CN104236759B - 一种便捷的残余应力测量设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种便捷的残余应力测量设备和方法，利用二维数字散斑相关方法对平面试件残余应力释放前后的散斑图像进行相关计算，得到释放前后的区域应变场。试件的应力释放可以采用钻孔装置或冲击压痕装置实现。根据钻孔法或冲击压痕法的残余应力的理论公式，计算得到试件的残余应力大小。该系统能够根据不同的需求灵活选择应力释放的方法，同时具有高精度，非接触，操作便捷等优点。

Description

一种便捷的残余应力测量设备及方法

技术领域

本发明涉及小型便捷的金属板材残余应力测量装置，该发明属于光测实验力学，工程材料，钻孔法残余应力测量和冲击压痕法残余应力测量。

技术背景

构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。因此对构件的残余应力测量是构件质量评价的重要指标。

目前，对残余应力的研究主要采用两种方法，一种是通过实际测量的方法来获得残余应力的大小及分布，另一种是利用数值计算的方法对残余应力进行模拟计算。

测量残余应力的方法按其对结构体是否有破坏，有全破坏法、半破坏法和无损法等几种；按其测试原理，可分为机械测定法和物理测定法。机械测量方法主要包括截条法、逐层剥层法、Gunnert切铣环槽法、盲孔法、钻阶梯孔法、套取芯棒法和内孔直接贴片法等；物理测量方法主要有X射线衍射法、中子衍射法、磁测法、超声波法和固有应变法等。钻孔法是一种半破坏残余应力测量方法，利用钻孔使构件中的残余应力得到全部或部分释放，根据释放应变和释放方法求出相应的残余应力大小。冲击压痕法是一种无损的应力叠加方法，此方法和应力释放法相反，采用特定压头压入材料表面，通过压痕获得附加应力场，再根据附加应力场诱导的位移场变化信息来获得残余应力，该方法的特点是非破坏性、方便性和准确性。

工程中利用钻孔法、冲击压痕法结合应变片的方法进行测量，也用很多相关的测量方法，如残余应力测量装置(中国发明专利申请公开说明书CN200820090081.9)和一种残余应力测量方法(中国发明专利申请公开说明书CN01106312.2)等。能够基本满足工程上对残余应力的测量需要。但由于应变片容易受到温度、电磁环境和粘贴技术的影响，测量对环境和操作者的要求很高。数字散斑方法应用于残余应力的测量一定程度上简化了应变片测量的步骤，如一种实时残余应力测量系统及方法(中国发明专利申请公开说明书CN 201010587490)。但此类系统和方法的设备复杂，不适用于工程现场的残余应力测量要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于工程现场和多种方法的便捷的残余应力测量设备和方法。该方法的操作简便，设备便携可以实现在不同的现场进行快速测量。

本发明的技术方案如下：

一种便捷的残余应力测量设备，包括用于钻孔法应力释放的小型钻孔装置，用于冲击压痕法的可调节的冲击装置，一台CCD电子显微镜，安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机，圆形方阵标定板，带有磁性三足支架的固定平台和照明灯具。上述钻孔装置、冲击装置和CCD电子显微镜可以从带有磁性三足支架的固定平台上便捷的安装和拆卸，照明灯具安装于带有磁性三足支架的固定平台底部，带有磁性三足支架的固定平台利用磁性的三足可调节支架固定于金属试件上。所述的钻孔装置由电动推杆、电钻和钻孔外壁组成；可调节的冲击装置由撞杆、弹簧、力度调节器、触发器和冲击压痕外壁组成。

组件1：钻孔法残余应力的释放装置，由钻孔装置与带有磁性三足支架的固定平台组合而成.其中钻孔装置中电动推杆固定在钻孔外壁上，电钻固定在电动推杆的前端。钻孔外壁安装到带有磁性三足支架的固定平台中，并利用紧定螺钉固定。

组件2：冲击压痕法残余应力场的叠加装置由冲击装置和带有磁性三足支架的固定平台组合而成。其中冲击装置的结构为力度调节器反扣在冲击压痕外壁上，与撞杆利用触发器上的螺纹连接，弹簧的一端与冲击压痕外壁固定，另一端与撞杆固定，力度调节器，撞杆竖直移动，拉动或压缩弹簧以改变冲击力度；拨动触发器，螺纹收缩释放撞杆，冲击金属试件产生压痕。冲击压痕外壁安装到带有磁性三足支架的固定平台中，并利用紧定螺钉固定。

