專利名稱：一種無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，確切地講，是一種采用激光紅外測(cè)溫技術(shù)測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，屬借助于測(cè)定材料的物理性質(zhì)來測(cè)試的方法技術(shù)領(lǐng)域。
目前，有多種方法可以測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力，如光彈法、電測(cè)法、磁性法、超聲法、X射線法等，這些方法的應(yīng)用在一定程度上解決了許多工程問題，但這些方法還遠(yuǎn)不是一種完美的、令人滿意的方法，因?yàn)楣鈴椃ā㈦姕y(cè)法需在材料上鉆孔，磁性法只限于磁性材料，X射線法只能測(cè)量深度約0.01mm的表層應(yīng)力，其它核輻射方法測(cè)量深度較深，但安全性和可運(yùn)輸性較差。近幾年，國(guó)外有人提出了一種稱為“殘余應(yīng)力熱分析”原理，該原理的根據(jù)是加熱氣體的恒壓比熱總是大于恒容比熱，因此在向氣體注入相同的情況下，氣體在壓力較低而比熱值較高的點(diǎn)所引起的溫升小于壓力較高而比熱值較低的點(diǎn)，由于比熱值變化是連續(xù)的，所以注入相同能量所引起的溫升與氣體的壓力成正比，并且，固體中情況很類似，應(yīng)力和壓力是同一種物理現(xiàn)象，由此推論出“殘余應(yīng)力熱分析”原理，即由于向物體注入一定能量將產(chǎn)生一個(gè)與應(yīng)力有關(guān)的溫升差異，如果能夠足夠精確地測(cè)量構(gòu)件表面的每一點(diǎn)溫升，就可以得到一條與應(yīng)力有關(guān)的物體溫升曲線。如果應(yīng)用該原理提出一種新的測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，將是一種非常有前途的方法，但經(jīng)國(guó)內(nèi)及國(guó)外檢索表明，尚無在“殘余應(yīng)力熱分析”原理指導(dǎo)下的測(cè)量殘余應(yīng)力的方法。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足而提供一種無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，它是一種在“殘余應(yīng)力熱分析”原理指導(dǎo)下的新方法，并且應(yīng)是比較令人滿意及完美的新方法。
本發(fā)明的目的是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的它應(yīng)用“殘余應(yīng)力熱分析”原理，其關(guān)鍵是保證向被測(cè)量構(gòu)件表面每一點(diǎn)注入相同的能量，及足夠精確地測(cè)量每一點(diǎn)的溫升。本發(fā)明借助于激光發(fā)射器與紅外接收儀，采用激光紅外測(cè)溫技術(shù)，用激光發(fā)射器發(fā)射的激光束向被測(cè)量構(gòu)件表面的每一點(diǎn)注入相同的能量，殘余應(yīng)力部位將引起與其應(yīng)力分布有關(guān)的溫升差異，用紅外接收儀接收該溫升的輻射紅外線，足夠精確地測(cè)定出所需溫度，并記錄，從而繪制出被測(cè)量構(gòu)件的溫度分布曲線，用同樣的方法繪制出一個(gè)已知?dú)堄鄳?yīng)力分布曲線，即標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的溫度分布曲線，再用兩曲線繪制出標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-溫度曲線，并用被測(cè)量構(gòu)件的溫度分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-溫度曲線標(biāo)定，繪制出被測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
具體的方法之一是首先調(diào)試激光發(fā)射器至穩(wěn)定狀態(tài)，即其能連續(xù)發(fā)射出恒定功率的激光束，再用激光束照射被測(cè)量構(gòu)件表面的一點(diǎn)，可以選取殘余應(yīng)力部位范圍內(nèi)或附近的任一點(diǎn)，照射直至該點(diǎn)達(dá)到平衡溫度，即照射所注入的能量和損耗的能量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，達(dá)到的穩(wěn)定溫度。照射的溫升達(dá)到平衡溫度，隨之引發(fā)輻射紅外線，所說的照射意味著一定時(shí)間的滯留，但無具體的時(shí)間限制，只要能達(dá)到平衡溫度即可。利用激光束本身的特性、恒定功率及平衡溫度等特點(diǎn)，以保證向被測(cè)量構(gòu)件表面每一點(diǎn)注入相同的能量。在照射的同時(shí)，用紅外接收儀接收被測(cè)量構(gòu)件表面的該點(diǎn)的輻射紅外線，實(shí)質(zhì)上是利用平衡溫度的溫升引發(fā)的輻射紅外線，由紅外接收儀測(cè)定出該點(diǎn)的平衡溫度，記錄該點(diǎn)平衡溫度，這些可以利用現(xiàn)有設(shè)備達(dá)到足夠的精確及全面。重復(fù)以上工作，即保持激光束的功率、照射狀況等不變，用相同的步驟，測(cè)定、記錄其它若干點(diǎn)的平衡溫度，直至得到足夠的若干點(diǎn)的平衡溫度，可以繪制出被測(cè)量構(gòu)件的平衡溫度分布曲線。