CH647074A5 - Verfahren zum messen der oberflaechenspannung auf einem gegenstand zur ermittlung von restspannungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung wird nun mit weiteren Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausfüh-

35 rungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Draufsicht auf ein Spannungsmessgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen zum Lochschmelzen mit einer rosettenartigen Anordnung der Oberflächenspannung auf einem Gegenstand zur Ermitt- von drei Elementen.

lung von Restspannungen. Figur 2 ist eine Schnittansicht durch eine Reaktorleitung

In der Vergangenheit sind alle Restspannungs- oder In- 40 und zeigt einen Laser und optische Geräte zum lokalen nenspannungsmessungen unter Verwendung zerstörender Schmelzen für eine Restspannungsmessung auf der inneren

Techniken durchgeführt worden. Alle Messmethoden erfor- Oberfläche der Leitung.

derten die Spannungsentlastung einer Probe, und dies bedeu- Figur 3 ist ein schematisches Blockdiagramm von der La-

tete ausnahmslos, dass die Probe aufgeschnitten wurde durch ser-Spannungsmesseinrichtung.

Lochbohren, Bearbeitung durch elektrische Entladung, Sand- 45 Figur 4 ist ein Kurvenbild der Spannung über der Zeit für blasen oder Hohlbohren. Das Lochbohren ist das üblichste ein einzelnes Messelement.

Verfahren, hat aber das unerwünschte Merkmal, dass der Figur 5 zeigt einen nahezu vollständig ringförmigen geBohrer die Oberfläche lokal bearbeitet und seine eigenen schmolzenen Bereich für die Spannungsentlastung. Spannungen aufbaut. Das Verfahren mit elektrischer Ent- Alle Restspannungsmessungen erfordern die Bestimmung Spannung ist zwar gut, aber an dem Montageplatz unhand- so eines Bezugsspannungszustandes, und die Spannungs- bzw. lieh bzw. schwierig durchzuführen. Versuche zur zerstörungs- Dehnungsmesser verwendende Verfahren erreichen den Befreien Bestimmung der Restspannung haben wenig Erfolg ge- zugszustand durch eine Spannungsentlastung der Probe oder habt, ausser der Verwendung von Röntgenstrahlen, die ge- eines Gegenstandes. Die Restspannung ist auch bekannt als genüber Oberflächenstörungen empfindlich sind. Darüber innere Spannung und ist definiert als ein Spannungssystem in-hinaus dringen Röntgenstrahlen nur wenige Atomschichten 55 nerhalb eines festen Körpers, das nicht von äusseren Kräften tief ein, und dieses Verfahren ist kein Masseverfahren. abhängig ist. In dem erfindungsgemässen Messverfahren wird

Gemäss der Erfindung werden Restspannungsmessungen der Bezugszustand auch durch Spannungsentlastung des un-durchgeführt unter Verwendung von Dehnungsmessern und tersuchten Gegenstandes ermittelt, aber die Spannung wird einer Spannungsentlastung, die dadurch erzeugt wird, dass durch transientes oder vorübergehendes Schmelzen in der un-ein Bereich des untersuchten Gegenstandes in der Nähe des 60 mittelbaren Nähe des Messers entlastet. Es wird ein transien-Dehnungsmessers lokal und vorübergehend geschmolzen tes oder temporäres Schmelzen verwendet, so dass die Spanwird. Das lokale Schmelzen wird durch einen Laser- oder nungsmessung durchgeführt werden kann, bevor die Wärme Elektronenstrahl oder durch eine andere fein gerichtete Wär- aus dem geschmolzenen Bereich zu den Spannungs- bzw. mequelle herbeigeführt, und es wird ein kurzer Wärmeimpuls Dehnungsmessern diffundieren kann und deren Anzeige beverwendet, um den geschmolzenen Bereich zu begrenzen und « einflusst.

die Dehungsmesser zu schützen. Der Spannungsentlastungs- Der drei Elemente umfassende, rosettenförmige Span-

prozess verläuft mit Schallgeschwindigkeit, wogegen die Ver- nungsmesser 10 gemäss Figur 1 wird üblicherweise gewählt,

teilung der Wärme von dem geschmolzenen Bereich langsa- wenn die Hauptspannungen und deren Richtungen ermittelt

