CN110319965A - 一种检测工件深层残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测工件深层残余应力的方法，该方法包括：第一步、使用激光散斑盲孔法检测工件表层残余应力；第二步、使用电解加工工艺局部剥除已检测层；第三步、多次重复残余应力检测过程和电解剥层过程，直至目标位置残余应力被检测完成；第四步、根据激光散斑盲孔法和电解剥层法基本参数计算不同深度位置的修正系数；第五步、基于修正系数及多次剥层过程的残余应力修正公式获得工件深层处的原始残余应力值。本发明结合了激光散斑盲孔法和电解加工工艺，可以实现对工件表层、深层残余应力的检测，获得工件沿深度方向的残余应力分布情况，检测效率高，结果准确可靠。基于本方法可以更好的表征工件整体的残余应力，更好地指导残余应力消除和调控工艺，更好地预测残余应力对变形的影响，从而提高工件的加工精度和使用寿命。

Description

一种检测工件深层残余应力的方法

技术领域

本发明涉及残余应力检测领域，更具体的，涉及一种检测工件深层残余应力的方法。

背景技术

残余应力，是指当工件经过一系列加工流程并卸载后，工件已经无外部载荷情况下，仍残留在工件内部的应力。常见的机械加工工艺和一些表面处理工艺，表面强化工艺都会导致残余应力的产生，诸如常见的切削加工、铸造、锻造及喷丸工艺等。残余应力一般对工件而言是有害的，随着残余应力的逐渐时效释放，工件往往会出现变形、翘曲甚至出现裂痕。因此，有效检测和控制工件在加工过程中的残余应力具有十分重大的意义。

常用的残余应力检测方法通常分为有损检测法和无损检测法。最成熟的无损检测法为X射线衍射法，除此之外，无损检测法还包括中子衍射法、超声法和磁检测法等；有损检测方法中，盲孔法应用最广泛，许多光学技术，诸如数字图像相关技术(DIC)、激光散斑干涉技术(ESPI)等都逐渐应用于盲孔法，除盲孔法外，有损检测方法还有切条法、轮廓法、曲率法等。

上述现有残余应力检测方法中，大部分方法只能给出表面或者近表面层残余应力，而无法检测工件深层的残余应力。中子衍射法可以检测的深度较大，但中子衍射的空间分辨率相对较低，而且中子衍射法对设备要求较高，不易实现。轮廓法可以获得整个截面的应力分布，但轮廓法很依赖切割质量，且轮廓法的结果只能反映垂直截面的残余应力张量的量级，对截面内残余应力分量的检测不够准确。传统的增量X射线衍射技术通过结合剥层过程和X射线检测过程，实现逐层检测，但X射线的穿透深度浅，往往在微米级，因而每一层的剥层深度只有几微米或十几微米。当检测深度较深时，传统的增量X射线法耗时较长，效率较低。同时，传统的增量X射线法由于检测基础为X射线衍射，因此对于工件微观结构要求较高，通常只能用于检测细晶无织构工件的残余应力，因此检测局限性较大。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种工件深层处残余应力检测方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

本发明针对以上提出的现有残余应力检测技术在检测工件深层残余应力方面存在的不足，提供了一种检测工件深层残余应力的方法，通过激光散斑测量残余应力和电解剥层去除材料两种技术的交替进行实现工件深层残余应力的检测。本发明采用的技术手段如下：

一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于，所述的方法步骤包括：

第一步、使用激光散斑盲孔法检测工件表层残余应力；

其中，由于盲孔法原理基于平面应力假设和无限大平板假设，使用钻孔刀具直径为D，需要确保工件表面平整区域面积在10D以上。由于距离表面越远，应力释放带来的变形越不容易反映到表面，因此单次最大检测深度限制在0.6D以内。同时，钻孔尺寸应当在保证检测深度的前提下尽量小，以保证检测的空间分辨率。在每一个检测层内，通过分次进给钻孔，获得层内残余应力沿厚度方向的分布情况。

第二步、使用电解加工工艺局部剥除已检测层；

其中，为提高检测效率，需要尽量减少材料去除量，同时保证有足够的检测面积。为确定合适的去除尺寸，在与实际工件等尺寸的有限元模型中施加任意分布的应力场，使用生死单元法去除不同尺寸的区域，计算非应力集中区域的面积，选择满足盲孔法应力检测需要面积的最小去除尺寸为20×20mm²正方形区域。一般情况下，对于大尺寸工件，上述的去除尺寸都可以作为优选参数。在实际电解过程中，为了实现局部定点去处，在工件表面覆盖一层绝缘掩膜，从而实现局部电解加工。电解剥层过程要将已检测完成层完全去除，加工过程采用恒电流方式进行电解加工，具体去除量根据法拉第定律W＝k·I·t通过加工时间进行控制。

