一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置，该方法先将试样经过适当打磨擦拭预处理，并采用铝箔作为过渡带牢固粘贴到切割路径上，采用专用的直线型慢走丝线切割装置，将粘有过渡带的试样沿待测面切开后，使用激光轮廓仪扫描切割面获得变形轮廓数据，经过数据处理得到应力释放前后切割面上各点的位移变化。利用应力‑应变的关系采用有限元分析后最终获得整个截面的残余应力分布状况。该测试方法可以获得整个截面的应力分布状况，且对测试构件无形状材料等方面的要求，具有经济高效，操作简单的特点。方法中过渡带的使用降低了边界效应的影响，提高了测试精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置
本专利技术涉及残余应力检测领域，具体地说是涉及一种结构内部残余应力的测试方法和相应的测试装置。
技术介绍
残余应力是威胁服役构件安全性的主要因素，它不仅会降低构件的强度，产生变形、裂纹等缺陷；还会降低材料的断裂韧性、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能，与外载荷相互叠加之后，会大大增加设备失效风险。在能源、化工、航天、交通等服役环境比较复杂和恶劣的领域，倘若残余应力没有得到有效的检测和控制，往往会造成难以估计的经济和社会损失。因此，需要利用残余应力测量技术准确检测构件应力状态，以对其安全性能和使用寿命进行评估。常用的测量方法主要分为机械法和无损检测法两大类：机械法是利用应力释放与应变的关系，通过机械方法去除一部分材料使剩余部分在残余应力作用下产生形变，利用一定手段获取变形量，最后利用弹性力学方法计算得到初始应力状态。它们的优点是测量误差小，精度高，技术成熟，测试理论完善，广泛应用在现场测试。机械法的典型代表有钻孔法、环芯法、深孔法、裂纹柔度法、层削法等。无损检测法通常是利用物理方法将材料内部应力状态与某种物理性质建立关联，通过测量材料物理性质的变化来计算得到应力或应变状态。无损检测最大的优势在于不会对试件产生破坏，但一般依赖于昂贵的检测设备和严苛的检测条件。典型的无损检测方法有X射线衍射法、中子衍射法等。下面列举几种常用残余应力测试方法：(1)钻孔法的测试过程如下：在待测试样上钻一小孔，孔周围应力得到释放，根据事先粘贴在小孔周围的应变片测量的孔周围应变计算出应力。根据是否钻通试样又分为通孔法和盲孔法。钻孔法损伤范围小、操作简单、设备费用低、测量精度高，因此被广泛应用于工程上测量表面残余应力。但由于钻孔直径小，应力释放有限，只适用于小范围的测量。并且标准中规定钻孔法测试残余应力范围不应超过材料屈服强度的一半，对于较高水平的焊接残余应力的测量会存在较大误差。(2)环芯法也广泛应用于残余应力测试，测试时在工件表面加工一个环形槽，中间区域即为环芯。随着环槽材料的去除，环芯部位应力得以释放而产生变形，利用粘贴在环芯表面的应变测量环芯部位的应变即可计算出局部应力大小。环形槽内径约为15～150mm，深度约为内径尺寸的25％～150％。环芯法的优点在于可测应变范围大，且应变易于检测。(3)深孔法是结合钻孔法和环芯法而专利技术的一种新型残余应力测试方法。测量时在试样上钻一个直径很小的小孔(一般低于3mm)，精确测量出小孔的直径，然后以小孔为中心加工一个环槽，与环芯法相似，应力释放导致小孔的内径发生变化，通过测量小孔在某一深度不同方向的直径变化来获得应变数据，进而计算得到残余应力分布。深孔法的优势在于可以测出工件内部较深的残余应力，并对小孔深度各个方向的应力进行测量。但测试结果仅为局部应力，对于大型或应力分布不均的试样需要进行多次钻孔测量，操作较为繁琐。(4)裂纹柔度法是一种基于断裂力学原理的测量手段。测试方法是在待测试样(通常是板材)表面加工一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应力，利用表面粘贴的应变片测量对应的应变随裂纹深度的变化来计算残余应力。但前提是假设试样为均匀材料，且残余应力只沿厚度方向改变，同一板厚上长度和宽度方向的应力均保持不变。(5)层削法与裂纹柔度法一样需要假设残余应力在同一厚度上均匀分布。利用机械或者化学等方法在待测试样表面去除一层材料，剩余部分的应力平衡状态发生改变，应力重新恢复平衡会引起试样变形，该部分形变大小取决于被去除部分的残余应力，通过粘贴在背面的应变片测出变形量即可反推得到被去除部分的应力。沿试样厚度方向逐层去除材料就可以得到整个厚度方向的残余应力分布。该方法主要适用于板、梁类工件的内部残余应力测试，一般无法用于表面残余应力的测量。(6)X射线衍射法是一种目前广范应用，具有成熟技术，可靠性较高的无损检测方法。利用材料微观晶体结构的衍射现象测量有应力与无应力状态时晶格面间距的改变量，进而计算应变和应力的大小，由于X射线穿透能力有限，一般有效测量深度约20μm。(7)中子衍射法和X射线衍射法原理相类似，都是利用衍射现象来反应晶格面间距的改变，从而计算残余应力。由于中子的穿透能力远远大于常规X射线，可以测量试样内部应力状态，深度可达几十毫米。但缺点在于中子获取困难，需要核反应堆的支持，测试成本非常高，因此难以作为工程实践中的有效检测手段，但因其准确性较高，作为研究手段也必不可少。表1对上述几种测试方法进行了对比。