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werden sollen. Die drei Messelemente 11,12 und 13 sind auf mit der Rohrleitung verbundenen Rosettenmessers 10 abge-

einem Messkreis angeordnet und befinden sich an den Posi- lenkt. Eine Laser-Wärmequelle und optische Bauteile zum tionen 0°, 45° und 90°. In der Mitte des Messers, konzentrisch Ablenken des Strahles, zu denen beispielsweise Spiegel gehö-

zu dem Messkreis, befindet sich ein Kreisring 14, der als ein ren können, können auf einem bewegbaren Wagen montiert

Ausrichtungsmuster dient und innerhalb dessen ein Loch 15 5 sein. Das halbzerstörungsfreie Verfahren ist schnell, billiger transient geschmolzen wird durch eine geeignete fein gerichte- als bestehende Verfahren und eignet sich für die Messung der te Wärmequelle. Die ziehharmonikaartig gefalteten Messele- Restspannung auf Montagestellen.

mente und das Ausrichtmuster sind geätzte Folienelemente auf einer durchgehenden Kunststoffhalterung 16 und sie sind Figur 3 zeigt in einem Blockdiagramm eine vollständige durch Techniken hergestellt, wie sie von den gedruckten i0 Laser-Dehnungsmesseinrichtung. Das Laser-Untersystem Schaltungen her bekannt sind. An jedem Ende des Messele- umfasst einen Richtlaser 25, einen Leistungslaser 26 und eine mentes befindet sich ein vergrösserter Kontaktstreifen 17 zur Fokusierungslinse 27, die handelsüblich sind. Der eine kleine Herstellung elektrischer Verbindungen. Der Rosettenmesser Leistung aufweisende Richtlaser ist beispielsweise ein Heli-10 ist ein metallischer Widerstandsmesser, der so arbeitet, um-Neonlaser und ist auf einer gemeinsamen Achse mit dem dass, wenn eine Folienlänge mechanisch gedehnt wird, ein 15 Leistungslaser montiert, der ein Neodym-dotierter Glaslaser längerer und schmalerer Leiter entsteht, dessen elektrischer mit einer Wellenlänge von 1,06 um ist. Der Richtlaser hat eine Widerstand normalerweise grösser wird. Wenn die Länge des unterschiedliche Wellenlänge im roten Bereich und stellt si-Widerstandselementes innig an einem unter Spannung ste- eher, dass der Impuls der vom Leistungslaser gebildeten Wär-henden Gegenstand in der Weise befestigt wird, dass es eben- mequelle auf die Mitte des Messers gerichtet ist. Der Deh-falls gedehnt wird, dann kann die gemessene Widerstandsän- 20 nungs- bzw. Spannungsmesser 10 ist der gleiche wie in Figur 1 derung in Grössen der Spannung bzw. Dehnung geeicht wer- und kann ein handelsüblicher Lochbohrungs-Dehnungsmes-den. Es sind viele andere Dehnungsmesskonfigurationen be- ser mit Rosettenkonfiguration sein. Derartige Messer sind re-kannt und können anstelle des Rosettenmessers verwendet lativ klein mit einer Gesamtabmessung von etwa 6 mm oder werden, was von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängt. weniger und sind mit einem Gegenstand 28 mit einem geeig-Der lokal geschmolzene Bereich oder das Loch 15 für die 25 neten Kleber verbunden. Die Dehnungsänderung nach dem Spannungsentlastung wird in der Mitte des Messers durch ei- Lochschmelzen durch den Laser wird durch eine elektrische nen fokussierten Laser- oder Elektronenstrahl oder tatsäch- Schaltungsanordnung gemessen, die eine Stromquelle und lieh durch irgendeine Wärmequelle hergestellt, die einen fein Verstärker 29 umfasst. Es wird jedem Messelement ein kongerichteten, kurzen Wärmeimpuls liefern kann. Der Laser stanter Strom zugeführt, und die über dem Element gemesse-wird bevorzugt und arbeitet im Pulsbetrieb mit einer Pulslän- 30 ne elektrische Spannung ist direkt proportional zu der Deh-ge von etwa 1-10 Millisekunden. Der kurze Wärmeimpuls be- nung, die ihrerseits proportional zu der mechanischen Spangrenzt den geschmolzenen Bereich und schützt die Span- nung ist. Die mechanische Spannung wird durch Multiplizie-nungs- bzw. Dehnungsmesser, und es ist auch wichtig, einen ren der Dehnung mit dem Elastizitätsmodul E für das Vermetallischen oder keramischen Gegenstand zu untersuchen, suchsmaterial ermittelt. Figur 4 zeigt eine typische Kurve der ohne dass Spritzer entstehen. Wenn der Schmelzvorgang rieh- 35 Dehnung über der Zeit für einen Gegenstand oder ein Teil mit tig gesteuert wird, ist das Loch nach der Erstarrung nahezu Restspannung. Der Messwert, der gewünscht ist, ist der Ma-wieder geschlossen. Die halbzerstörungsfreie Art des Verfah- ximalwert der Dehnung. Dies ist der Bezugsnullzustand für rens wird dadurch erreicht, dass der geschmolzene Bereich in das spannungsentlastete Material und tritt auf, wenn das Ma-wenigen Millisekunden umgeschmolzen wird, bevor eine we- terial geschmolzen ist.

