1、Test method for welding residual stress of special equipment by blind hole method特种设备焊接残余应力盲孔法测试方法发 布 湖南省市场监督管理局 43湖南省地方标准ICSCCS 25.160.40A 12DB43/T2314 2022 2022-05 发 布-06 2022-08 实 施-06DB43/T 2314 2022 I 目 次 前言 1 范围 1 2 规范性引用文件 1 3 术语与符号 1 4 工件准备 2 5 应变花与仪器 3 5.1 应变花几何形状 3 5.2 标准应变花 3 5.3 安装及使用 3
2、5.4 仪器 4 6 试验和测量 4 6.1 试验技术 4 6.2 应力测量 4 7 计算方法 5 7.1 计算步骤及过程 5 8 孔边塑性变形的修正 5 8.1 修正原理 5 8.2 钻孔加工塑性应变修正法 5 8.3 钻孔应力集中塑性应变修正法 5 9 报告 7 9.1 测试报告 7 附录A（资料性）钻孔偏心的修正 8 参考文献 10 DB43/T 2314 2022 II DB43/T 2314 2022 III 前 言 本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专
3、利的责任。本文件由湖南省市场监督管理局提出。本文件由湖南省特种设备标准化技术委员会归口。本文件起草单位：湘潭大学、湖南省特种设备检验检测研究院、岳阳市公路桥梁基建总公司、湘潭新力机械有限公司。本文件主要起草人：马雯波、罗更生、余启钧、刘丽红、吴丹红、邹石桥、李昱洋、吴新伟、黄河、李检保、邵支农、林稳、许福、陈俊、杨才千、张衡、向丽、曾凡小、袁朝阳、罗奇志、王观次、郭跃飞。DB43/T 2314 2022 IV DB43/T 2314 2022 1 特种设备 焊接残 余应力盲 孔法测 试方法 1 范围 本文件规定了在特种设备金属材料焊接件近表面测定特种设备焊接残余应力（高残余应力）的测试步骤及计
4、算方法。本文件适用于可消耗或小浅孔不影响使用的特种设备焊缝处进行平面应力梯度较小的焊接残余应力测定。2 规 范性 引用 文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。SL 499 钻孔应变法测量残余应力的标准测试方法 CB 3395 残余应力测试方法钻孔应变释放法 3 术 语与 符号 3.1 术语与 定义 Terms and definitions 下述术语和定义适用于本文件。3.1.1 特种设 备焊 接残 余应 力 Residual stress i
5、n welding of special equipment 特种设备在焊接过程中产生的局部残余应力。3.1.2 特种设 备焊 接高 残余 应力 Welding high residual stress 特种设备在焊接过程中产生大于焊接部位材料1/2屈服强度的局部残余应力。3.1.3 应力标 定常 数 Stress calibration constant 关联特种设备焊接残余应力和释放应变的比例系数。在钻孔应变法中，与电阻应变计几何尺寸、粘贴位置、孔的形状和大小有关。3.1.4 释放应 变 Release strain 对具有焊接残余应力场的特种设备结构件钻孔，其钻孔前后应变的变化量。3.1
6、.5 钻孔 Drill hole 成孔转速在每分钟数千转，尤其指手电钻的加工方式。DB43/T 2314 2022 2 3.2 符号和 说明 Symbols and descriptions 下述符号和说明适用于本文件。D 测量圆直径；D0 钻孔直径；E 杨氏模量；均布应力释放应变；泊松比；x x向均布正应力；y y向均布正应力；h 钻孔深度；c 残余应力初算值；残余应力初算值与试件屈服强度的比值。d 因钻削加工引起的塑性应变；e 纯弹性释放应变；p 由应力集中引起的塑性应变。Q1、Q3 过渡系数；1e、3e x，y方向应变花中的弹性释放应变。xp、yp 实测应变中 x、y方向的塑性应变分量；
7、xp、yp单向标定应变中 x、y方向的塑性应变分量；标定时的外加应力，其数值从零到材料的屈服点，N/mm2；s 标定材料的屈服应变。4 工 件准 备 4.1 安装应变花的表面应打磨抛光，使用粒度60目砂布打磨除锈，再用 100目砂布打磨，表面粗糙度达到 Ra3.26.4，面积不小于应变花面积的四倍，且不应采用明显改变测试表面应力状况的刮磨或研磨。4.2 粘贴应变花前的表面预处理应符合粘贴应变花的胶粘剂说明书要求，且应进行彻底的清洗和脱脂。表面预处理应严格限制，不应使用明显改变表面残余应力状况的方法。详细测量过程见 SL 499。4.3 对特种设备受试工件，应在应变花中心处上钻一通孔，应变花见图
