DB43-T 2314-2022 特种设备焊接残余应力盲孔法测试方法

ICS25.160.40CCSA12特种设备焊接残余应力盲孔法测试方法TestmethodforweldingresidualstressofspecialequipmentbyblindholemethodIDB43/T2314—2022前言 Ⅲ 2规范性引用文件 3术语与符号 4工件准备 25应变花与仪器 35.1应变花几何形状 35.2标准应变花 35.3安装及使用 35.4仪器 46试验和测量 46.1试验技术 46.2应力测量 47计算方法 57.1计算步骤及过程 58孔边塑性变形的修正 58.1修正原理 58.2钻孔加工塑性应变修正法 58.3钻孔应力集中塑性应变修正法 59报告 79.1测试报告 7附录A（资料性）钻孔偏心的修正 8参考文献 DB43/T2314—2022本文件按照GB/T1.1—2020《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/T2314—20221特种设备焊接残余应力盲孔法测试方法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。SL499钻孔应变法测量残余应力的标准测试方法CB3395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Termsanddefinitions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Residualstressinweldingofspecialequipment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Weldinghighresidualstress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Stresscalibrationconstant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Releasestrain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。3.1.5钻孔Drillhole成孔转速在每分钟数千转，尤其指手电钻的加工方式。2DB43/T2314—20223.2符号和说明Symbolsanddescriptions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；Ε——均布应力释放应变；ν——泊松比；σx——x向均布正应力；σy——y向均布正应力；h——钻孔深度；σc——残余应力初算值；κ——残余应力初算值与试件屈服强度的比值。εd——因钻削加工引起的塑性应变；εe——纯弹性释放应变；εp——由应力集中引起的塑性应变。Q1、Q3——过渡系数；ε1e、ε3e——x，y方向应变花中的弹性释放应变。εxp、εyp——实测应变中x、y方向的塑性应变分量；ε,xp、εp——单向标定应变中x、y方向的塑性应变分量；σ——标定时的外加应力，其数值从零到材料的屈服点，N/mm2；εs——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Ra3.2～6.4，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SL499。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1。详细钻孔步骤见SL499。DB43/T2314—202235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，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/T2314—202245.3.3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DGLbGWbR1bD0.309DD0.309Da直径为mm，括号中数据为英寸。5.4仪器电阻应变仪的精度应不低于±1×10-6，测量稳定性和重复性应高于±1×10-6。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ε1，ε2和ε3表示，操作步骤见SL499。6试验和测量6.1试验技术6.1.1不确定的钻孔测试技术操作规程易导致不精确的测试结果，详细钻孔步骤见SL499。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/T2314—20225 DB43/T2314—20226.2.4采用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CB3395，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εd和εp的确定是提高测量精度的关键。在所测量的总应变ε中，包含如公式（1）所示的三部分应变：p„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（1）8.2钻孔加工塑性应变修正法对无应力试样按本文件方法钻孔测定εd，然后从测量的总应变ε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8.3.1.1A、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。By)y4AB„„„„„„„„„„„„„„„（2）yy-A(εx-εy)]4AB„„„„„„„„„„„„„„„（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）。y,p}„„„„„„„„（4）-εy,p)-εy,p)}„„„„„„„„（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。p,)„„„„„„„„„„„„„„„„„（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m＞1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/T2314—20226当m＜1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m＞1和m＜1的情况，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。8.3.1.2A、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εx、εy，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σx、σy，其中任一个超过第一级A、B应用范围时，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。8.3.1.2.4A、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2A、B系数分级荐用值及其使用条件D0h(μc)1+++2-+--+-3++ DB43/T2314—202279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/T2314—20228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±（0.004～0.05）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、R2、R3变成R(、R:、R;，并与花心到应变花中心的连线形成α1、α2、α3角。同时应变释放系数A值、B值也因距离的变化而变成A1、B1，A2、B2，A3、B3。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ε1，ε2和ε3。A.4用刻度显微镜（最小读数为0.01mm）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R'、R:、R;：„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.3）DB43/T2314—20229 DB43/T2314—2022A.6按公式（A.4）、公式（A.5）计算3个应变花的应变释放系数A1、B1，A2、B2，A3、B3：)/2σ„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.4）13)/2σ„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.5）A.7按公式（A.6公式（A.8）计算α1、α2、α3，然后按公式（A.9公式（A.11）计算Y1、Y2、：α=arctan„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.6）α3=arctan„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.8）Y1=β1„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.9）Y2=45(β+α2)„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.10）Y3=90(β+α3)„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（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：ε1,=ε1cosα1„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.12）ε2,=ε2cosα2„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（A.13）ε3,=ε3cosα3„„„