表1综上所述，测试结构内部应力就已经是一个棘手问题，而获取内部应力的分布情况更是一大难题。轮廓法理论上不仅可以测试构件内部残余应力，而且可获得整个截面的应力分布全貌。对于形状不规则、材料不均匀以及内部应力状态复杂多变的构件，轮廓法仍然适用，而其它测试方法则难以实现。轮廓法基本原理如图1所示：将待测试样沿着需要测定应力的平面一次性切开成为两半。切割面在自由状态下由残余应力释放产生变形，导致切割面形成两个相似的曲面，测量切割面各点的纵向位移，得到与应力相关联的变形数据，将这部分变形作为位移边界条件施加到有限元模型上，所需要的力即为切割前该平面上的原始残余应力分布。这里需要假设切割面的变形位移是由残余应力弹性释放造成的，以及切割过程中不会引入装夹、温差等干扰应力。轮廓法相对于其它测试方法虽然具有诸多优势，但通过实验发现仍然存在以下问题有待解决：(1)理想的切割面难以获得。由残余应力引起的轮廓面变形位移在几十微米左右，切割精度需要保证在微米级以确保不影响对有效轮廓的分析。而国内大部分采用的是快走丝和中走丝型线切割机，其往复式的走丝方式以及多次切割以达到精度要求的加工方式不符合轮廓法要求(往复走丝会导致切割条纹产生，多次切割会损毁有效变形轮廓)；而高精度的慢走丝线切割机又由于其几倍甚至几十倍于普通线切割机的成本而大大提高了使用门槛。(2)轮廓测量一般采用三坐标测量仪(CMM)对切割面进行坐标测量。该方法有以下缺点：a.接触式测量难免引入接触应力，对于应力水平较低的试样或试样局部影响十分显著，不可忽略；b.采用逐点测量的方式需要耗费大量时间以采集足够的轮廓数据，测量效率非常低；c.长时间测量需要严格控制室温，防止温度变化导致试样产生额外温差应变；d.需要考虑探头尺寸的影响，对于小尺寸试样难以测得足够的轮廓数据等。(3)通过对比有限元计算方法、中子衍射法和轮廓法的实验结果发现，轮廓法得到的结果在表层2-3mm区域误差较大，分析认为是边界效应所致。边界效应是指切割丝在进入和离开工件时由于电场突变以及切割丝震颤等原因导致的工件切割面边缘部位不平整的现象，且通常是过切，后果是得到的轮廓相对于实际变形更凹，计算后得到的应力值偏小甚至出现较大的压应力。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种基于轮廓法测试残余应力的方法及配套装置。本专利技术所采用的技术解决方案是：一种用于残余应力测试的直线慢走丝切割装置，包括床身，在床身上设置有走丝系统和用于放置工件的坐标工作台；所述走丝系统包括储丝筒、滑轮组、恒张力机构、上导丝器、下导丝器和收丝筒，储丝筒中的电极丝依次经过滑轮组、恒张力机构、上导丝器和下导丝器后，由收丝筒缠绕收起，上导丝器设置在下导丝器的正上方，上导丝器、下导丝器和恒张本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于残余应力测试的直线慢走丝切割装置，其特征在于：包括床身，在床身上设置有走丝系统和用于放置工件的坐标工作台；所述走丝系统包括储丝筒、滑轮组、恒张力机构、上导丝器、下导丝器和收丝筒，储丝筒中的电极丝依次经过滑轮组、恒张力机构、上导丝器和下导丝器后，由收丝筒缠绕收起，上导丝器设置在下导丝器的正上方，上导丝器、下导丝器和恒张力机构均固定在线架上，线架固定在立柱上；所述坐标工作台位于下导丝器的下方，坐标工作台与用于驱动其沿工件进给方向运动的步进电机传动连接，电极丝在走丝系统控制下匀速单向通过工件切缝。

【技术特征摘要】
1.一种用于残余应力测试的直线慢走丝切割装置，其特征在于：包括床身，在床身上设置有走丝系统和用于放置工件的坐标工作台；所述走丝系统包括储丝筒、滑轮组、恒张力机构、上导丝器、下导丝器和收丝筒，储丝筒中的电极丝依次经过滑轮组、恒张力机构、上导丝器和下导丝器后，由收丝筒缠绕收起，上导丝器设置在下导丝器的正上方，上导丝器、下导丝器和恒张力机构均固定在线架上，线架固定在立柱上；所述坐标工作台位于下导丝器的下方，坐标工作台与用于驱动其沿工件进给方向运动的步进电机传动连接，电极丝在走丝系统控制下匀速单向通过工件切缝。2.根据权利要求1所述的一种用于残余应力测试的直线慢走丝切割装置，其特征在于：所述收丝筒与带动其转动的旋转电机传动连接，通过旋转电机控制电极丝的走丝速度，通过储丝筒和恒张力机构控制电极丝张力，滑轮组包括若干个导向滑轮，通过导向滑轮确保电极丝传动稳定连续，通过上导丝器和下导丝器保持电极丝稳定，防止抖动与偏移。3.根据权利要求1所述的一种用于残余应力测试的直线慢走丝切割装置，其特征在于：所述电极丝选用直径0.1mm的黄铜丝。4.一种用于残余应力测试的激光轮廓测量装置，其特征在于：包括工作台和激光测距仪，激光测距仪设置在工作台的上方；激光测距仪安装在Y直线导轨上，激光测距仪与用于带动其沿Y直线导轨移动的Y丝杠连接，Y丝杠与Y直流电机传动连接；工作台安装在X直线导轨上，工作台与用于带动其沿X直线导轨移动的X丝杠连接，X丝杠与X直流电机传动连接；所述Y直线导轨、Y直流电机、X直线导...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文春，彭伟，万娱，涂善东，孙光爱，李建，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37