sentliche Materialmenge verlorengeht. 40

Das lokale Schmelzen in der unmittelbaren Nähe des Der Rest der in Figur 3 gezeigten Einrichtung umfasst Dehnungsmessers entspannt die Spannungen und es ist not- drei mit parallelem Kanal betriebene Oszilloskope 30-32, und wendig, die Dehnungsänderung, die durch die Spannungsent- zwar ein Oszilloskop für jedes Messelement, mit Kameraauf-lastung hervorgerufen wird, dynamisch zu messen, bevor der Zeichnung,und ein mehrkanaliges Bandaufzeichnungsgerät geschmolzene Bereich erstarrt und bevor die Wärme des ge- 45 33, so dass die Ergebnisse abgespielt und nach Beheben unter-schmolzenen Bereiches unter den Dehnungsmesser diffun- sucht werden können. Ein Trigger 34 liefert ein Startsignal an diert und zu einer thermischen Beanspruchung führt, die den Laser 26 und an die Oszilloskope und startet auch einen Messergebnisse verändern würde. Der Spannungsentla- Taktgeber 35 für einen verzögerten Betrieb des Bandrekor-stungsprozess schreitet mit Schallgeschwindigkeit in dem Ma- ders. Wenn die drei Spannungen bzw. Dehnungen für die ro-terial fort, aber der thermische Prozess ist selbstverständlich 50 settenartige Messelementkonfiguration bekannt ist, ist die Be-viel langsamer. Somit wird der spannungsentlastete Zustand rechnung der mechanischen Spannungen und die Grösse der dynamisch erreicht und gemessen. Eichungen sind nicht er- Hauptspannungen und deren Richtungen nur noch Routineforderlich und werden durch das Schmelzen besorgt, das ei- sache. Diesbezüglich wird auf den Aufsatz «Hole-Drilling nen Bezugsnullpunkt liefert. Strain-Gage Method of Measuring Residual Stresses» von Die Verwendung einer entfernten, gerichteten Wärme- 55 N.G. Rendler und I. Vigness, Expérimental Mechanics, De-quelle erlaubt Restspannungsmessungen bei schwierigen zember 1966, Seiten 577-586 und das Buch «Mechanical Geometrien, wie beispielsweise einer inneren Oberfläche eines Measurements», 2. Auflage, von T.G. Beckwith und N.L. Gegenstandes. Gemäss Figur 2 ist ein Beispiel die Messung Buck, Addison-Wesley Publishing Company, 1973, Kon-der Restspannung auf dem innenseitigen Durchmesser einer gressbücherei-Katalogkarten-Nr. 70-85380, verwiesen. Alter-Reaktorleitung 18. Die Restspannungen in Masseschweiss- 60 nativ können die drei elektrischen Spannungen, welche die stellen von nuklearen Rohrleitungen spielen eine grosse Rolle Dehnung darstellen, in einen Mikroprozessor eingegeben bei dem Problem der intergranularen Dehnungskorrosion- werden, der die Berechnung der Hauptspannung und der de-Rissbiidung. Die Dehnungskorrosion-Rissbildung tritt auf ren Richtung vornimmt.

der inneren Oberfläche der Rohrleitung auf und genau dort muss die Messung durchgeführt werden. Ein Leistungslaser «s Unter gewissen Umständen kann das Lochschmelzverfah-

19 befindet sich an einer entfernten Stelle, und ein Laserstrahl ren eine unzureichende Empfindlichkeit oder Genauigkeit