第三步、多次重复残余应力检测过程和电解剥层过程，直至目标位置残余应力被检测完成；

其中，采用多次剥层和检测，主要用以弥补激光散斑盲孔法单次检测深度浅的不足。在每一层使用激光散斑盲孔法检测残余应力时，具体操作要求与使用激光散斑盲孔法检测工件表层残余应力时的实施方案相同。去除层数由单次去除层厚度和目标位置确定。

第四步、根据激光散斑盲孔法和电解剥层法基本参数计算不同深度位置的修正系数；

其中，由于剥层过程几何约束的去除导致残余应力的重平衡，因此实际检测结果为重平衡后残余应力结果。为获得工件深层的原始残余应力值，需要计算剥层过程导致的残余应力变化量。首先定义修正系数K：

其中K代表去除层以下任意位置处应力变化量与去除层应力的比值，Δσ代表该位置由于剥层导致的应力改变量，σ_r代表去除层的应力大小。为求出不同深度位置对应的K值，从力的平衡和弯矩的平衡两个角度对应力变化量进行推导：

其中H为剥层前厚度，z₁为剥层后厚度。根据推导结果，修正系数K主要由几何尺寸决定。上述基于力学的推导，只能给出整体的应力变化量。而根据圣维南原理，距表面距离越远，剥层产生的影响越小，实际对应K值越小。因此，为更准确的确定不同深度位置对应的修正系数K，在有限元中建立与实际工件等尺寸模型，施加任意应力场，利用生死单元技术模拟剥层过程，提取距离表面不同距离的点在剥层前后的应力值，计算不同深度处的修正系数K。计算修正系数K时，要保证有限元中的几何参数与实验中参数统一。

更进一步的，对于一个多次剥层过程，需要逐一计算去除每一层时，不同位置的修正系数K。

第五步、基于修正系数及多次剥层过程的残余应力修正公式获得工件深层处的原始残余应力值。

其中，原始的残余应力值等于实验检测值加上应力再平衡带来的变化量。实验值通过之前所述多次剥层检测过程获得，变化量通过计算检测值及上述过程获得的不同深度处的修正系数而得到，根据上述过程中获得的修正系数及修正公式可实现对结果的修正，具体的修正公式如下：

其中σ_c(n+1)-k为第n+1层第k次进给钻孔深度位置对应的残余应力修正后结果(去除n层，检测n+1层)，σ_m(n+1)-k为第n+1层第k次进给深度位置残余应力检测值，由多次激光散斑盲孔法和电解剥层过程获得，为第n+1层检测残余应力结果的平均值，K为由每一次电解剥层过程，不同深度位置的修正系数K组装获得的修正矩阵，其具体形式如下：

其中K_n(n+1)-k代表电解去除第n层时，对第n+1层第k次进给钻孔对应位置的修正系数。

与现有技术比较，本发明所述的一种检测工件深层残余应力的方法，通过激光散斑盲孔法检测表面一层的残余应力，再利用电解加工工艺去除已检测层，通过多次重复激光散斑盲孔法检测残余应力和电解加工剥层过程，获得了工件深层的残余应力值，通过修正公式对实验结果进行修正，获得了原始的深层残余应力结果。本发明提供的工件深层残余应力检测方法主要特点有：

1、检测设备成本低，设备容易获得；

2、检测流程简单，检测速度快，检测效率高；

3、一次检测过程可以获得平面内的三个方向的残余应力张量，可获得更多残余应力信息。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种检测工件深层残余应力的方法流程图。

图2是本发明实施例所述的使用掩膜局部电解剥层原理图。

图3是本发明实施例所述的多次电解剥层与激光散斑盲孔法检测残余应力过程示意图。

图4是本发明实施例所述的纯铁工件表层至深层2mm处残余应力检测结果。

其中：1为电解用恒流电源，2为工具阴极，3为电解液，4为掩膜板，5为工件阳极，①为第1去除层，②为第n去除层，③为第n+1去除层，④为应力提取线。

具体实施方式

为更好的表述本发明的技术方案，结合附图，对一个检测纯铁平面工件表层至深层2mm处的残余应力的实施例的技术方案细节进行详述。

如图所示，本发明涉及一种检测工件深层残余应力的方法，基本实施步骤包括：

第一步、使用激光散斑盲孔法检测工件表层残余应力；

在本实施例中，纯铁工件的尺寸为直径60mm，厚度4mm。试样通过淬火热处理工艺引入残余应力。在进行盲孔法钻孔过程中，钻孔直径为0.9mm，钻孔深度为0.5mm，为获得一层内残余应力沿厚度方向的残余应力分布情况，分10次每次钻孔0.05mm至0.5mm位置，从而获得了层内的残余应力梯度分布曲线。

