SE438207B - Sett for utforande av vesentligen oforstorande ytdeformationsmetningar pa ett foremal for bestemning av kvarstaende spenningar - Google Patents

Description

8003290-7 Termiska spänningar försvinner då temperaturen sjunker, varvid återformningsspänningarna blir dominerande och den deforma- tionsändring som orsakas av spänningsavlastningen mätes nu me- delst relativt enkla elektriska kretsar. Effekterna av såväl termisk spänning som återformningsspänning elimineras genom att subtrahera ett kalibreringsmätvärde från ett glödgat före- mål av samma material från mätvärdet för föremålet som testas.

Det resulterande värdet utnyttjas för beräkning av kvarstående spänningar.

Vid ett föredraget utförande av sättet enligt uppfin- ningen utnyttjas en resistanstöjningsmätare av rosettyp med tre element, varvid ett hål temporärt smältes i centrum för roset-_ ten medelst en laser, som arbetar i pulsmod. Kalibreringsmät- ningen av deformationen hos ett glödgat föremål sker genom att väsentligen identiskt duplicera förfarandet vid föremåletoch avvakta en tillräcklig eld sedan hålet åter hårdnar (lo-ao sek.) för att termiska spänningar och återformningsspänningar skall stabiliseras. I stället för hålsmältning krävs, då en mer exakt och känslig teknik erfordras, att en väsentligen fullständig, spänningsutlösande ring smältes omkring töjningsmätarens om- krets. I Detta sätt mäter kvarstående spänning i materialets in- re, är väsentligen oförstörande på grund av ringa materialför- lust, kan utnyttjas tillsammans med optiska komponenter för av- länkning av laserstrålen för mätning av kvarstående spänning på innerytan hos rör och andra delar, samt är mindre dyrbart än existerande metoder.

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

Fig. l är en planvy över en för användning vid hålsmält- ning avsedd töjningsmätare av rosettyp_med tre element.

Fig. 2 är en kurva illustrerande deformation som funk- tion av tid för ett föremål med kvarstående spänning och ett glödgat kalibreringsprov.

Fig. 3 är en tvärsektion genom en reaktortub visande en laser och optik för åstadkommande av lokal smältning för mät- ning av kvarstående spänning på innerytan hos tuben. 8003290-7 Fig. 4 är ett schematiskt blockschema över ett deforma- tionsmätsystem med laser.

Fig. 5 illustrerar ett i det närmaste fullständigt ringformat smält område för spänningsutlösning.

Sättet enligt uppfinningen för mätning av kvarstående spänning är baserat på den välkända hålborrningstekniken. Kvar- stående spänningar utvärderas från mätningen av ytdeformatio- ner, vilka orsakas av spänningar som utlöses vid hålet. Enligt föreliggande sätt smältes transient ett hål i föremålet som skall testas i omedelbar närhet av töjningsmätaren för att å- stadkomma spänningsutlösning. Under vissa förhållanden kan hål- smältningsmetoden ha otillräcklig känslighet eller noggrannhet och trepaneringsmetoden kan utnyttjas, då en mer exakt och mer känslig teknik erfordras. I detta fall smälts i stället för ett hål i centrum av töjningsmätaren en spänningsavlastande ring eller en i det närmaste fullständig ring omkring töjnings- mäturens omkrets. Det väsentligen oförstörande sättet kan till- lämpas vid trnpancring såväl som vid hålsmältning samt i sam- band med lokalt smälta områden av andra former.

En töjningsmätare 10 av rosettyp med tre element enligt fig. l väljs vanligen, då huvudspänningarna och en huvudrikt- ning skall bestämmas. De tre töjningsgivarelementen ll, 12 och 13 är anordnade runt en cirkel och orienterade i riktningarna Oo, 900 och 2250. Vid centrum av töjningsmätaren och koncen- triskt med cirkeln finns en ring 14, vilken tjänar som ett in- riktningsmönster och inom vilken ett hål 15 temporärt smältes av en exakt inriktad värmekälla. De bälgformigt veckade töj- ningselementen och inriktningsmönstret utgöres av etsade folie- komponenter på en plastkropp 16 och är tillverkade med utnytt- jande av samma teknik som vid tillverkning av tryckta kretsar.