8、1。详细钻孔步骤见 SL 499。a）A 型应变花 b）B 型应变花 c）C 型应变花 图 1 钻孔 应变 花 DB43/T 2314 2022 3 5 应 变计 与仪 器 5.1 应变 花几 何形 状 5.1.1 应变花应包含3只或 3 对应变计，应变计的编码应遵循顺时针（CW）编码规则。5.1.2 应变计应阵列于圆形图样上，与应变花中心等距离。5.1.3 应变计应分别对应于3 个坐标方向，如图2所示，“1”为基准方向，“2”为与基准方向成 45或 135夹角的方向，“3”为基准方向的垂直方向。方向“2”在方向“1”和方向“3”的角平分线上。5.1.4 图2中应变计l的方向定义为测试方向的
9、x轴，y轴为x 轴逆时针旋转90。5.1.5 应变花测量圆的中心应能清晰可辨。a）应变花布置 b）应变计详图 GL应变计长度；GW应变计宽度 图2 典型3 单 元顺 时针 编码规 则应 变花 几何 尺寸 5.2 标准 应变 花 5.2.1 国内通用标准应变花如图 1所示，其对应尺寸见表 1。5.2.2 图1中A型应变花有几种不同的几何尺寸，为通用类型。5.2.3 图1中B型应变花的应变计都位于同一侧，适用于障碍物附近的测试。5.2.4 图1中C型应变花为特殊用途应变花，适用于应变灵敏度和热稳定性要求较高的测试。5.3 安装 及使 用 5.3.1 应变花应粘贴于离测试工件边沿至少1.5D的位置，
10、或由多种材料组成的工件的材料分界线上。5.3.2 使用 B型应变花在障碍物附近进行测试，应变花中心距障碍物应不小于 0.5D，且各应变计应处于障碍物切线的法线上。DB43/T 2314 2022 4 5.3.3 操作应变计（粘贴、焊引线、防护涂层）时应严格按照出厂说明书操作，并在钻孔过程中保护好应变计。5.3.4 应变计应保证永久性连接，应确认其安装稳定性。接地绝缘电阻应不小于20000。5.3.5 应变计安装完毕后应进行检查。表 1 应变 花直 径 应变花类型 D GLb GWb R1b R1b A 型 尺寸 D 0.309D 0.309D 0.3455D 0.6545D 0.79mm（1/
11、32in）2.57（0.101）0.79（0.031）2.57（0.101）0.89（0.035）1.68（0.066）1.59mm（1/16in）5.13（0.202）1.59（0.062）1.59（0.062）1.77（0.070）3.36（0.132）3.18mm（1/8in）10.26（0.404）3.18（0.125）3.18（0.125）3.54（0.140）6.72（0.264）B 型 尺寸 D 0.309D 0.223D 0.3455D 0.6545D 1.59mm（1/16in）5.13（0.202）1.59（0.062）1.14（0.045）1.17（0.070）3.36（
12、0.132）C 型 尺寸 D 0.176D 30扇形 0.412D 0.588D 1.59mm（1/16in）4.32（0.170）0.76（0.030）30（30）1.78（0.070）2.45（0.100）a 直径为 mm，括号中数据为英寸。b 应变花直径为图2 中定义的尺寸。5.4 仪器 电阻应变仪的精度应不低于110-6，测量稳定性和重复性应高于110-6。连接每只应变计的导线应尽可能短，且 A型和B型应变花应采用三线温度补偿电路，C型应变花应采用半桥电路，输出结果以指定的 1，2和 3表示，操作步骤见 SL 499。6 试 验和 测量 6.1 试验 技术 6.1.1 不确定的钻孔测试
13、技术操作规程易导致不精确的测试结果，详细钻孔步骤见SL 499。6.1.2 在条件达到的情况下，应对盲孔法与其他技术进行验证，进行不确定性分析，以确定和量化其测量不确定度。6.1.3 小尺寸的应变花可测量近表面的残余应力值。6.2 应力 测量 6.2.1 将粘贴好电阻应变花的特种设备工件安装在试验机上，并将测量导线接至应变仪上调零。然后进行钻孔，待孔的直径和深度达到要求时，记录其应变读数。6.2.2 使用钻孔方法，在不产生明显的加工应力状况下，整个孔深范围内测定的残余应力偏差应不超过10。6.2.3 保证测试环境稳定、读数精准、应变计完好。DB43/T 2314 2022 5 6.2.4 采用
