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
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。
内应力钻孔测试法
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
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
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。
钻孔法中的残余应力场Ⅰ.理论分析
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的测量精 度提供 理论依 据 。 Ｌ———一 ．——— ———— ———— Ｊ
１ 分 析模 型
图 １ 分 析模 型
设 一无 限大 板 内的残余 应力 为二 向 应力状 态 ， 其主应 力为 和 ：如 图 １ 示 。若 硬化层 的深 度 ， 所
Ｆｇ． Ａｎ ｌ ｉ ｌ ｄ ｌ ｉ １ ａｙ ｃ ｔ ａ ｍｏ ｅ
力差作 为钻孔 释放 的残余应 力 。然而 ， 在实 际钻
孔测 量 中 ， 由于钻 孔过程 中切削力 的作用 ， 削面附 钻
ｆ
Ｉ
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近将 产生加 工硬 化 ， 口附近会 形 成 一 个环 状 的 Ｊ孔
硬化 层 。硬化 层 的材 料 特性 会 发 生 明显 变化 ， 度 硬 和弹性模量 均显 著增 加 ， 必会 影 响 残余 应 力 的 释 势 放 。文 中针对这 一 现象 ， 于 弹性 理 论 推导 出含硬 基 化层 的释放 残余 应 力 的解 析解 ， 而 为 提高 钻孔 法 从
（０６ｇ ０ ）合 肥 工 业 大 学 科 研 发 展 基 金 资 助 项 目 ２０ｊ１ ５ ； ０
（６８３ ） ０００ Ｆ
以孔心 Ｏ为 圆心 ， 一 大 圆 ， 半 径 为 ｃ 且 ｃ 取 其 ， 》 ｂ 则在 图 １ ， 所示 的极 坐标 系下 圆周 ｒ ＝ｃ上 的应
力 为
－ ０ ＝（ ＋０ ）２ 盯 一０ ）２ｏ２ １ ｒ ｌ － ／ ＋（ ｌ － ／ｃｓ０ ｏ ２ ２
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ｒ＝０／ ＋Ｏ ／ｃｓ（ ＋ｚ ２ １ ｏ ＂ ２ ＂ ２ｏ２ ０ ｒ ） ２ ２ ／
口 Ｏ ２ ０／ｏ （ ａ２｝ ＝＂ —＂２ ｓ 十－ ） ２ ２ｃ２ ／ ／
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。
钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析
ε3
σ2
ε2
r2 r r1
45° f
2a
ε1 σ1
图 1 钻孔法示意图 Fig. 1 Schematic diagram of hole drilling method
钻孔法分为通孔法与盲孔法，为评价焊接试验
板材厚度方向的平均残余应力，需采用通孔法来测
量残余应力，其释放系数可由 Kirsch 理论直接计
摘 要： 为提高焊接残余应力钻孔法测量结果的可靠性，需分析其测量过程中的误差因素，依据误差传递理论推导
了由应变误差与释放系数误差传递给最终测量结果的误差公式，并由测量过程中的误差因素建立了一条影响最终
测量结果的误差链. 以 2A12 高强铝合金 VPPA-MIG 复合焊接板材为试验对象，定量分析了误差链中的弹性模量
从函数角度来分析，钻孔法测得的残余主应力 σ1, σ2 是关于 ε1, ε2, ε3, A, B 的多元函数，分别记为 σ1=f1(ε1, ε2, ε3, A, B), σ2=f2(ε1, ε2, ε3, A, B)；ϕ 角是关 于 ε1, ε2, ε3 的多元函数，记为 tan2ϕ=f3(ε1,ε2,ε3). σ1， σ2 的 精 度 主 要 由 变 量 ε1, ε2, ε3, A， B 的 测 量 精 度 决定，而 ϕ 角的精度主要由变量 ε1, ε2, ε3 的测量精 度 决 定 . 根 据 误 差 传 递 理 论 [12]， 当 变 量 ε1, ε2, ε3, A, B 分别产生 Δε1, Δε2, Δε3, ΔA，ΔB 误差时，可推导 出 σ1, σ2 和 ϕ 角 将 分 别 产 生 误 差 Δσ1, Δσ2 和 Δϕ，
余应力，如式 (1) 所示.