Vid de båda ändarna_av töjningselementen finns en förstorad kontaktdyna avsedd för elektriska förbindningar. Rosettöjnings~ mätaren 10 utgöres av en resistiv metalltöjningsmätare, vilken arbetar så, att då ett parti av folien mekaniskt sträckes er- hålles en större längd av en klenare ledare, varvid den elek- triska resistansen normalt ökar. Om resistanselementet över sin längd är intimt förbunden med en deformerad del på sådant sätt drogen ensam 8003290-7 att även denna deformeras kan en mätning av resistansändringen kalibreras i deformationstermer. Många andra töjningsmätarkon- figurationer är kända och kan utnyttjas i stället för rosett- töjningsmätaren beroende på den speciella tillämpningen.

Det lokalt smälta hålet eller området 15 för spännings- utlösning åstadkommes i centrum för töjningsmätaren medelst en fokuserad laser- eller elektronstrâle eller medelst annan lämp- lig värmekälla, som ger en exakt inriktbar kort värmepuls. Av dessa föredrages lasern, vilken bringas arbeta i pulsmod med en pulslängd på cirka 1-l0 msek. Den korta värmepulsen begrän- sar det smälta området och skyddar töjningsmätarna och är även av betydelse för smältning av metallen eller plastföremålet som testas utan att åstadkomma stänkning. Då smältningen kontrol- leras på önskat sätt slutes hålet väsentligen fullständigt vid återstelnandet. Den väsentligen oförstörande naturen hos sättet åstadkommestill följd av att det smälta omrâdet återformas inom några få msek.innan någon väsentlig mängd av materialet gått förlorad. ' Sättet för mätning av kvarstående spänning genom lokal smältning sker på följande sätt. Först tillför lasern energi till föremålet under en viss tidsperiod och ett smält hål for- mas,varvid kvarstående spänning utlöses i dettas närhet. Sam- tidigt införes även termisk spänning till följd av en icke lik- formig temperaturfördelning. Sedan laserpulsen upphört börjar det smälta_hålet att åter stelna. Termiska spänningar försvin- ner då temperaturen sjunker och återformningsspänningar blir dominerande. Ändringen i deformationen orsakad av spänningsav- lastning mäts sedan det smälta området åter hårdnat och efter en tillräcklig tidsperiod, cirka lO-30 sek., för att termiska spänningar och återformningsspänningar skall stabiliseras. Z Kurvan över deformation som funktion av tid i fig. 2 avseende ett föremål med kvarstående spänningar visar, att toppvärdet för deformationen uppträder under det att området är smält och att deformationen är väsentligen konstant efter en kort tids- period. Effekten av både termisk spänning och återformnings- spänning elimineras då en kalibreringsmätning av ett glödgat prov subtraheras från en mätning av ett föremål med kvar- 8003-290-7 stående spänning. Det glödgade provet måste vara av samma ma- terial som föremålet som testas, såsom rostfritt stål, men be- höver ej ha samma form, exempelvis kan det ena utgöras av ett rör och det andra av en plan skiva. Ett glödgat prov väljs, eftersom det ej har nâgra inbyggda, kvarstående spänningar, varför en spänningsfri mätning kan utföras. Kalibreringsmät- ningen av deformationen utföres genom att väsentligen iden- tiskt duplicera testet som utföres på föremålet. Med referens fig. 2 för det sedan det smäl- till kurvan avseende deformation relativt tid i glödgade provet uppmätes likaså ytdeformationen ta området hårdnat och effekten av termiska och återformnings- spänningar har stabiliserats. Avlastningsdeformationen,A¿, erhålles genom att subtrahera deformationen av det glödgade ' provet från deformationen av föremålet med kvarstående spän- ning och utnyttjas för beräkning av kvarstående spänningar.