14、 6单元的C型应变花，用于重要测量和低传导率材料的测量。7 计 算方 法 7.1 计算 步骤 及过 程 详细计算步骤见CB 3395，计算过程中对偏心孔残余应力的修正见附录 A。8 孔 边塑 性变 形的 修正 8.1 修正 原理 8.1.1 特种设备因其材料、结构的特殊性，在焊接过程中易产生较高的焊接残余应力。在盲孔法测试方法中，通常将焊接高残余应力导致的塑性变形视为弹性变形，导致测量数据精度较低。因此钻削加工和钻孔应力集中引起的塑性应变 d和 p的确定是提高测量精度的关键。在所测量的总应变 中，包含如公式（1）所示的三部分应变：=d e p（1）8.2 钻孔 加工 塑性 应变 修 正法 对无
15、应力试样按本文件方法钻孔测定 d，然后从测量的总应变 中将其减去。8.3 钻孔 应力 集中 塑性 应 变修正 法 8.3.1 应 变释 放系 数分 级 计算法 8.3.1.1 A、B 系数分级的依据。当残余应力的方向已知时。用公式（2）和公式（3）计算残余应力。4x x y x yB A AB（2）4y x y x yB A AB（3）在弹性范围内，应变释放系数A、B均为常数。而当孔边材料屈服时，塑性应变的数值随应力水平变化，A、B也将有一系列数值，公式（2）和公式（3）可改写为公式（4）和公式（5）。2 2 2x xp yp xp yp s xp yp s xp yp（4）2 2 2y xp
16、 yp xp yp s xp yp s xp yp（5）从公式（4）和公式（5）可以看出，测量误差的大小决定比值 m。y xp yp xp pm（6）公式（6）中的分子项是实测时的释放应变量，分母项为标定时的释放应变量。当 m=1 时，实测的和标定时的塑性应变相等，在运算中塑性应变可以基本消除，计算的应力值即为残余应力的真实值。当 m1时，实测应变中的塑性应变大于、中的塑性应变，计算应力值大于真实应力值，测量结果有一定的误差。DB43/T 2314 2022 6 当 m1 时，实测应变中的塑性应变小于 A、B 中的塑性应变，计算应力小于真实应力，测量结果具有一定的负偏差。对于 m1和 m1的情
17、况，为便于使用，可将应变释放系数 A、B按应力水平分为若干等级使用，以降低实测中塑性应变的影响，提高测量精度。8.3.1.2 A、B 系数分级计算方法。根据标定时的应力档次及塑性变形量的大小，将 A、B系数分四级。A、B分级数值及其使用条件见表 2。8.3.1.2.1 对实测应变 x、y，先用公式（2）、公式（3）及表 2中与孔径相对应的第一级 A、B 计算，得出残余应力初算值。8.3.1.2.2 根据初算值在表 1 中对应的数值范围，换用与之相对应的 A、B 重新进行计算，第二次计算的结果，即为经过修正的残余应力值。8.3.1.2.3 残余应力初算值 x、y，其中任一个超过第一级 A、B 应
18、用范围时，应换用与初算值相应的 A、B 值进行第二次计算，如果两个数值同时超过，则应根据绝对值最大值选用与之相对应的 A、B值进行第二次计算，所得结果即为修正后的实际应力值。8.3.1.2.4 A、B分级计算法，一般应进行两次计算，当测量应变中不含塑性应变时，初算值即为真实应力值则可不进行第二次计算。表2 A、B 系 数分 级荐 用 值及其 使用 条件 电阻栅基 孔径 D0（mm）孔深 h（mm）h/D0 孔片 中心距（mm）残余应力初算值与试件屈服强度的比值(c/s)应变释放系数 钻削应变修正(c)应变花 型号 长宽（mm）阻值（）A（10-7mm2/N）B（10-7mm2/N）1 11 1
19、20 1.5 2.0 1.33 2.5 0 1-946.046+3180.25-4025.54+2465.23-750.712+104.87-18.829-1211.46+3171.75-3358.44+1818.23-513.542+68.932-40.437 35 2 1.31.5 120 1.5 2.0 1.33 3.0 0 1-3854.56+115875-134684+7665.33-2207.12+296.96-31.658-4298.86+122135-136604+7582.73-2152.92+287.86-53.577 35 3 3.11.8 120 1.5 2.0 1.3