重復(fù)以上工作步驟，即保持激光束的功率、照射狀況、取點(diǎn)分布等不變，仍用以上的方法及步驟，繪制出一個(gè)已知?dú)堄鄳?yīng)力分布曲線，即標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的平衡溫度分布曲線，用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的平衡溫度分布曲線與殘余應(yīng)力分布曲線，繪制出以殘余應(yīng)力量為縱坐標(biāo)、以平衡溫度量為橫坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線，再用被測(cè)量構(gòu)件的平衡溫度分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線標(biāo)定，所說的標(biāo)定為常規(guī)方法，即取被測(cè)量構(gòu)件及標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件相同的平衡溫度量在標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線上，所對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力量，就可以繪制出被測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
具體的方法之二是首先調(diào)試激光發(fā)射器至穩(wěn)定狀態(tài)，即其能連續(xù)發(fā)射出恒定功率的激光束，再用激光束勻速掃描被測(cè)量構(gòu)件表面，可以選擇殘余應(yīng)力部位范圍內(nèi)或附近掃描，所說的勻速無具體限制，只要能使被測(cè)量構(gòu)件表面的掃描部分能引起即時(shí)溫升即可，隨之引發(fā)輻射紅外線。利用激光束本身的特性、恒定功率、勻速掃描等特點(diǎn)，以保證向被測(cè)量構(gòu)件表面每一點(diǎn)注入相同的能量。在掃描的同時(shí)，用紅外接收儀接收被測(cè)量構(gòu)件表面的輻射紅外線，實(shí)質(zhì)上是利用即時(shí)溫度的溫升引發(fā)的輻射紅外線，由紅外接收儀測(cè)定出掃描范圍內(nèi)的全場(chǎng)即時(shí)溫度，記錄全場(chǎng)即時(shí)溫度，這些可以利用現(xiàn)有設(shè)備達(dá)到足夠的精確及全面，由此可以繪制出被測(cè)量構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線。重復(fù)以上工作步驟，即保持激光束的功率、勻速掃描狀況等不變，仍用以上的方法及步驟，繪制出一個(gè)已知?dú)堄鄳?yīng)力分布曲線，即標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線，用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線與殘余應(yīng)力分布曲線，繪制出以殘余應(yīng)力量為縱坐標(biāo)、以即時(shí)溫度量為橫坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-即時(shí)溫度曲線，再用被測(cè)量構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-即時(shí)溫度曲線標(biāo)定，所說的標(biāo)定為常規(guī)方法，即取被測(cè)量構(gòu)件及標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件相同的即時(shí)溫度量在標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-即時(shí)溫度曲線上，所對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力量，就可以繪制出被測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
在方法一、二中，所說的平衡溫度、即時(shí)溫度分布曲線，是指沿橫穿被測(cè)量構(gòu)件殘余應(yīng)力部位的長(zhǎng)度分布曲線，即縱坐標(biāo)為溫度量，橫坐標(biāo)為橫穿被測(cè)量構(gòu)件殘余應(yīng)力部位的長(zhǎng)度量，相對(duì)應(yīng)，被測(cè)量構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線，也是指相同的沿橫穿被測(cè)量構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件殘余應(yīng)力部位的長(zhǎng)度分布曲線，同時(shí)，激光束的照射移動(dòng)方向、掃描移動(dòng)方向均可按此長(zhǎng)度方向。此外，所說的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的工況以盡可能與被測(cè)量構(gòu)件工況相近或類似為好，以利于測(cè)量方便、準(zhǔn)確。
在方法一、二中，所說的激光發(fā)射器的發(fā)射功率為50-150瓦，以不損傷被測(cè)量構(gòu)件的表面，又能達(dá)到易于精確測(cè)量溫升的要求。所說的激光發(fā)射器發(fā)射的激光束波長(zhǎng)為10.8μm，紅外接收儀的接收波長(zhǎng)為2-6μm，兩波長(zhǎng)不相同，并且，激光束應(yīng)避免垂直照射或掃描被測(cè)量構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件表面，以避免紅外接收儀接收入相同波長(zhǎng)的激光束或完全接收入激光束，而影響測(cè)量精度。
