SE438049B - Sett for utforande av vesentligen oforstorande ytdeformationsmetningar pa ett foremal for bestemning av kvarstaende spenningar - Google Patents

Description

8003291-5 f* 2 miska spänningar, som kan förändra mätresultaten. Tillståndet med spänningsutlösning uppnås och mätes således dynamiskt. Me- toden benämns vara väsentligen oförstörande, eftersom det smäl- ta området åter hårdnar inom några få millisekunder innan någon nämnvärd mängd material har gått förlorad.

Vid en föredragen utföringsform utnyttjas en resistans- töjningsmätare av rosettyp med tre element, varvid ett hål tem- porärt smältes vid centrum av rosetten med den fokuserade strå- len hos en laser, som arbetar i pulsmod med en pulslängd på l-l0 msek. Resistansändringen och således deformationsändringen mäts innan det smälta materialet återgår till ursprunglig form och innan värme sprids in under töjningsmätaren. Kalibrering sker genom smältning för uppnående av spänningsutlösning. Kvar- stående spänning är proportionell mot ytdeformationsmätningar- na, som är resultatet av metoden och enkelt kan beräknas. En- ligt en modifikation av tekniken omger det smälta området töj- ningsmätaren i en i det närmaste hel ring.

Föreliggande sätt mäter kvarstående spänningar inuti materialet, är snabbtoch lämpligt för fältanvändning samt är anpassat till svåra geometriska former, såsom mätning av kvar- stående spänning på innerdiametern hos reaktortuber, som är känsliga för spänningskorrosion. Laserstrålen kan avlänkas medelst optiska komponenter för att bringas infalla på en inre yta hos föremålet.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. l är en planvy över en för användning vid hål- smältning avsedd töjningsmätare av rosettyp innefattande tre element.

Fig. 2 är en tvärsektion genom en reaktortub visande en laser och optik för åstadkommande av lokal smältning för mätning av kvarstående spänning på tubens inneryta.

Fig. 3 är ett schematiskt blockschema över ett deforma- tionsmätsystem med laser.

Fig. 4 är en kurva över deformation som funktion av tid för ett enda töjningsmätelement.

Fig. 5 illustrerar ett i det närmaste fullständigt ring- 8003291-5 format smält område för spänningsutlösning.

Samtliga mätningar av inre eller kvarstående spänning kräver bestämning av ett referensspänningstillstånd och vid sätt som utnyttjar töjningsmätare uppnås referenstillståndet genom spänningsutlösning i föremålet. Kvarstående spänning be- nämns även inre spänning och definieras såsom ett spännings- system i ett fast material som ej är beroende av externa kraf- ter. Enligt föreliggande mätmetod bestäms också referenstill- stândet genom spänningsutlösning i den del som testas, men spänningen utlöses genom transient smältning i omedelbar när- het av töjningsmätaren. Transient eller temporär smältning ut- nyttjas så att deformationsmätningen kan fullständigas innan värme från det smälta området kan spridas till töjningsmätarna och påverka deras värden.

En töjningsmätare 10 av rosettyp enligt fig. l inne- fattande tre element väljs vanligen, då huvudspänningarna och dessas riktningar skall bestämmas. De tre töjningsgivarna ll, 12 och l3 är anordnade utmed en cirkel och orienterade i rikt- ningarna OO, 450 och 900. Vid centrum av töjningsmätaren och koncentriskt med cirkeln finns en ring 14, vilken tjänar som ett inriktningsmönster och inom vilken ett hål 15 transient smältes medelst en på lämpligt sätt exakt inriktad värmekälla.

De bälgformigt veckade töjningselementen och inriktningsmönst- ret utgöres av etsade foliekomponenter på ett plastelement l6 och är tillverkade med utnyttjande av samma teknik som an- vänds vid tryckta kretsar. Vid båda ändarna av respektive töj- ningsgivare är en förstorad kontaktdyna 17 anordnad avsedd att medge elektriska förbindningar till givarna. Den rosett- formade töjningsmätaren utgöres av en metallisk resistanstöj- ningsmätare, som arbetar så att då ett parti av folien meka- niskt töjes erhålles en större längd av en klenare ledare, var- vid den elektriska resistansen normalt ökas. Om resistansele- mentet är intimt förbundet med en deformerad del, så att även denna deformeras, kan den uppmätta resistansändringen kalibre- ras i deformationstermer. Många andra töjningsmätarkonfigura- tioner är kända och kan utnyttjas i stället för den rosett- formade töjningsmätaren beroende på den speciella tillämp- ningen. 8003291-5 Det lokalt smälta området eller hålet l5 för spännings- utlösning skapas vid centrum av töjningsmätaren medelst en fo- , kuserad laser- eller elektronstråle eller med någon annan värmekälla som kan avge en exakt inriktad kort värmepuls. Av dessa föredrages lasern, vilken arbetar i pulsmod med en puls- längd på cirka 1-10 msek. Den korta värmepulsen begränsar det smälta området och skyddar töjningsgivarna och det är även be- tydelsefullt att smälta metallen eller det keramiska före- målet som skall testas utan att orsaka stänkning. Då smält- ningen styrs på önskat sätt slutes hålet åter vid stelnandet.