20、3 5.0 0 1-768.646+1774.65-1512.84+594.23-107.782+7.8592-23.62-2178.86+5494.35-5524.74+2801.73-740.482+93.984-48.701 35 注：用麻花钻头钻孔时，h/D0=1.151.20。DB43/T 2314 2022 7 9 报告 9.1 测试 报告 测试报告应包括以下内容：a）测试特种设备的描述；b）材料机械性能；c）应变花的型号，几何形状及粘贴位置；d）钻孔方法及孔径、孔深；e）释放应变值；f）应变释放系数A、B值；g）应力计算结果；h）误差分析。DB43/T 2314 2022 8 附
21、 录 A（资料 性）钻孔偏 心的 修正 A 钻孔 偏心 的修 正 A.1 为了保证测量精度，要求应变花测量中心与钻孔中心完全重合。当钻孔中心与应变花中心的不重合度误差在（0.0040.05）D，且不可重复测量时，可按本方法进行修正其近似值。A.2 当测量残余应力采用直角应变花时，若钻孔有偏心，如图A.1所示，孔心与应变花心偏离为 e，则以孔心 O为原点的坐标系 X、Y，以花心 O 的坐标系为 X、Y。此时，孔心与应变花中心的距离由1R、2R、3R 变成1R、2R、3R，并与花心到应变花中心的连线形成1、2、3 角。同时应变释放系数A 值、B值也因距离 的变化而变成1A、1B，2A、2B，3A、
22、3B。图A.1 钻 孔偏 心的 坐标 系 A.3 按中心钻孔法测量各应变花的释放应变1，2 和3。A.4 用刻度显微镜（最小读数为 0.01 mm）测量孔心到应变花中心距离在 X轴、Y 轴方向上的分量 x值、y值。A.5 按公式（A.1）公式（A.3）计算孔心到3个应变花中心的距离1R、2R、3R：2211=R R x y（A.1）222 2 2=0.707 0.707 R R x R y（A.2）2233=R x R y（A.3）DB43/T 2314 2022 9 A.6 按公式（A.4）、公式（A.5）计算3个应变花的应变释放系数1A、1B，2A、2B，3A、3B：132 A（A.4）1
23、32 B（A.5）A.7 按公式（A.6）公式（A.8）计算1、2、3，然后按公式（A.9）公式（A.11）计算1、2、3：11=arctanyRx（A.6）2220.707=arctan0.707 4RyRx（A.7）33=arctanxRy（A.8）11=（A.9）22=45（A.10）33=90（A.11）A.8 按公式（A.12）、公式（A.14）计算偏心时各应变花的径向应变：1 1 1=cos（A.12）2 2 2=cos（A.13）3 3 3=cos（A.14）A.9 按公式（A.15）、公式（A.18）计算 H、M、P、Q：1 1 1cos2 H A B（A.15）1 1 1co
24、s2 M A B（A.16）3 3 3cos2 P A B（A.17）3 3 3cos2 Q A B（A.18）式中：H、M、P、Q 假设的过渡系数。A.10 按公式（A.19）、公式（A.20）计算偏心钻孔时的残余应力：1 3 1=M Q MP QH（A.19）2 1 3=P H MP QH（A.20）DB43/T 2314 2022 10 参 考 文 献 1 GB/T 313102014 金属材料 残余应力测定 钻孔应变法 2 ASTM E251 粘贴式电阻应变计性能特性试验 3 米谷茂.残余应力的产生与对策M.北京:机械工业出版社,1983.4 袁发荣,伍尚礼.残余应力的测试与计算M.长
25、沙:湖南大学出版社,1987:53-69.5 宋天民.焊接残余应力的产生与消除M.北京:中国石化出版社.2005.6 马雯波,陈曙光,刘芸琼等.盲孔法中应变释放系数的有限元模拟标定J.焊接学报,2011,32(02):97-100+118.7 赵海燕,裴怡,史耀武等.用小孔释放法测量焊接高残余应力时孔边塑性变形对测量准确度的影响及修正方法J.机械强度,1996,18(3):17-20.8 蒋刚,谭明华,王伟明,何闻.残余应力测量方法的研究现状J.机床与液压,2007,35(6):213-220.9 王楠,罗岚,刘勇,等.金属构件残余应力测量技术进展J.仪器仪表学报,2017,39(10):2508-2517.10 沈军,林波,迟永刚,等.残余应力物理法测量技术研究状况J.材料导报,2012,26(S1):120-125.11 翟传明,邸小坛,白伟亮,等.盲孔法检测既有金属结构应力的研究J.建筑科学,2011,27(s1):116-120.