组件3：获取散斑图像的CCD电子显微镜与带有磁性三足支架的固定平台组合而成，利用紧定螺钉固定。

一种采用上述残余应力测量设备的测量方法，包括如下步骤：

首先，将带有磁性三足支架的固定平台固定在金属试件上，打开照明灯具，使金属试件上有均匀分布的光照，将CCD电子显微镜安装于固定平台上，调节CCD电子显微镜，使得金属试件区域能够清晰地成像。将圆形方阵标定板放置于CCD电子显微镜和金属试件在之间，对CCD电子显微镜进行标定。取出圆形方阵标定板，利用CCD电子显微镜拍摄残余应力场改变前的金属试件表面区域的散斑图像。

从带有磁性三足支架的固定平台中取出CCD电子显微镜，将钻孔装置或冲击装置，根据不同的金属试件调节钻孔深度或是冲击装置冲击力度，钻孔或冲击改变金属试件上的残余应力场。从带有磁性三足支架的固定平台上取出钻孔装置和冲击装置，重新安装CCD电子显微镜，拍摄金属试件表面残余应力场改变后的散斑图像。

将残余应力释放前后的两幅图像，利用安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机进行二维应变计算，根据钻孔法和冲击压痕法残余应力的理论计算公式得到残余应力的大小。

本发明具有以下优点和效果：本发明提供的测量设备和方法是基于数字散斑相关的光力学测量方法，结合钻孔装置和冲击装置，实现了多种测试方法的残余应力测量。而且操作简便，设备便携，可以在工程现场提供高精度的残余应力测量结果。

附图说明

图1为本发明便捷的残余应力测量设备的组成部分；

图2为CCD电子显微镜拍摄应变场改变前的金属试件散斑图像的示意图；

图3为利用钻孔法释放金属试件的残余应力的示意图；

图4为利用冲击压痕法对金属试件的应力进行叠加的示意图；

图5为CCD电子显微镜拍摄应变场改变后的金属试件散斑图像的示意图；

图6为钻孔装置结构示意图；

图7为冲击装置结构示意图；

图8为本发明中设备和方法的使用流程图。

图中：1-金属试件；2-钻孔装置；3-冲击装置；4-CCD电子显微镜；5-安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机；6-圆形方阵标定板；7-带有磁性三足支架的固定平台；8-照明灯具；9-电动推杆9；10-电钻；11-钻孔外壁；12-撞杆；13-弹簧；14-力度调节器；15-触发器；16-冲击压痕外壁；17-紧定螺钉。

具体实施方案

下面结合附图对本发明提供的残余应力测量设备和方法进行详细说明。

如图2-图5所示，本发明提供的便捷灵活的残余应力测量方法包括按顺序的下列步骤：

1)准备金属试件1，对金属试件1进行局部的打磨，依次对金属试件1喷涂白色底漆和黑色散斑。

2)安装组件3，将组件3中带有磁性三足支架的固定平台7的三个磁性支架固定在金属试件1上，调节三个磁性支架高度和CCD电子显微镜4，打开照明灯具8，使得CCD电子显微镜4可以得到清晰图像，所述照明灯具8可以是LED照明灯。

3)将圆形方阵标定板6放置于CCD电子显微镜4与金属试件1之间，CCD电子显微镜4拍摄圆形方阵标定板6图像，利用安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机5计算CCD电子显微镜4的内参数。

4)取出圆形方阵标定板6，CCD电子显微镜4拍摄金属试件1应力场改变之前的散斑图像。

5)利用钻孔法测量残余应力。从固定平台7中取出CCD电子显微镜4并安装钻孔装置2，完成组件2。接通电源，电动推杆9的推杆产生直线移动，推动电钻10产生向工件的运动，并将钻头压向工件，钻头与工件表面产生钻削力；同时接通电钻10电源开关，电钻10旋转，钻头完成钻孔工作；通过电动推杆9的位移控制，控制钻孔深度。控制电动推杆9的参数设置钻孔深度，深度应为1.0-1.2倍的钻孔直径，要求轴向送进轻且慢，以便有充分时间散热。

6)取出钻孔装置2，安装CCD电子显微镜4，完成组件3。拍摄金属试件1应力释放后的散斑图像。利用安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机5计算钻孔区域周围的应变，并根据理论公式计算残余应力。

7)利用压痕法测量残余应力。从带有磁性三足支架的固定平台7中取出CCD电子显微镜4并安装冲击装置3，完成组件2。根据不同材料，通过调节冲击装置3的力度调节旋钮调节冲击力度，拨动触发器15冲击使得撞杆12在金属试件1上制造球形压痕在残余应力场中产生一个应变增量，压痕的深度应控制在0.1mm-0.3mm。