本發(fā)明中所說的激光發(fā)射器可采用現(xiàn)有技術(shù)中的激光加熱系統(tǒng)或激光器，紅外接收儀可采用紅外熱成像儀，記錄時(shí)可采用監(jiān)視器及磁盤記錄分析儀，均可達(dá)到測(cè)量要求及精度。此外，可以在激光發(fā)射器與紅外接收儀之間加入同步機(jī)構(gòu)，以在照射或掃描的同時(shí)，測(cè)定、記錄溫度，也可以說為同步進(jìn)行。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中的多種測(cè)量方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、其為一種無損測(cè)量，可避免如光彈法、電測(cè)法需在材料上鉆孔，而對(duì)材料本身造成損傷的問題，2、其適用于金屬、非金屬、磁性材料等各種材料的測(cè)量，3、測(cè)量深度為X射線法的100倍，可達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)，4、其安全性和可運(yùn)輸性較強(qiáng)，適用于各種場(chǎng)合的測(cè)量，5、提高了測(cè)系牟飭浚 、提高了測(cè)量精度。綜上所述，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的多種測(cè)量方法之不足，是一種比較令人滿意及完美的新方法。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的示意圖。
圖2是實(shí)施例一被測(cè)量構(gòu)件的平衡溫度分布曲線。
圖3是實(shí)施例一標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的平衡溫度分布曲線。
圖4是實(shí)施例一標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
圖5是實(shí)施例一標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線。
圖6是實(shí)施例一被測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
圖7是實(shí)施例二被測(cè)量構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線。
以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例詳述。
本發(fā)明的實(shí)施例中，被測(cè)量構(gòu)件1采用300mm×120mm×5mm的16Mn鋼板，中心沿長(zhǎng)度方向開12mm×60mm的槽，開槽后進(jìn)行650℃、2小時(shí)去應(yīng)力退火，用φ2.5mm的J507焊條堆焊后進(jìn)行磨削。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件2與被測(cè)量構(gòu)件1工況相近，采用300mm×120mm×8mm的16Mn鋼板，中心沿長(zhǎng)度方向開12mm×60mm的槽，開槽后進(jìn)行650℃、2小時(shí)去應(yīng)力退火，用φ2.5mm的J507焊條堆焊后進(jìn)行磨削。所采用的激光發(fā)射器為北京市機(jī)電研究院生產(chǎn)的GJ-Ⅱ-SJ-Ⅲ、發(fā)射功率為50-150瓦的激光加熱系統(tǒng)3，將其調(diào)試至穩(wěn)定狀態(tài)，使其發(fā)射出80瓦的恒定功率激光束，并且激光束波長(zhǎng)為10.8μm，測(cè)溫采用美國(guó)生產(chǎn)的TVS3500紅外熱成像儀4，其接收波長(zhǎng)為2-6μm，記錄所用為普通的國(guó)產(chǎn)監(jiān)視器5及磁盤記錄分析儀6。
實(shí)施例一為激光加熱系統(tǒng)3照射被測(cè)量構(gòu)件1焊縫附近或范圍內(nèi)的某一點(diǎn)一定時(shí)間，同時(shí)用紅外熱成像儀4測(cè)定出該點(diǎn)平衡溫度，用監(jiān)視器5記錄該點(diǎn)平衡溫度，沿橫穿焊縫的長(zhǎng)度方向移動(dòng)激光加熱系統(tǒng)3的激光束至下一點(diǎn)，重復(fù)以上工作，繪制出被測(cè)量構(gòu)件1的平衡溫度分布曲線(圖2)，即沿橫穿焊縫長(zhǎng)度分布曲線。重復(fù)以上步驟，仍采用以上方法，繪制出標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件2的平衡溫度分布曲線(圖3)，用已知的殘余應(yīng)力分布曲線(圖4)與平衡溫度分布曲線(圖3)，繪制出標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線(圖5)，再用被測(cè)量構(gòu)件的平衡溫度分布曲線(圖2)與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線(圖5)標(biāo)定，繪制出被測(cè)量構(gòu)件1沿橫穿焊縫長(zhǎng)度的殘余應(yīng)力分布曲線(圖6)。