Den i det närmaste oförstörande naturen hos sättet uppnås till följd av att det smälta området återgår till ursprunglig form inom några få msek. innan någon nämnvärd del av materialet gått förlorad.

Lokal smältning i den omedelbara närheten av töjnings- mätaren medför en utlösning av spänningarna och det är nödvän- digt att mäta ändringen av spänning orsakad av spänningsutlös- ningen dynamiskt innan det smälta omrâdet åter hårdnar och in- nan värmen från det smälta området sprider sig under spännings- mätaren och ger upphov till termisk spänning, som kan ändra mätresultaten. Spänningsutlösningsproceduren fortgår vid lju- dets hastighet i materialet, medan den termiska processen givetvis fortgår vid en betydligt lägre hastighet. Det spän- ningslösa tillståndet uppnås och mätes således dynamiskt. Kali- breringar krävs ej och sker genom smältningen, som ger en noll- referenspunkt.

Utnyttjandet av en på avstånd belägen, riktad värmekälla medger mätningar av kvarstående spänningar vid föremål med svår geometri, såsom innerytan hos ett föremål. Fig. 2 illustrerar ett exempel på mätning av kvarstående spänning på den inre ytan hos en reaktortub 18. Kvarstående spänningar till följd av svetsning spelar en betydande roll i samband med det inter- s granulära spänningskorrosionssprickningsproblemet vid kärnreak- tortuber. Sådan sprickbildning uppträder på innerytan hos tuben och det belägen på avstånd från mätstället och laserstrålen 20 avlän- är här som mätningen måste göras. En effektlaser 19 är kas i tuben medelst ett prisma 21 genom en fokuseringslins 22 sooz291-5 till centrum hos den anbringade töjningsmätaren 10 av rosett- typ. En laservärmekälla och optiska komponenter för avlänkning av strålen, som kan innfatta speglar, kan monteras på en rörlig vagn. Det i det närmaste oförstörande sättet är snabbt, mindre dyrbart än tidigare metoder och medger fältmätningar av kvar- stående spänning.

I fig. 3 illustreras ett blockschema över ett komplett deformationsmätsystem med laser. Lasersubsystemet innefattar en inriktningslaser 25, en effektlaser 26 och en fokuserings- lins 27, vilka komponenter är tillgängliga på marknaden. In- riktningslasern har låg effekt och utgöres exempelvis av en helium-neonlaser samt är monterad på en gemensam axel med effektlasern, som kan vara.en neodymiumdopad glaslaser med en våglängd på 1,06/am. Inriktningslasern har en annan våglängd inom det röda omrâdet och säkerställer att effektlaserns värme- puls träffar centrum av töjningsmätaren. Töjningsmätaren 10 är av det slag som visas i fig. l och kan utgöras av en kom- mersiellt tillgänglig för hålborrning avsedd töjningsmätare av rosettyp. Sådana töjningsmätare är relativt små med en to- tal dimension på 6,35 mm eller mindre och kan vara förbundna med föremålet 28 medelst ett lämpligt bindemedel.Ändring i töjning sedan lasern har smält ett hål uppmätes av den elekt- riska kretsen innefattande en strömkälla och förstärkare 29.

En konstant ström matas till varje mätelement och den uppmätta spänningen över elementet är direkt proportionell mot töj- ningen, vilken i sin tur är proportionell mot spänningen.

Spänningen bestämmes genom multiplicering av töjningen med elasticitetsmodulen, E, för testmaterialet. Fig. 4 anger en typisk kurva för töjning relativt tid för ett föremål eller del med kvarstående spänning. Det mätvärde som önskas är maxi- mivärdet för töjningen, detta är nollreferenstillståndet för det spänningsutlösta materialet och uppträder då materialet är smält.

