适用于点焊残余应力的测定。

因为点焊残余应力场是一种沿径向急剧变化的应力场，而传统电阻应变计钻孔法中的释放系数是在均匀应力场情况下推导出来的，当这种情形下得到的释放系数用于急剧变化的应力场时，将会导致测量误差出现[4-5]，故此法不适用于这种径向大应力梯度场的情形。

本文提出一种将DMI应变计(Direct Measurements, INC)与钻孔法相结合的测定新方法来测定沿板厚方向非均布的点焊径向残余应力。