Det tvåaxiella spänningsfältet, tre obekanta, två huvudspän- ningar och en huvudriktning, kan lösas genom att anordna tre töjningsmätare i olika riktningar.

Utnyttjandet av en på avstånd belägen riktad värmekälla medger mätningar av kvarstående spänning hos föremål med kom- plicerad form, såsom innerytan hos en del. Med referens till fig. 3 illustreras såsom exempel mätning av kvarstående spän- ning på innerytan hos en reaktortub 18. Kvarstående spänningar från svetsning spelar en väsentlig roll i det intergranulära spänningserosionssprickbildningsproblemet i kärnreaktortuber och eftersom sådan sprickbildning uppträder på innerytan hos tuben är det här som mätningen måste utföras. En effektlaser l9 är belägen.påavstånd från mätstället och en laserstråle 20 avlänkas sedan den inkommit i tuben medelst ett prisma 21 genom en fokuseringslins 22 till centrum hos den anbringade rosett- töjningsmätaren 10. Laservärmekällan och de optiska komponen- terna för avlänkning av strålen, vilka kan innefatta speglar, kan monteras på en rörlig vagn. Det väsentligen oförstörande sättet är snabbt, mindre dyrbart än existerande metoder och medger fältmätningar av kvarstående spänning.

I fig. 4 visas ett blockschema över ett komplett laser- system för deformationsmätning. Lasersubsystemet innefattar en inriktningslaser 25, en effektlaser 26 och en folkuserings- lins 27, vilka komponenter kan utgöras av kommersiellt till- POOR QUIíLITï ~s0o329u-7 6 gängliga komponenter. Inriktningslasern med låg effekt utgöres i ett subsystem av en helium-neonlaser, som är monterad på en gemensam axel med effektlasern, vilken kan vara en neodymium- glaslaser med en våglängd på 1,06/im. Inriktningslasern har en annan våglängd inom det röda området och säkerställer att ef- fektlaserns värmepuls träffar i centrum av töjningsmätaren.

Töjningsmätaren l0 är av samma typ som i fig. l och kan ut- göras av en kommersiellt tillgänglig för hålborrning avsedd töjningsmätare av rosettyp. Dessa töjningsmätare är relativt_ små med en total dimension på 6,35 mm eller mindre och är bundna till föremålet eller provet 28 medelst lämpligt binde- medel. Ändringen av deformationen efter smältning medelst la- sern uppmätes av en elektrisk krets innefattande en ström- källa och förstärkare 29. En konstant ström matas till varje töjningselement och den uppmätta spänningen över elementetär direkt proportionell mot töjningen, vilken i sin tur är proportionell mot spänningen. Spänningen bestäms från töjningar som uppmätes medelst lämpliga formler, som innefattar Pdssons tal och elas- ticitetsmodulen, E, för materialet. Om man antar att tuben 18 är föremålet som skall testas och stången 28 är det glödgade provet utnyttjas samma töjningsmätare för båda testen och 4 lasersubsystemet, pulslängd och energimatning från laserpul- sen dupliceras. Så snart man en gång bestämt kalibreringsvär- dena för deformationen för ett givet material är det ej nöd- vändigt att upprepa denna procedur varje gång ett föremål av detta material testas, Vidare kan spänningen, som represente- rar kalibreringsmätningen av det glödgade föremålet, automa- tiskt subtraheras från den uppmätta spänningen för ett före- mål med kvarstående spänning medelst utrustningen. Det finns olika sätt att göra detta, vilka är självklara för fackmannen.

