小孔法测残余应力

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1、天津大学2006届本科生毕业设计（论文）第四章实验原理、方法及结果分析焊接残余应力和变形的存在是影响结构或构件脆性断裂强度、疲劳强度、结构稳定性等的重要因素。对于管道结构而言，在内表面存在的拉伸残余应力是导致管道发生应力腐蚀开裂的主要原因之一。实际测量残余应力的方法有很多种，概括起来为两类，即具有一定损伤性的机械释放测量方法和无损伤性的测量方法。本研究在现有条件下，选择技术上比较成熟、国内外广泛应用的测试方法，即利用盲孔法测量了高频焊管道焊接接头纵焊缝的残余应力。小孔法的原理是在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应力将重新

2、调整；测得孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理来推算出小孔处的残余应力。具体步骤如下：在离钻孔中心一定距离处粘贴几个应变片，应变片之间保持一定角度。然后钻孔，测出个应变片的应变增加量读数。本法在应力释放中对工件的破坏性最小，可钻φ1-3mm盲孔，孔深达（0.8-1.0）D时各应变片的读数即趋于稳定。小孔法结果的精确性取决于应变片粘贴位置的准确性。孔径越小堆相对位置的准确性要求越高。在钻孔时，为防止孔边产生附加的塑性应变，可采用喷沙射流代替钻削。本法也可用表面涂光弹性薄膜或脆性漆来测定应变，但后者往往是定性的4.1盲孔法测量残余应力

3、的基本原理、步骤及仪器设备[4]由于焊件内部存在残余应力场，在应力场内任意处钻一个一定直径和深度的盲孔后，该处金属连同其中的残余应力即被释放，使原有残余应力场失去平衡。这时盲孔周围将产生一定量的释放应变，其大小与被释放的应力是相当的。测出这种释放应变值，即可利用相应的计算公式，确定测点处的原始残余应力大小。钻孔前将0°—45°—90°的应变花粘贴在孔的周围如图4-1所示。X方向为平行于焊缝方向，Y方向为垂直于焊缝方向。图4-1　　应变片示意图21天津大学2006届本科生毕业设计（论文）在本项目中的残余应力测试中，使用的应变仪为YJ-5型

4、静态电阻应变仪，钻孔仪为H6859小型台钻。应变片是由陕西汉中第五二一厂生产的型号为BE120-2CA-A的三轴电阻应变花，其电阻值为120.1±0.25%，灵敏系数为2.20±1%。试验中采用了直径为1.5mm的钻头。测量过程如下：第一步：将待测部位用砂布由粗到细打磨光滑露出金属光泽，再用金相砂纸细磨至表面光亮；用脱脂棉球分别沾以丙酮和酒精清洗，清除焊管表面的杂质和氧化物，直到准备粘贴应变片的部位干净为止。第二步：将502速干胶均匀涂于贴片位置和片基背面，迅速把应变片粘在所需位置，轻压使其与工件表面紧密结合，经过一段时间使其阴干。第三

5、步：将应变片末端引线与应变测量仪连接的导线焊接。注意应使所有应变片的导线长度保持一致，以免由于产生电阻值的差异。将应变仪调零，用万用表检查应变片与工件绝缘程度和阻值变化情况。第四步：用直径为1.5mm的钻头在应变片中心处打出1.5mm的盲孔。打孔时应尽量对中应变片中心。实验设备如图3与图4所示，第五步：将测得的对应孔区释放的应变值数据代入公式(4-1)至(4-2)，计算主应力的大小和方向。各应力测定点位置如图4-2所示。径向轴向焊缝·············W1W1W2W3F1F1F2F3H1H2H3B1B1B2B3补偿片图4-2　　小

6、孔法测量残余应力测点布置图平行于焊缝的方向为轴向，垂直于焊缝的方向为环向。为了获得较为精确的测量结果，应对孔边塑性变形进行了修正。修正办法：在管道的无残余应力部位采用完全相同的测量工具和过程，获得相应孔边塑性变形造成的应变量，把测量21天津大学2006届本科生毕业设计（论文）　图3　　实验用高频焊管及小型台钻图4　　静态电阻应变仪的应变数据都减去相同的修正值，得到最终的修正后的应变量。所使用钻头的直径D为1.5mm。采用的残余应力计算式如下：（4-1）（4-2）式中，，是与孔径有关的经验表达式，。ε1，ε2，ε3为三个应变片所记录的释放

7、应变。最大主应力方向：（4-3）通过式（4-4）、（4-5）可得到所测点的环向残余应力σHoop和轴向残余应力σAxial：σHoop=σmaxcos2φ+σminsin2φ（4-4）（4-5）σAxial=σmaxsin2φ+σmincos2φ21天津大学2006届本科生毕业设计（论文）表1　　高频焊管道接头纵焊缝残余应力测试及计算结果测点编号离焊缝中心距离（mm）e1/mee2/mee3/mesx/MPasy/MPaW10-186518.21-133.4W20-15-18-2022.98-134.7W30-26-21220.42-1

8、43.1F110-54-72749.35-11.05F210-27221824.41-13.42F310-222-527.42-16.80H12044-11380-32.95-22.61H220221714