σ1,2 = tan2ϕ
√
1 4A
钻孔法检测残余应力的有限元分析
在 目前 常用 的残余 应力 的检测 方法 中， 孔 法 的研 究得 到学 者 的广 泛 关 注． 钻 卫志 勇 、 应 征等 用 弹性 郭
理 论研 究 了钻孔 位置 与钻孔 深度 对钻孔 释放 应变 的影 响Ｌ ； 】 王侃 ， 蓉 等在介 绍钻 孔法 测 量残 余 应力 的原 李 理 的基 础上 ， 细说 明了钻孔 法 的具体操 作 步骤 和 应 用［ ； 忠 亚 ， 丹 娜 等把 钻 孔法 应 用 于有 效 预 应 力 详 ２刘 刘 的检测 中 ， 通过 测试 钻孔前 后孔 边应力 的 变化 ， 并 推导 出简便 近似 公式 能够 准确 有效 的实 现 对预 应力 的预 估 ＿ ； 红宇 ， ３齐 刘金 龙等 应用 云纹 干涉法 与钻 孔法 结 合 的光 测 力 学实 验 方法 ， 究 了等 离子 热 障涂 层 基体 研
文章 编 号 ：０ ７ ９ ５ ２ １ ） １— ０ ６— ５ １ ０ —２ ８ （ ０ ２ ０ ０ ５ ０
钻 孔 法 检 测 残余 应 力 的有 限元 分 析
陈 聪
（ 南 省 特 种 设 备 检 验 研 究 院湘 西 分 院 ， 南 吉 首 湖 湖 ４６０） １ ０ ０
摘 要 ： 放 系数 是 钻 孔 法 测 量 残 余 应 力 的 重 要 指 标 之 一 ． 用有 限元 分析 软 件 ａ ａ ｕ 研 究 了释 放 系数 与 钻 孔 位 置 和 释 采 ｂｑ ｓ
量 的便 携式 云纹 干涉钻 孔 系统＿ ． ７ 大量 的研究 表 明 ， ］ 钻孔 法不 仅简单 易行 ， 而且 测 量精 度 高 ， 评估 金 属 构 是 件 残余 应力 的一种 有效 方法 ， Ｔ （ 国材料 试验 学会 ） 已经将 钻孔法 标 准化． ＡＳ Ｍ 美 也
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高 桩码 头预应 力 构件 的残 余 预应力 检测 是人 们关 注 的重 点 。 长期 以来 国 内外学 者 一直 在 寻求 一种 方法 能 够简单 、 快捷 、 确地测 出在 役构件 的残 余预 应力 。 国学者 Ｊ ｔａ 在 １３ 准 德 ． ｈｒ ９ ４年提 出 了使用 钻孔 法测 量构 Ｍａ 件 残余预 应 力 ， 由于其 具有 操作 简单 、 构件 损伤 小 的特 点 ， 对 目前 已得 到广泛 应 用 ［＿ Ｉ 该方 法采 用机 械切 割 ， 。
第３ ２卷第 ２期
２１ 年 ４月 ０１
水
道 港 口
Ｖｏ ．２ Ｎｏ２ １ ３ ．
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Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｅ ｗａ ｎ ｒ ｏ ｏ ｒ ａ ｏ Ｗ ｔ ｒ ｙ ａ ｄ Ｈａ ｂ ｒ
钻 Ｌ检 残 应 技 中 关 数 数 计 分 孑 测 余 力 术 有参 的值 算 析 法
Ａ ￣ｒ＝ｆ Ｏ ， ， （ｒ ２ １ ）
（） ２
（） ３
根 据式 （ ）只需 要 在 薄板 上 测 量 出与 钻 孔 中心 夹 角相 同 的 ３点 ０ｂＣ的径 向应 变 △ ， 占 ， ， 出 ３， ，， △ △ 列 ３个方 程 ， 即可 以求得 主应 力 ， 与 主方 向 。 是 问题 就归 结 为径 向应变 的 测量 。 常 预应 力钢 筋 混凝 土 于 通 梁 的上 下 表 面处 于 单 向应 力 状 态 （ 只有 压 应 力 或 拉应 力 ， 即 假设 梁 的轴 线 方 向 为 轴 ）则 ， ， ＝ ， ， ＝
２ １ 年 ４月 ０１
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钻 孑 法检 测残 余应 力技 术 中有关 参 数 的数值 计算 分 析 Ｌ
１３ ２
Ａ ＝ （ ｏ－ Ａ Ｇ ÷ Ａ ， ｏ） ｒ ￣ ｒ 将 式 （ ） 入式 （ ）即可 以建立 点 Ａ的径 向应 变 △ 主应 力 ｏ ，－与 主方 向 之 间的关 系式 １代 ２， ｓ与 ｒＯ
在具有残余应力的构件上钻一个小孔 ， 使其邻域 内的应力得到释放而产生相应的应变 ， 通过测量应变换算 出
构 件原 有 的应 力 。 根据 钻 孔 的深 度可 分 为通 孑法 和盲 孑 法 ＿ 。 Ｌ Ｌ ２ 由于码 头 的预 应力 构件 通 常较 大 ， 用通 孔 ］ 采 法施 工难 度大 、 对构 件 的损 伤 大 ， 而盲 孔法 只在 构件表 面钻 到一 定深度 ， 穿透构 件 ， 不 大大 降低 了对 构件 的损 伤 程度 。 本文 以天津港 某码 头 在役 预应 力轨 道梁 的残 余预 应力 检测 为 例 ， 述 了有关 参 数 的计算 方 法 。 描 为减 少 现场 工作 量和施 工 的盲 目性 ， 高检 测工 作 的安全 性 和可靠 性 ， 提 检测 前需 要通 过有 限 元法 ， 定 检测 工作 确 中的最佳 孑径 、 Ｌ 孔深 和粘贴 应变 片 的位置 等重要 参数 。
ｌ 理 论依 据
钻孔 法 的基 本 理 论来 源 于 弹性 力 学 ， 设 一个 承 受 双 向均 布 拉 力 假 － ０ （ 。 的矩形 薄板 或 长 柱 （ １ ， 平板 （ 长柱 ） 意点 处 ， ０、 ２０＞ ） － － 图 ）在 或 任 采
用 机械 切 割 的方 式 开挖 一 个半 径 为 ｒ 的小 孔 后 ， 内应 力就 会 发 生 扰 板 动。 根据 圣 维南 原理 ， 口邻域 内（ 般为 距孔 边 １ 孔 一 ． 孔 口尺 寸 ） 应 ５倍 的
出钻孔后 的梁底混凝土表 面轴线上各节点的轴 向应变 ， 并结合相关理论 ， 计算 出钻孔前梁底中心节点应 力 的理论值 ， 从而找出与梁底 中心节点实际施加 应力的吻合点 。 根据节点理论值与实际施加应力的吻合
情况 ， 结合应变测量机理 ， 最终确定最佳孔径 、 孔深和最佳粘贴应变片位置 等参数。 关键词 ： Ｌ ； 钻孑 法 残余预应力 ； 参数分析
收稿 日期 ：０ ０ ０ — １ 修 回 日期 ：００ ０ — ８ ２１—６ １； ２ １— ７ ０
作 者 简 介 ： 冲 久 （９ ５ ）男 ， 宁省 人 ， 士 ， 究 员 ， 要 从 事河 口 、 岸及 近海 工 程 的研 究 工作 。 赵 １６ 一 ， 辽 博 研 主 海
Ｂ ｏ ｒ ｐ ｙ Ｚ Ａ ｈ ｎ － ｕ １ ６ 一 ， ａｅ ｐ ｏ ｓｏ． ｉｇ ａ ｈ ： Ｈ Ｏ Ｃ ｏ ｇ ｉ （ ９ ５ ）ｍ ｌ ， ｒ ｅｓ ｒ ｊ ｆ
｛ ＇ Ａ０ ｔ ０ ｔ ０ ｔ ＂ １ ０ ２ ＂＝ ＿ ０ ＂ ＂ ＝０ ＂＂
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图 １ 钻孔法示意图
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赵 冲 久 邓 运工 程科 学研 究所 水工构 造 物检 测 、 断与加 固技 术交通行 业重 诊 点实验 室， 津 ３ ０ ５ ；． 沙理 工大 学 水利 工程 学 院 ， 沙 ４ ０ ７ ） 天 ０ ４ ６ ２长 长 １０ ６
摘 要： 通过建立有限元数值模型 ， 分别模拟 了钻孔前后两种不 同状态下应力应变分布情况 。 比较计算 经
力分 布将 会有 显著 改 变 ， 而距 孔 口较 远处 的应 力 分布 则基 本不 受影 响 。
根据 钻孔 前 后 应力 的分 布状 况 不 同 ， 出孔 口附 近 由于 钻孔 引起 的应 得 力改变 量 为
一 一＋‘＋ （ 一 ｃ ＴＯ ）２ Ｏ ＂／ ＇２． １ ２ ｏ ｓ