Med kunskap om de tre avlastningsdeformationerna,A8 , för rosettöjningsmätarutrustningen är beräkningen av spänningar och storleken hos huvudspänningarna och dessas riktningar en rutinsak. Här refereras till "Hole-Drilling Strain-Gage Method of Measuring Recidual Stresses" N.G. Rendler och I. Vigness, Experimental Mechanics, December 1966, p. 577-586, samt till boken "Mechanical Measurements" andra upplagan, T.G. Backwith och N.L. Buck, Addison-Wesley Publishing Company, Inc. 1973, soos290~? Library of Congress Catalog Card No. 70-85380. Alternativt matas en mikroprocessor med de tre spänningarna representeran- de avlastningsdeformation och genomför den beräkningen av hu- vudspänningarna och dessas riktningar. Denna teknik mäter kvar- stående spänning i materialets inre, dvs. genomsnittsspänning till ett djup av 1,27 mm eller mer._. ' Den tidigare omnämnda trepaneringsmetoden illustreras i fig. 5 och är tillgänglig, då en mer exakt och känslig tek- nik erfordras. I detta fall smältes i stället för ett hål i centrum av töjningsmätaren ett spänningsavlastande i det när- maste fullständigt ringformat område 30 runt omkring töjnings- mätarens omkrets. En exakt fokuserad laserstråle avlänkas för att följa den väsentligen fullständiga ringen under kvarläm- nande av plats för att medge passage av ledningar till töj- ningsmätarelementen. "r two-rr. .nflfvrï v v' 'i- .-' \.- '--'~\, »z K. i zahjß. .

Claims (4)

8003290-7 8 Patentkrav

1. Sätt för utförande av väsentligen oförstörande yt- deformationsmätningar på ett föremål (18; 28) för bestämning av kvarstående spänningar, vid vilket en töjningsgivare (10) anbringas på ytan hos föremålet som skall undersökas, k ä n n e t e c k n a t av temporär lokal smältning av ett område (15; 30) hos föremålet i-omedelbar närhet av töjnings- givaren med hjälp av en riktad värmekälla (19, 26) för att därigenom utlösa spänningarna i föremålet, uppmätning med hjälp av nämnda töjningsgivare (10) av den deformations- ändring som erhålles till följd av spänningsutlösningen sedan det smälta området (15; 30) åter har hårdnat och efter det att en tillräcklig tid förlöpt för att termiska.spänningar skall försvinna och återformningsspänningar bli dominanta i_ det åter hårda, tidigare smälta området, samt subtraktion från den uppmätta deformationen hos föremålet som undersöks av ett kalibreringsmätvärde för deformationen hos ett ut- glödgat prov av samma material som föremålet som undersöks,h varvid kalibreringsmätningen sker genom en identisk temporär lokal smältning av ett område hos provet i dan omedelbara närheten av en.;öjningsgivare med hjälp av en riktad värme- källa och uppmätning med hjälp av nämnda töjningsgivare av den deformationsändring som erhålles till följd av spännings- utlösningen sedan det smälta området åter har hårdnat och efter det att en tillräcklig tid förlöpt för att termiska spänningar skall försvinna och âterformningsspänningar bli dominanta i det åter hårda, tidigare smälta området.

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 laserstrålpuls (20) med en pulslängd på cirka 1-10 msek.

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

4. Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k- n a L av att man utnyttjar en resistanstöjningsgivare (10) av rosettyp med ett flertal element (11, 12, 13), som an- ._._..-_._,._ _ _: _ _ V-. i ~ __ n-" __..__.., f f _.. f, ,- ....- 80032904 bringas på ytan hos föremålet (18; 28) som skall undersökas respektive på ytan hos ett utglödgat prov av samma material som i nämnda föremål, av temporär lokal smältning av ett hål (15) i föremålet (18; 28) och i det glödgade provet vid centrum av respektive rosettöjningsmätare (10) medelst en fokuserad laserstråle (20) för att därvid åstadkomma spän-0 ningsutlösning, av mätning av den deformationsändring som erhålles till följd av spänningsutlösningen för både före- målet ma; 28) eeh det utgiödgeae provet seden det smälte området åter har hårdnat och efter det att en tillräcklig tid förlöpt för att termiska spänningar och âterformnings- spänningar skall stabiliseras, samt av subtraktion av kali- .breringsmätvärdet för deformationen hos det utglödgade provet från mätvärdet för deformationen hos föremålet (18; 28) för erhållande av ett värde för användning vid bestämning av kvarstående spänningar. PooR 01:12.: