CN113176026B - 用于压痕法测量残余应力的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于压痕法测量残余应力的装置，包括刚性支撑件、直线电机、旋转电机、压头组件、压力传感器及位移传感器，刚性支撑件包括顶板、底板及2个侧板，压力传感器固定于刚性支撑件的顶板上方，所述直线电机位于压力传感器的上方，所述旋转电机设置在刚性支撑件的顶板与底板之间，所述刚性支撑件的底板中部设置压头孔，所述压头组件的一端穿过压头孔与旋转电机连接，所述位移传感器通过传感器夹具固定在刚性支撑件的侧板外壁。该装置将位移传感器设置于刚性支撑件外侧，旋转电机设置于刚性支撑件内部，施加载荷时，通过刚性支撑件直接对压头施加压力，减小了压头轴线上由于各部件的装配间隙以及受压变形带来的虚假位移，减小了测试误差。

Description

用于压痕法测量残余应力的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及压痕法测量残余应力设备的技术领域，具体涉及一种用于压痕法测量残余应力的装置及其使用方法。

背景技术

有害残余应力的存在会削弱结构的强度，大大增加产品失效损坏的风险。尤其在在能源、化工、航天、交通等重大装备制造业中，残余应力的检测和控制越来越受到技术人员的关注。近年来有学者提出采用努式压头测量非等轴残余应力，测量时需要改变努式压头的水平角度(0°、45°、90°及135°)进行多次压入，获得不同角度下的压入曲线，从而计算出残余应力的大小和方向。这种旋转操作采用手动调整会造成测试误差，并且由于需要频繁改变角度，也给操作带来极大的不便，限制了测试效率。针对这一问题，专利CN110261021A公开了一种适用于测量非等轴残余应力的旋转压头组件，在直线电机与压头之间安装一个旋转电机实现自动旋转功能，然而由于直线电机、旋转电机、载荷传感器、位移传感器等部件均耦合在压头组件的轴线上，这会降低压头组件的整体刚度。当施加载荷时，各部分之间由于装配间隙以及自身受压变形造成的轴向位移均被位移传感器记录为压头压入深度，这对于实际压入深度仅为几十到一百微米的实验来说无疑会大大增加误差。此外，残余应力的测量还对测试点的位置有严格要求，例如在测量焊接残余应力时需要关心焊接热影响区的应力状态，而由于压头尺寸较小以及测试设备的阻挡，很难精确定位到待测点的位置，不便于确定待测点的位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于压痕法测量残余应力的装置，整体结构紧凑，减小了由于零件装配带来的误差。

本发明具体采用如下技术方案：用于压痕法测量残余应力的装置，包括刚性支撑件、直线电机、旋转电机、压头组件、压力传感器及位移传感器，所述刚性支撑件包括顶板、底板及2个侧板，所述压力传感器固定于刚性支撑件的顶板上方，所述直线电机位于压力传感器的上方，所述旋转电机设置在顶板与底板之间，所述刚性支撑件的底板中部设置压头孔，所述压头组件的一端穿过压头孔与旋转电机连接，所述位移传感器通过传感器夹具固定在刚性支撑件的侧板外壁。

优选的，所述压头组件包括压头、压头托及压头杆，所述压头孔的直径大于压头杆的直径且小于压头托的直径，所述压头及压头托位于刚性支撑件的底板的下方，所述压头固定在压头托底部，所述压头杆的一端与压头托固定，所述压头杆的另一端穿过压头孔通过联轴器与旋转电机的输出轴连接。

优选的，所述联轴器包括上半联轴器及下半联轴器，所述上半联轴器及下半联轴器通过螺柱连接，且螺柱上套设有弹性体。

优选的，所述弹性体为弹簧或弹性套。

优选的，所述传感器夹具包括夹具座及2个夹板，所述夹具座固定在刚性支撑件的侧板外壁上，2个夹板之间形成夹具孔，所述位移传感器固定在夹具孔内。

优选的，所述位移传感器的检测端的伸出位置高于压头。

优选的，所述刚性支撑件的底板底部设置有微距摄像头。

本发明的另一目的是提供一种用于压痕法测量残余应力的装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将刚性支撑件、直线电机、旋转电机、压头组件、压力传感器、位移传感器及微距摄像头装配至仪器化压痕设备上，且使位移传感器的检测端的伸出位置高于压头以保证位移传感器比压头先接触试样，并将直线电机、旋转电机、压力传感器、位移传感器及微距摄像头与计算机连接，将试样放于工作台上且位于压头组件下方；

(2)通过微距摄像头观测及确定待测量点，使压头位于待测量点上方，然后通过计算机控制旋转电机旋转，调整压头的测量角度；

(3)通过直线电机施加预加载力，压力传感器记录载荷变化，施加预加载力时压头接触试样表面，消除试样表面粗糙度的干扰，并使上半联轴器与下半联轴器之间的弹性体压缩，缩小上半联轴器与下半联轴器之间的距离，从而使压头托与刚性支撑件的底部紧贴；

(4)当达到预加载力值时，压力传感器从零开始记录位移变化；

(5)当达到设定位移时，开始卸载载荷，获得该测量角度下的载荷-位移曲线；

(6)待载荷卸载完毕，上半联轴器与下半联轴器之间的弹性体复位，通过计算机控制旋转电机旋转，调整压头的测量角度，重复上述步骤，获取不同测量角度下的载荷-位移曲线。

本发明具有如下有益效果：

(1)通过设置刚性支撑件，并将位移传感器设置于刚性支撑件外侧，旋转电机设置于刚性支撑件内部，施加载荷时，通过刚性支撑件直接对压头施加压力，减小了压头轴线上由于各部件的装配间隙以及受压变形带来的虚假位移，其结构紧凑，大大减小了测试误差；

(2)通过旋转电机可精准实现压头的任意角度调节，而其他部件保持固定位置，提高了压头组件的稳定性，省去了手动调节的繁琐；

(3)通过设置微距摄像头，实现了压入位置的精准定位和压入过程的原位观测，使操作更加方便。

附图说明

图1为实施例1的整体结构示意图；

图2为压头组件的结构示意图；

图3为实施例1的联轴器结构示意图；

图4为传感器夹具的结构示意图；

图5为对比例1的整体结构示意图；

图6为实施例1与对比例1的载荷-位移曲线。

其中，1.直线电机；2.位移传感器；3.传感器夹具；31.夹具座；32.夹板；33.夹具孔；4.刚性支撑件；5.旋转电机；6.联轴器；61.上半联轴器；62.下半联轴器；63.双头螺柱；64.弹性体；7.微距摄像头；8.压头组件；81.压头；82.压头托；83.压头杆；9.压力传感器。

具体实施方式

本发明提供了一种用于压痕法测量残余应力的装置及其使用方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

实施例1

参照图1，本实施例提供一种用于压痕法测量残余应力的装置，包括刚性支撑件4、直线电机1、旋转电机5、压头组件8、压力传感器9、位移传感器2及微距摄像头7，刚性支撑件4包括顶板、底板及2个侧板，构成矩形刚性结构，压力传感器9通过螺钉固定于刚性支撑件4的顶板上方，直线电机1位于压力传感器9的上方，旋转电机5设置在刚性支撑件4的顶板与底板之间并通过螺钉与刚性支撑件4的侧板固定连接，刚性支撑件4的底板中部设置压头孔，压头组件8的一端穿过压头孔与旋转电机5连接，位移传感器2通过传感器夹具3固定在刚性支撑件4的侧板外壁，微距摄像头7固定在刚性支撑件4的底板底部。

参照图2，上述压头组件8包括压头81、压头托82及压头杆83，压头81固定在压头托82底部，压头杆83的一端与压头托82固定，压头孔的直径大于压头杆83的直径且小于压头托82的直径，压头81及压头托82位于刚性支撑件4的底板的下方，压头杆83的另一端穿过压头孔通过联轴器6与旋转电机5的输出轴连接。上述压头81具体采用努氏压头。