8)取出冲击装置3，安装CCD电子显微镜4，完成组件3。拍摄金属试件1应力场叠加之后的散斑图像。利用安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机5计算压痕区域周围的应变，并根据理论公式计算残余应力。

利用安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机5对测量数据进行处理，并生成测量报告。

本发明提出的设备和方法基于光力学测量方法，结合便捷灵活的应力场改变设备，达到实现现场快速的金属试件1残余应力测量的目睹。

本发明主要原理描述如下：基于非接触的二维数字散斑相关方法，通过标定显微镜的内参数，根据具体改变应力场的方式，利用应力场改变前的散斑图像为参考图像，以改变后的图像为目标图像，计算出金属试件残余应力的大小。

Claims (2)

1.一种便捷的残余应力测量设备，其特征在于：该设备包括用于钻孔法应力释放的小型钻孔装置(2)，用于冲击压痕法的可调节的冲击装置(3)，一台CCD电子显微镜(4)，安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机(5)，圆形方阵标定板(6)，带有磁性三足支架的固定平台(7)和照明灯具(8)；上述钻孔装置(2)、冲击装置(3)和CCD电子显微镜(4)可以从带有磁性三足支架的固定平台(7)上便捷的安装和拆卸，照明灯具(8)安装于固定平台(7)底部，带有磁性三足支架的固定平台(7)利用磁性的三足可调节支架固定于金属试件(1)上；所述的钻孔装置由电动推杆(9)、电钻(10)和钻孔外壁(11)组成；可调节的冲击装置(3)由撞杆(12)、弹簧(13)、力度调节器(14)、触发器(15)和冲击压痕外壁(16)组成；

组件1：钻孔法残余应力的释放装置，由钻孔装置(2)与带有磁性三足支架的固定平台(7)组合而成，其中钻孔装置中电动推杆(9)固定在钻孔外壁(11)上，电钻(10)固定在电动推杆(9)的前端；钻孔外壁(11)安装到带有磁性三足支架的固定平台(7)中，并利用紧定螺钉(17)固定；

组件2：冲击压痕法残余应力场的叠加装置由冲击装置(3)和带有磁性三足支架的固定平台(7)组合而成；其中冲击装置(3)的结构为力度调节器(14)反扣在冲击压痕外壁(16)上，与撞杆(12)利用触发器(15)上的螺纹连接，弹簧(13)的一端与冲击压痕外壁(16)固定，另一端与撞杆(12)固定，力度调节器(14)，撞杆(12)竖直移动，拉动或压缩弹簧(13)以改变冲击力度；拨动触发器(15)，螺纹收缩释放撞杆(12)，冲击金属试件产生压痕；冲击压痕外壁(16)安装到带有磁性三足支架的固定平台(7)中，并利用紧定螺钉(17)固定；

组件3：获取散斑图像的CCD电子显微镜(4)与带有磁性三足支架的固定平台(7)组合而成，利用紧定螺钉(17)固定。

2.一种采用如要求1所述的残余应力测量设备的测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

首先，将带有磁性三足支架的固定平台(7)固定在金属试件(1)上，打开照明灯，使金属试件(1)上有均匀分布的光照，将CCD电子显微镜(4)安装于带有磁性三足支架的固定平台(7)上，调节CCD电子显微镜(4)，使得金属试件(1)区域能够清晰地成像；将圆形方阵标定板(6)放置于CCD电子显微镜(4)和金属试件(1)之间，对CCD电子显微镜(4)进行标定；取出圆形方阵标定板(6)，利用CCD电子显微镜(4)拍摄残余应力场改变前的金属试件(1)表面区域的散斑图像；

从带有磁性三足支架的固定平台(7)中取出CCD电子显微镜(4)，将钻孔装置(2)或冲击装置(3)，根据不同的金属试件(1)调节钻孔深度或是冲击装置(3)冲击力度，钻孔或冲击改变金属试件(1)上的残余应力场；从带有磁性三足支架的固定平台(7)上取出钻孔装置(2)和冲击装置(3)，重新安装CCD电子显微镜(4)，拍摄金属试件(1)表面残余应力场改变后的散斑图像；

将残余应力释放前后的两幅图像，利用安装有“二维数字散斑残余应力测量软件”的计算机(5)进行二维应变计算，根据钻孔法和冲击压痕法残余应力的理论计算公式得到残余应力的大小。