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
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。
盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介[1]
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第15届全国残余应力学术交流会论文盲孔法测残余应力原理及几种打孔方式简介王晓洪赵怀普（郑州机械研究所河南郑州450052）引言机械零部件和构件在制造加工的过程中由于不同的制造工艺，例如铸造、切削、焊接、热处理等，都会在材料中产生残余应力。
残余应力的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度等力学性能降低,从而影响到它们的使用安全性。
因而，了解残余应力的状态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，比较成熟且普遍应用的残余应力测试方法分为两大类：无损检测法和机械检测法。
无损法在检测过程中不对工件产生创伤，机械法在测量的过程中要对工件体做全部或部分的破坏，例如切割法（又称剖分法）和环芯法对工件的破坏较大，而盲孔法对工件的破坏较小，因而盲孔法又称半无损法。
本文主要针对盲孔法的原理和几种打孔方式给于介绍。
一、盲孔法测残余应力的基本原理盲孔法最早由由德国人J.Mathar于1934年首先提出，以后经长期不断地改进和完善，目前已成为应用最广泛的残余应力测量方法之一。
美国材料试验协会ASTM已于1981年制订了测量标准（2）。
盲孔法测量残余应力的原理如图1所示，假设一个各向同性材料上某一区域内存在一般状态的残余应力场，其最大、最小主应力分别为σ1和σ2，在该区域表面上粘贴一专用应变花，在应变花中心打一小孔，引起孔边应力释放，从而在应变花丝删区域内产生释放应变，根据应变花测量的释放应变就可以计算出残余应力：图1 盲孔法残余应力测量原理图()()()()⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧---=--+-++=--+--+=1331223122313122312231311222)(442)(44εεεεεθεεεεεεεσεεεεεεεσtgBEAEBEAE(1)式（1）中：ε1、ε2、ε3—三个方向释放应变；σ1、σ2 —最大、最小主应力；θ—σ1与1号片参考轴的夹角；E —材料弹性模量；A、B —两个释放系数。
小孔法测焊接残余应力试验报告
《焊接残余应力应变测量》实验报告
161.5mm 90.5mm
120.0mm
32.0m m
15.5m m
23.5m m
3 1
2
如图为试件纵向残余应力分布云图。
焊缝及近焊缝区等经历过高温的区域存在较大的拉应力，沿着焊缝方向来看，由于焊缝较长，在焊缝中段出现了一个稳定区，且纵向残余应力大于材料的屈服强度。
两端存在一个过渡区域，纵向残余应力逐渐减小，在板边纵向残余应力为0。
纵向残余应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力，两边为压应力，压应力和拉应力在截面内平衡。
上图为试件横向应力分布云图。
横向应力形成的原因较为复杂，纵向收缩会导致焊缝两边的板子产生相对的弯曲的倾向，但由于两边实际上是连在一起的，因而将导致焊缝的两端部分产生压应力而中心部分产生拉应力，这样才能保证板不弯曲。
所以焊缝的横向应力表现为两端受压，中间受拉，且压应力比拉应力要大得多。
此外横向收缩也会对横向应力的分布产生影响，对于本次实验的焊接顺序，其效果是两端受拉，
line
如图所示，为试件上表面的纵向和横向残余应力在中央截面上的分布，实验值与数值模拟结果所反映的纵向应力分布趋势基本一致，焊缝与近焊缝区域为高的拉应力，远离焊缝的区域为压应力。
横向残余应力的实验结果为靠近焊缝的实验点呈拉应力，远离焊缝的点为压应力，与数值模拟的结果有一定偏差。
这可能是因为本次模拟。
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。
pc残余应力检测标准
PC残余应力检测标准一、钻孔应变释放法钻孔应变释放法是一种通过在混凝土中钻孔，然后测量钻孔周围的应变变化来推算残余应力的方法。
该方法主要适用于测量较浅的表面应力，同时要求钻孔周围无其他干扰因素。
该方法的优点是设备简单、操作方便，但精度相对较低，且对结构会造成一定损伤。
二、全释放应变法全释放应变法是一种通过在混凝土表面粘贴应变片，然后测量应变片的应变变化来推算残余应力的方法。
该方法适用于测量较深层的应力，但精度受多种因素影响，如应变片的粘贴质量、温度变化等。
该方法的优点是能够测量深层应力，且对结构无损伤，但操作较为繁琐，需要专业人员操作。
三、电磁检测方法电磁检测方法是一种利用电磁感应原理来测量混凝土中钢筋应力的方法。
该方法通过在混凝土表面发射电磁波，然后接收反射回来的电磁波，通过分析反射波的相位和振幅等信息来推算钢筋的应力。
该方法适用于测量钢筋的应力，但精度受多种因素影响，如钢筋的位置、混凝土的密度等。
该方法的优点是不需要在混凝土中钻孔或粘贴应变片，对结构无损伤，但需要专业人员操作。
四、X射线衍射方法X射线衍射方法是一种利用X射线在混凝土中衍射产生的布拉格衍射峰来推算残余应力的方法。
该方法适用于测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但精度受多种因素影响，如混凝土的成分、密度等。
该方法的优点是能够测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但需要使用昂贵的设备，且操作需要专业人员。
五、中子衍射方法中子衍射方法是一种利用中子在混凝土中衍射产生的布拉格衍射峰来推算残余应力的方法。
该方法适用于测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但精度受多种因素影响，如混凝土的成分、密度等。
该方法的优点是能够测量混凝土中的各种矿物相的残余应力，但需要使用昂贵的设备，且操作需要专业人员。
六、超声临界折射纵波检测方法超声临界折射纵波检测方法是利用超声波在混凝土中传播的物理特性，通过对超声波传播速度、振幅、频率等参数的测量和分析，推算混凝土内部的残余应力。
焊接残余应力产生原因分析及消除方法
焊接残余应力产生原因分析及消除方法作者：毛晓朋房继坤来源：《中国科技博览》2019年第04期[摘要]焊接残余应力是指在焊接后，无外力作用下，存在于工件内部并实现互相平衡的内应力。
机械加工和强化工艺都能引起残余应力，如焊接、冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压和金属热处理等。
残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，会因残余应力而发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。
基于此，本文主要对焊接残余应力产生原因分析及消除方法进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。
[关键词]焊接残余应力；产生原因；消除方法中图分类号：J62.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0245-01引言焊接工艺是工业制造加工与设备安装中不可或缺的工艺技术，在工业制造加工与设备安装施工中占据重要地位。
随着社会经济的不断发展以及生产加工技术的不断创新，焊接逐渐呈现出高精度、大规模、高标准的发展态势。
对此，在焊接过程中，如何实现焊接应力与焊接变形的有效控制成为相关工作人员关注与研究的重点。
1焊接残余应力概述焊接作为船舶制造业的重要组成工艺，是运用加热等方式，将构件通过焊丝不可拆除地连接在一起的加工工艺。
由于瞬时高热量，构件在焊接过程中和焊接后将产生相当大的残余应力和变形，不但可能引起焊缝完全断裂，还会使船体结构强度变低。
所以，了解焊接残余应力的作用规律，懂得焊接残余应力的消除方法对船舶的设计建造有着重要意义。
焊接残余应力和变形是指随焊接热过程和冷却过程焊接材料和焊接结构随体积变化而出现相应变化的内应力和变形，焊接应力一般有以下三种：（1）纵向残余应力（平行于焊缝方向）。
焊缝中部为高的拉伸应力，其峰值可以达到屈服极限，而焊缝两端引弧和熄弧为下降的压缩应力。
（2）横向残余应力（垂直焊缝方向），是由焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩引起的焊接残余应力以及焊缝及其附近塑性变形区收缩的不同时性所引起的残余应力的综合。
焊接接头的残余应力分析与消除技术
焊接接头的残余应力分析与消除技术焊接是一种常见的金属连接方式，广泛应用于工业生产和建筑领域。
然而，焊接过程中产生的残余应力可能会导致接头的变形、开裂和失效等问题。
因此，对焊接接头的残余应力进行分析和消除具有重要意义。
一、残余应力的形成原因焊接接头的残余应力主要来自于以下几个方面：1. 热应力：焊接过程中，焊缝周围的金属受到高温热源的加热，然后迅速冷却。
由于不同部位的金属冷却速度不同，会导致金属产生热应力。
2. 冷却收缩应力：焊接完成后，焊缝周围的金属在冷却过程中会发生收缩，由于焊缝两侧的金属受到约束，会产生冷却收缩应力。
3. 相变应力：某些金属在焊接过程中会发生相变，如奥氏体转变为马氏体，这种相变会引起金属的体积变化，从而产生相变应力。
二、残余应力的分析方法为了准确分析焊接接头的残余应力，可以采用以下几种方法：1. 数值模拟方法：利用有限元分析软件，对焊接接头进行模拟计算。
通过输入焊接过程中的热源参数、材料性能等数据，可以得到焊接接头在不同位置和方向上的残余应力分布情况。
2. 应力测量方法：利用应变计、应力计等仪器对焊接接头进行实时测量。
通过测量焊接接头的应变或应力，可以得到残余应力的大小和分布情况。
3. X射线衍射方法：通过对焊接接头进行X射线衍射分析，可以得到焊接接头中晶体的应变情况。
从而可以推导出残余应力的大小和分布情况。
三、残余应力的消除技术为了消除焊接接头的残余应力，可以采用以下几种技术：1. 预热与后热处理：通过在焊接前后对接头进行适当的预热和后热处理，可以改变接头的冷却速度，从而减小残余应力的大小。
2. 机械加工：通过对焊接接头进行机械加工，如磨削、切割等，可以改变接头的形状和尺寸，从而减小残余应力的大小。
3. 热处理：通过对焊接接头进行适当的热处理，如回火、退火等，可以改变接头的组织结构和性能，从而减小残余应力的大小。
4. 残余应力退火：通过对焊接接头进行退火处理，可以使接头中的残余应力得到释放，从而减小接头的变形和开裂风险。
残余应力检测注意要点
残余应力检测注意要点残余应力检测仪所检测的应力为工件表层的残余应力，原理是采用钻孔进行应力释放，在应力释放过程中会造成局部区域发生应变，应变片检测其应变量，通过公式计算其残余应力值。
焊接件检测的表面应力情况一般为残余拉应力，即δ值为正。
我们焊接件一般采用Q235B材质，故一般未进行去应力退火的焊接件，其残余应力值不超过250Mpa。
1、所测残余应力的点的位置选取：①钻孔位置的孔应紧贴焊缝位置，保证所测点第一主应力方向与所测焊缝垂直，便于后面的数据分析②选取位置需保证面积大于应变片的尺寸，该面需平整，保证应变片能够贴平。
2、所测点位置的清洗：1）用抛光片进行表面打磨打磨时应注意：①所测点区域用抛光片轻轻打磨，打磨时间不可过长，打磨区域不允许过热。
②所打磨的深度不宜过深，只需将贴片的区域打磨平整,达到去除表面氧化层目的即可。
2）用400目砂纸进行表面打磨打磨目的：去除抛光片抛光所留下的痕迹，表面光滑平整便于应变片牢固3）清洗①清洗剂的选用应采用浓度为99%的无水乙醇或丙酮溶液。
②先用酒精将表面进行粗洗，去除表面油污等其他东西，再慢慢采用棉球进行擦拭，最终使棉球表面洁净为止。
目的：保证表面无油脂3、贴片①取出应变片，将应变片的细丝理顺便于后续贴片。
取出时只可用手触碰硬盘片细丝，不允许手接触应变片薄膜部分，防止手上油脂污染应变片导致所贴不牢。
②502胶水尽量选用品牌产品，目前采用禹王牌胶水比较牢固，若502胶水质量有问题会严重影响应变片的牢固性，导致检测数据异常，应变片上所滴502胶水适量，保证粘上后能够均匀覆盖整个应变片。
③应变片细丝的反面滴上502胶水后，放上所测位置后，用手指将应变片内多余的胶水与气泡挤出，聚乙烯薄膜（烟纸壳的塑料薄膜）可防止粘应变片，待胶水完全凝固后，将粘上的细丝理顺。
注意：理细丝时用力不可过大，防止细丝扯断。
保证各个细丝不相互接触，不与所测工件接触。
4、接线①按仪器的使用说明书将仪器的线路接好，温度传感器放于工件附近位置，在检测数据出来前不允许触碰或移动其位置。
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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
(ε1
+
ε3
)
±
2 4B
= ε1 + ε3 − 2ε2 ε1 − ε3
√ (ε1
−
ε2)2
+
(ε3
−
ε2)2
(1)
式中：ε1, ε2, ε3 分别为 0°, 45°, 90°应变片在试验中 测量得到的应变释放值；A, B 为应变释放系数；ϕ 为 主应力 σ1 与 0°应变片的夹角 (顺时针方向为正)；σ1， σ2 为残余主应力.
1 误差理论分析
1.1 钻孔法残余应力测量原理 参照图 1，钻孔法的原理为在待测位置钻一个
直径 2a 的小孔[11]，原始残余应力失衡而得到释放， 孔周边会产生应变释放而使材料发生轻微的形态 变化，根据测得的应变释放可以得到测量力误差因素分析
49
误差、贴片误差和应变读数取值时间误差传递到最终结果中的相对误差. 结果表明，由弹性模量误差传递到残余应
力 σ1，σ2 中的相对误差均很小；由贴片误差传递到残余应力 σ1，σ2 和 ϕ 角中的相对误差在贴片 24 h 后均降为 0%； 由应变取值时间误差传递到残余应力 σ1，σ2 和 ϕ 角中的相对误差在应变释放 150 min 后均降为 0%. 关键词： 钻孔法；误差；变极性等离子弧-熔化极气体保护复合焊接
收稿日期：2018 − 04 − 25 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51665044)
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.
中图分类号：TG 456.2
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2018390247
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
第 39 卷 第 10 期
焊接学报
2 0 1 8 年 1 0 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.39(10):048 − 053 October 2018
钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析
甘世明， 韩永全， 陈芙蓉
(内蒙古工业大学 材料成型重点实验室，呼和浩特 010051)
算，如式 (2) 所示，若采用盲孔法，其释放系数需要
通过标定试验来确定.
A
=
−
1+µ 2E
a2 r1r2
B
=
1 E
2a2 r1r2
[1+µ 4
×
a2
(r12
+
r1
r2
+
r2 2
)
r r2 2 12
] −1
(2)
式中：E 为材料弹性模量；μ 为材料的泊松比；r1, r2 为小孔中心到应变片近孔端和远孔端的距离； a 为小孔半径. 1.2 误差传递理论分析