参照图3，上述联轴器6包括上半联轴器61及下半联轴器62，上半联轴器61及下半联轴器62通过双头螺柱63连接，双头螺柱63的中部未设置螺纹，其两端设置有螺纹，双头螺柱63直接插入上半联轴器61与下半联轴器62的连接孔内，然后两端通过螺母固定，并在双头螺柱63位于上半联轴器61与下半联轴器62之间的部位套设有弹性体64，弹性体64为弹簧或弹性套。在未施加载荷情况下，压头托82与刚性支撑体4的底板底部之间存在一定间隙，且上半联轴器61与下半联轴器62之间存在间隙，弹性体64位于该间隙内。

参照图4，上述传感器夹具3包括夹具座31及2个夹板32，夹具座31固定在刚性支撑件4的侧板外壁上，2个夹板32之间形成夹具孔33，采用螺栓将2个夹板32夹紧使位移传感器2固定在夹具孔33内。

上述位移传感器2在安装时，其检测端的伸出位置高于压头81，以保证位移传感器2比压头81先接触试样。

上述一种用于压痕法测量残余应力的装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将刚性支撑件4、直线电机1、旋转电机5、压头组件8、压力传感器9、位移传感器2及微距摄像头7装配至仪器化压痕设备上，且使位移传感器2的检测端的伸出位置高于压头81以保证位移传感器2比压头81先接触试样，并将直线电机1、旋转电机5、压力传感器9、位移传感器2及微距摄像头7与计算机连接，将试样放于工作台上且位于压头组件8下方；

(2)通过微距摄像头7观测及确定待测量点，使压头81位于待测量点上方，然后通过计算机控制旋转电机5旋转，调整压头81的测量角度；

(3)通过直线电机1施加预加载力，压力传感器9记录载荷变化，施加预加载力时压头81接触试样表面，消除试样表面粗糙度的干扰，并使上半联轴器61与下半联轴器62之间的弹性体64压缩(所采用的弹性体64的弹力小于预加载力)，缩小上半联轴器61与下半联轴器62之间的距离，从而使压头托82与刚性支撑件4的底部紧贴；

(4)当达到预加载力值时，位移传感器2从零开始记录位移变化；

(5)当达到设定位移时，开始卸载载荷，获得该测量角度下的载荷-位移曲线；

(6)待载荷卸载完毕，上半联轴器61与下半联轴器62之间的弹性体64复位，通过计算机控制旋转电机5旋转，调整压头的测量角度，重复上述步骤，获取不同测量角度(0°、45°、90°及135°)下的载荷-位移曲线。

对比例1

参照图5，对比例1提供的一种用于压痕法测量残余应力的装置，将直线电机1、旋转电机5、压力传感器9、压头组件8装配到同一轴线上，位移传感器2通过传感器夹具3固定在旋转电机5的一侧，具体的，压力传感器9位于旋转电机5顶部，直线电机1位于压力传感器9上方，旋转电机5的输出轴通过联轴器6连接压头组件8，该联轴器包括上半联轴器及下半联轴器，且上半联轴器与下半联轴器之间通过螺栓固定连接，两者之间无间隙。

采用对比例1中的装置对同一试样(不同测量点)进行检测获取不同测量角度(0°、45°、90°及135°)下的载荷-位移曲线，且对比例1与实施例1中预加载力相同，设定位移也相同，另外，为减小由于焊缝表面平整度等影响，本实施例1与对比例1均是对同一试样的光滑平面进行检测。

取测量角度均为0°时的测量曲线，绘制到同一图中，如图6所示，通过对比发现：

(1)在施加同样载荷的情况下，对比例1所获得的位移明显大于实施例1，且随着载荷的增大，二者所测得的位移差异逐渐增大，在载荷仅为300N左右时(实际常用600N，此处为保护传感器，试验中施加小于400N的载荷)，位移差值已达6-7μm，这是因为对比例1中位移传感器所测位移不仅包含压头实际压入深度，还包含了旋转电机、联轴器、压头组件等部件自身因受压而产生的弹性变形，压力越大变形越大。而实施例1中由于刚性支撑件的引入，显著降低了位移测量误差，使位移传感器的测量数据更接近压头实际压入深度，提高了计算精度。