Den återstående delen av systemet i fig. 3 innefattar oscilloskop 30-32 som arbetar med tre parallella kanaler, en för varje töjningselement, med kameraupptagning och en fler- kanalig bandspelare 33, så att data kan spelas upp och under- 8003291-5 sökas när så önskas. En trigger 34 matar en startsignal till lasern 26 och till oscilloscopen och startar även en klocka 35 - för fördröjd funktion av bandspelaren. Med kännedom om de tre töjningarna hos töjningsmätaren av rosettyp är beräkningen av spänningarna och storleken av huvudspänningarna och dessas riktningar en rutinsak. Här refereras till "Hole-Drilling Strain-Gage-Mothod of Measuring Residual Stresses", N.G. Rendler och I. Vigness, Experflæntal Mechanics, December 1966, p. 577- 586, och till boken "Mechanical Measurments", andra upplagan, T.G. Beckwith och N.L. Buch, Addison-Wesley Publishing Company, l973, Library of Congress Catalog Card No. 70-85308. Alterna- tivt utnyttjas en mikroprocessor, varvid de tre spänningarna representerar töjning och vilken genomför beräkningen av huvudspänningarna och dessas riktning.

Under vissa förhållanden kan hålsmältningsmetoden ha o- tillräcklig känslighet eller noggrannhet och trepaneringssättet kan utnyttjas, då en mer exakt och känslig teknik krävs. I detta fall smältes ett nästan fullständigt ringformat spännings- utlösande område 36, se fig. 5, omkring töjningsmätarens om-' krets. En exakt fokuserad laserstrâle avlänkas för avsökning av den nästan fullständiga ringen.

Ett alternativt sätt beskrivs och patentsöks i vår sam- tidigt härmed ingivna svenska patentansökan med nr 8003290-7.

Töjningsmätningen utföres vid detta efter det att det lokalt smälta omrâdet har återgått till utgångstillståndet och sedan termiska spänningar har försvunnit och effekten av både ter- misk spänning och âterbildningsspänningen elimineras genom att subtrahera ett kalibreringsmätvärde från ett glödgat prov av samma material från mätningen av föremålet med kvarstående spänning. o!

Claims (5)

g soo3291-5 7 Patentkrav

1. Sätt för utförande av väsentligen oförstörande yt- deformationsmätningar på ett föremål (18; 28) för bestämning av kvarstående spänningar, varvid en töjningsgivare (10) anbringas på ytan hos föremålet som skall undersökas, k ä n n n e t e c k n a t av temporär lokal smältning av ett område (15; 36) av föremålet (18; 28) i omedelbar när- het av töjningsgivaren (10) med hjälp av en riktad värme- källa (19, 26) för att därigenom utlösa spänningarna och uppnå ett nollreferenstillstånd för det_spänningsutlösta området, och dynamisk mätning (fig. 3 och 4) av den deforma- tionsändring hos föremålet (18; 28) som erhålles till följd av spänningsutlösningen till nämnda nollreferenstillstånd under den tid nämnda område (15; 36) är smält och innan värme sprider sig i materialet in under töjningsgivaren (10) och resulterar i termisk spänning, som kan ändra den uppmätta deformationsändringen i samband med uppnåendet av nämnda nollreferenstillstånd.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att som nämnda värmekälla utnyttjas en fokuserad laser- stråle (20).

3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att man utnyttjar en laserstråle (20) med en pulslängd på 1-10 msek.

4. Sätt enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t av att laserstrålen (20) avlänkas för inriktning av strålen på innerytan hos ett ihåligt föremål (18) som skall under- sökas.

5. Sätt enligt något av krav 1-4, k ä n n e t e c k- n a t av att man utnyttjar en resistanstöjningsgivare (10) av rosettyp med ett flertal element (11, 12,13), som an- bringas på ytan hos föremålet (18; 28) som skall undersökas, av lokal och transient smältning av ett hål (15) i före- målet (18; 28) i centrum av rosettöjningsmätaren (10) medelst en fokuserad laserstråle (20) för spänningsutlös- ning, samt av dynamisk mätning av resistansen hos varje 8003291-5 8 töjningselement (11, 12,l3) och således av deformations- ändringen medan materialet är smält och innan värme sprids i materialet in under töjningsgivaren (10) cch resulterar i termisk spänning, som kan påverka mätningarna. *x