實(shí)施例二為激光加熱系統(tǒng)3沿橫穿焊縫方向勻速掃描被測(cè)量構(gòu)件1，同時(shí)用紅外熱成像儀4全場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)定被測(cè)量構(gòu)件1的即時(shí)溫度，并用磁盤記錄分析儀6記錄若干幅全場(chǎng)溫度圖像，用監(jiān)視器5重放每一幅全場(chǎng)溫度圖像，繪制出被測(cè)量構(gòu)件1的即時(shí)溫度分布曲線(圖7)，即沿橫穿焊縫長(zhǎng)度分布曲線。
從圖6與圖4對(duì)照結(jié)果看，完全反映出了殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)，從圖7與圖4對(duì)照結(jié)果看，基本上反映出了殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種借助于激光發(fā)射器與紅外接收儀，采用激光紅外測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行a，調(diào)試激光發(fā)射器至穩(wěn)定狀態(tài)，其能發(fā)射出恒定功率的激光束，b，用激光束照射被測(cè)量構(gòu)件表面的一點(diǎn)，c，在照射的同時(shí)，用紅外接收儀接收被測(cè)量構(gòu)件表面的該點(diǎn)的輻射紅外線，測(cè)定出該點(diǎn)的平衡溫度，d，記錄該點(diǎn)平衡溫度，e，重復(fù)以上工作，繪制出被測(cè)量構(gòu)件的平衡溫度分布曲線，f，重復(fù)以上工作步驟，繪制出標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的平衡溫度分布曲線，g，用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的平衡溫度分布曲線與殘余應(yīng)力分布曲線，繪制出標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線，h，用被測(cè)量構(gòu)件的平衡溫度分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-平衡溫度曲線標(biāo)定，繪制出被測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
2.一種借助于激光發(fā)射器與紅外接收儀，采用激光紅外測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行a，調(diào)試激光發(fā)射器至穩(wěn)定狀態(tài)，其能發(fā)射出恒定功率的激光束，b，用激光束勻速掃描被測(cè)量構(gòu)件表面，c，在掃描的同時(shí)，用紅外接收儀接收被測(cè)量構(gòu)件表面的輻射紅外線，測(cè)定出掃描范圍內(nèi)的全場(chǎng)即時(shí)溫度，d，記錄全場(chǎng)即時(shí)溫度，繪制出被測(cè)量構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線，e，重復(fù)以上工作步驟，繪制出標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線，f，用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線與殘余應(yīng)力分布曲線，繪制出標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-即時(shí)溫度曲線，g，用被測(cè)量構(gòu)件的即時(shí)溫度分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的殘余應(yīng)力-即時(shí)溫度曲線標(biāo)定，繪制出被測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，其特征在于所說的平衡溫度、即時(shí)溫度分布曲線是沿橫穿被測(cè)量構(gòu)件殘余應(yīng)力部位的長(zhǎng)度分布曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，其特征在于所說的激光發(fā)射器的發(fā)射功率為50-150瓦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，其特征在于所說的激光發(fā)射器發(fā)射的激光束波長(zhǎng)為10.8μm，紅外接收儀的接收波長(zhǎng)為2-6μm。
全文摘要
本發(fā)明為一種無損測(cè)量殘余應(yīng)力的方法。其應(yīng)用“殘余應(yīng)力熱分析”原理，采用激光紅外測(cè)溫技術(shù)，即用激光發(fā)射器發(fā)射的激光束向構(gòu)件表面注入相同的能量，并用紅外接收儀接收溫升引發(fā)的輻射紅外線，從而測(cè)定、記錄出溫度分布曲線，進(jìn)而標(biāo)定出被測(cè)量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。本發(fā)明能克服現(xiàn)有技術(shù)中多種測(cè)量方法之不足，是一種比較令人滿意及完美的新方法。
文檔編號(hào)G01L1/25GK1065931SQ9210320
公開日1992年11月4日 申請(qǐng)日期1992年4月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月30日
發(fā)明者張道鋼, 李金峰 申請(qǐng)人:河北省電力試驗(yàn)研究所