(2)在位移量相同的情况下，对比例1所施加的载荷明显小于实施例1。在采用压痕法测量残余应力过程中，一般通过位移控制，即预先设定位移量(压入深度)，将实施例1与对比例1设置相同的位移量，当达到设定位移量50μm时，实施例1与对比例1之间的载荷差值为60-70N，由于对比例1中包含了自身变形所产生的位移，故对比例1的实际压入深度小于位移传感器的测量数据，所需要的载荷也相应较小。且在利用上述检测数据进行残余应力计算时，误差会被放大。

需要说明的是，本申请中未述及的部分可通过现有技术是实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于压痕法测量残余应力的装置，其特征在于，包括刚性支撑件、直线电机、旋转电机、压头组件、压力传感器及位移传感器，所述刚性支撑件包括顶板、底板及2个侧板，所述压力传感器固定于刚性支撑件的顶板上方，所述直线电机位于压力传感器的上方，所述旋转电机设置在刚性支撑件的顶板与底板之间，所述刚性支撑件的底板中部设置压头孔，所述压头组件的一端穿过压头孔与旋转电机连接，所述位移传感器通过传感器夹具固定在刚性支撑件的侧板外壁；

所述压头组件包括压头、压头托及压头杆，所述压头孔的直径大于压头杆的直径且小于压头托的直径，所述压头及压头托位于刚性支撑件的底板的下方，所述压头固定在压头托底部，所述压头杆的一端与压头托固定，所述压头杆的另一端穿过压头孔通过联轴器与旋转电机的输出轴连接；

所述联轴器包括上半联轴器及下半联轴器，所述上半联轴器及下半联轴器通过螺柱连接，且螺柱上套设有弹性体，弹性体的弹力小于预加载力；

所述位移传感器的检测端的伸出位置高于压头。

2.根据权利要求1所述的用于压痕法测量残余应力的装置，其特征在于，所述弹性体为弹簧或弹性套。

3.根据权利要求1所述的用于压痕法测量残余应力的装置，其特征在于，所述传感器夹具包括夹具座及2个夹板，所述夹具座固定在刚性支撑件的侧板外壁上，2个夹板之间形成夹具孔，所述位移传感器固定在夹具孔内。

4.根据权利要求1所述的用于压痕法测量残余应力的装置，其特征在于，所述刚性支撑件的底板底部设置有微距摄像头。

5.根据权利要求4所述的用于压痕法测量残余应力的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将刚性支撑件、直线电机、旋转电机、压头组件、压力传感器、位移传感器及微距摄像头装配至仪器化压痕设备上，且使位移传感器的检测端的伸出位置高于压头以保证位移传感器比压头先接触试样，并将直线电机、旋转电机、压力传感器、位移传感器及微距摄像头与计算机连接，将试样放于工作台上且位于压头组件下方；

（2）通过微距摄像头观测及确定待测量点，使压头位于待测量点上方，然后通过计算机控制旋转电机旋转，调整压头的测量角度；

（3）通过直线电机施加预加载力，压力传感器记录载荷变化，施加预加载力时压头接触试样表面，消除试样表面粗糙度的干扰，并使上半联轴器与下半联轴器之间的弹性体压缩，缩小上半联轴器与下半联轴器之间的距离，从而使压头托与刚性支撑件的底部紧贴；

（4）当达到预加载力值时，压力传感器从零开始记录位移变化；

（5）当达到设定位移时，停止加载，获得该测量角度下的载荷-位移曲线；

（6）待直线电机复位后，上半联轴器与下半联轴器之间的弹性体复位，通过计算机控制旋转电机旋转，调整压头的测量角度，重复上述步骤，获取不同测量角度下的载荷-位移曲线。

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