20 wird nach seinem Eintritt in die Rohrleitung durch ein aufweisen, und es kann dann das Hohlbohrverfahren verwen-Prisma 21 und eine Fokussierungslinse 22 auf die Mitte des det werden, wenn eine genauere und empfindlichere Technik

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gebraucht wird. In diesem Fall wird anstelle der Herstellung fang des Messers herum geschmolzen, wie es in Figur 5 ge-

eines Loches in der Mitte des Messers ein spannungsentlaste- zeigt ist. Es wird ein fein gebündelter Laserstrahl abgelenkt,

ter, nahezu vollständig ringförmiger Bereich 36 um den Um- um den nahezu vollständigen Ring auszubilden.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

647074 2 PATENTANSPRÜCHE mer erfolgt. Die Spannungsänderung, die durch die Entspan-

1. Verfahren zum Messen der Oberflächenspannung auf nung hervorgerufen wird, wird dynamisch gemessen, bevor einem Gegenstand zur Ermittlung von Restspannungen, da- die Wärme unter die Dehnungsmesser diffundiert und zu durch gekennzeichnet, dass ein Dehnungsmesser an der Ober- thermischen Spannungen führt, die die Messergebnisse verän-fläche des zu untersuchenden Gegenstandes befestigt wird, ein 5 dern würde. Der spannungsentlastete Zustand wird somit dy-Bereich des Gegenstandes in der unmittelbaren Nähe des namisch erzielt und gemessen. Das Verfahren wird halbzer-Dehnungsmessers mit einer fein gerichteten Wärmequelle lo- störungsfrei genannt, weil der geschmolzene Bereich in weni-kal geschmolzen wird, um dadurch die Spannungen zu ent- gen Millisekunden wieder erstarrt, bevor eine wesentliche spannen, und die durch die Entspannung hervorgerufene Materialmenge verloren geht.

Dehnungsänderung dynamisch gemessen wird, während der i0 Das bevorzugte Verfahren verwendet drei rosettenartig

Bereich geschmolzen ist und bevor die Wärme unter die Deh- angeordnete Widerstands-Dehnungsmessstreifen, und es wird nungsmesser wandert und zu einer thermischen Beanspru- zeitweise ein Loch geschmolzen in der Mitte der Rosette mit chung führt, die die Messergebnisse ändern würde. einem gebündelten Laserstrahl, der im Pulsbetrieb arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Die Pulslänge beträgt 1-10 Millisekunden. Die Widerstands-dass die Wärmequelle ein fokussierter Laserstrahl ist. 15 änderung und somit die Spannungsänderung wird gemessen,

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, bevor das geschmolzene Material umgeschmolzen ist und be-dass der Laserstrahl eine Pulslänge von 1-10 Millisekunden vor die Wärme unter die Dehnungsmesser wandert. Eichwer-hat. te werden durch Schmelzen erhalten, um eine Spannungsent-

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- lastung zu realisieren. Die Restspannung ist proportional zu zeichnet, dass der Laserstrahl abgelenkt wird, um den Strahl 20 den Oberflächenspannungsmessungen, die das Ergebnis des auf eine innere Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstan- Verfahrens sind, und sie ist leicht zu berechnen. Eine Ab-des zu richten. Wandlung des Verfahrens besteht darin, dass der geschmolze-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch ge- ne Bereich den Messer in einem nahezu vollständigen Ring kennzeichnet, dass der Dehnungsmesser ein mehrere Elemen- umgibt.

te in einer rosettenartiger Anordnung umfassender Wider- 25 Dieses Verfahren misst die Restspannung in Massen, ist stands-Dehnungsmesser ist und an der Oberfläche des zu un- schnell, ist geeignet für Messungen an Montageorten und ist tersuchenden Gegenstandes befestigt wird, ein Loch in den geeignet für schwierige Geometrien, wie beispielsweise das

Gegenstand in der Mitte des Rosettenmessers mit dem fokus- Messen der Restspannung auf dem innenseitigen Durchmes-

sierten Laserstrahl lokal und vorübergehend geschmolzen ser von Reaktorleitungen, die gegenüber der Spannungskor-

wird, um dadurch die Spannungen zu entlasten, und der Wi- 30 rosion empfindlich sind. Der Laserstrahl kann durch optische derstand von jedem Element und somit die Dehnungsände- Einrichtungen abgelenkt werden, um auf eine innere Oberflä-

rung dynamisch gemessen wird. che des Gegenstandes aufzutreffen.