第二步、使用电解加工工艺局部剥除已检测层；

在本实施例中，去除尺寸为20×20mm²正方形区域。电解过程使用的电解液为1.5mol/L NaCl+0.1mol/L HCl，使用恒流电源1控制电流密度为1.53×10^-2A/cm²，根据法拉第定律确定去除0.5mm厚的材料的加工时间为18min。在电解剥层过程中，为解决非去除区域因为接触电解液产生的额外的电解反应，本实施例通过在工件表面覆盖掩膜板4，将工件表面非去除区域与电解液隔绝，实现局部定点材料去除，基于掩膜的局部电解原理如附图所示。

第三步、多次重复残余应力检测过程和电解剥层过程，直至目标位置残余应力被检测完成；

在本实施例中，检测最大深度为距离工件表层2mm处，单次去除层厚度为0.5mm，则需要去除3层以实现对目标位置的检测。在每一层内，使用激光散斑盲孔法检测的具体参数与操作步骤与上述第一步过程相同。

第四步、根据激光散斑盲孔法和电解剥层法基本参数计算不同深度位置的修正系数；

如图3所示，对于一个多次剥层过程，需要逐一计算去除每一层时，不同位置的修正系数K。在本实施例中，检测过程共去除三层材料，工件尺寸、去除尺寸在之前步骤中已经给出，具体的计算过程为：

1、在有限元中建立与实际工件等尺寸的有限元模型，即直径60mm，厚度6mm；

2、通过施加任意不均匀温度场引入一个应力场作为初始应力场，将此应力场看做残余应力场；

3、基于有限元理论中的生死单元技术，在仿真模型中依次去除0～0.5mm、0.5～1mm、1～1.5mm层，去除尺寸与实际检测中保持一致，即20×20mm²方形区域。

在有限元中，依次计算去除0～0.5mm、0.5～1mm、1～1.5mm层前后，去除区域中心位置(见图3应力提取线)应力数值。然后根据公式K＝Δσ/σ_r计算出不同深度位置每次电解剥层对应的修正系数K的值。

第五步、基于修正系数及多次剥层过程的残余应力修正公式获得工件深层处的原始残余应力值。

其中，直接检测获得的残余应力值由步骤一、二、三获得，修正系数K由步骤四计算获得，随后将系数K按照剥层顺序及深度位置组装为矩阵K。则原始深层残余应力值可以有直接检测结果结合矩阵K修正获得：

经过修正后，从表层至工件深层2mm处的残余应力结果见附图4。对比理论值与检测结果可以发现，经过本发明提出的修正方法修正后的残余应力结果更接近理论值，结果更加精确。

本发明提供的工件深层残余应力检测方法，通过多次使用激光散斑盲孔法和局部电解剥层工艺，实现对工件深层残余应力的准确快速检测。更重要的，本方法可以给出残余应力在深度方向的分布情况。本方法提出的对剥层影响的修正手段，突破了传统力学推导的整体均一化的修正系数的桎梏，在不同深度位置采用不同的修正系数，使修正精度更高。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步、使用激光散斑盲孔法检测工件表面残余应力；

第二步、使用电解加工工艺局部剥除已检测层材料；

第三步、多次重复残余应力检测过程和电解剥层过程，直至检测深度达到目标位置；

第四步、结合检测参数和有限元计算方法计算不同深度位置对应的修正系数；

第五步、根据所述修正系数及残余应力检测结果，利用多次剥层过程的残余应力修正公式获得工件深层处的原始残余应力值。

2.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于深层处的原始残余应力值是通过激光散斑测量残余应力和电解剥层去除材料两种技术的交替进行，而后通过修正检测结果获得。

3.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于所述的残余应力测量方法为激光散斑盲孔法时，钻孔使用直径为D的平头铣刀，钻孔最大深度限制在0.6D。

4.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于步骤一和三采用激光散斑盲孔法测量残余应力时，在每一个检测层内，分次进给钻孔，获得层内残余应力沿深度方向的分布情况。

5.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于步骤二和三局部电解过程，局部去除区域尺寸根据有限元仿真计算确定。

6.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于步骤二和三局部电解过程，采用掩膜法进行定点电解去除材料。

7.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于步骤二和三局部电解过程中，采用恒定电流的方式进行电解加工，从而通过控制加工时间确定去除量。

8.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于步骤四通过在有限元中建立等尺寸模型，并通过生死单元法模拟电解加工过程计算不同深度处的修正系数。

9.根据权利要求1所述的一种检测工件深层残余应力的方法，其特征在于步骤五修正残余应力结果过程中，根据上述过程中获得的修正系数及修正公式实现最终深层处残余应力结果的修正。