CH647075A5 - Verfahren zur bestimmung von restspannungen durch messen der oberflaechendeformation auf einem gegenstand. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Restspannungen durch Messen der Oberflächendeformation auf einem Gegenstand.

Die Restspannung ist auch als eine Innenspannung bekannt und ist definiert als ein Spannungssystem innerhalb eines festen Körpers, das nicht von äusseren Kräften abhängig ist. Die zwei gegenwärtig vorwiegend zur Bestimmung der Restspannung bekannten Techniken sind die Entspannungsmethoden und die Röntgenstrahlmethode. Das erste Verfahren ist, wie es üblicherweise ausgeführt wird, indem ein Loch in eine Probe gebohrt oder auf andere Weise maschinell hergestellt wird, um die Spannungen zu entspannen, zerstörend. Versuche, die Restspannung zerstörungsfrei zu messen, haben 5 wenig Erfolg gehabt, mit Ausnahme der Verwendung von Röntgenstrahlen, aber diese sind nur auf eine Oberflächenschicht von 0,01 mm anwendbar und nicht auf die Messung der Restspannung auf der innenseitigen Oberfläche eines Rohres oder einer anderen Innenfläche.

io Die Restspannungen werden aus der Messung von Oberflächendeformationen ermittelt, die durch Spannungen hervorgerufen werden, die an einem lokal geschmolzenen Bereich von einem untersuchten Gegenstand entspannt werden, was in der Nähe des Dehnungsmessers geschieht. Das lokale i5 Schmelzen wird durch einen Laserstrahl oder eine andere fein gerichtete Wärmequelle herbeigeführt, und es wird ein kurzer Wärmeimpuls verwendet, um den geschmolzenen Bereich zu begrenzen und den Dehnungsmesser zu schützen. Nach dem Ende des Wärmeimpulses beginnt der geschmolzene Bereich 20 wieder zu erstarren. Die thermischen Spannungen verschwinden, wenn die Temperatur sinkt und die Umschmelzspan-nung vorherrschend wird, und die Déformations- oder Dehnungsänderung, die durch die Entspannung hervorgerufen wird, wird nun durch eine relativ einfache elektrische Schal-25 tungsanordnung gemessen. Die Wirkungen sowohl der thermischen Spannung als auch der Umschmelzspannung werden eliminiert, indem ein Eichwert von einer vergüteten Probe aus dem gleichen Material von der Messung des untersuchten Gegenstandes subtrahiert wird. Die resultierende Entlastungsde-30 formation wird für die Berechnung der Restspannungen verwendet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfin-dungsgemässen Verfahrens wird ein Widerstands-Dehnungs-messer mit drei Elementen in einer rosettenartigen Anord-35 nung verwendet, und in der Mitte der Rosette wird durch einen Laser mit Impulsbetrieb temporär ein Loch geschmolzen. Die Dehnungseichmessung mit einer vergüteten Probe wird im wesentlichen identisch durchgeführt, indem der mit dem Gegenstand durchgeführte Versuch dupliziert wird, wobei ei-40 ne ausreichende Zeitdauer nach der Erstarrung des Loches (10-30 Sekunden) gewartet wird, damit sich die thermischen und Umschmelzspannungen stabilisieren. Anstelle des Lochschmelzens wird ein spannungsentlasteter, nahezu vollständiger Ring um den Umfang des Messgerätes herum geschmol-45 zen, wenn eine genauere und empfindlichere Technik erforderlichist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das erfindungsgemässe Verfahren die echte Restspannung in einem Körper misst, halbzerstörungsfrei so ist, d.h., dass die Beschädigung des Teiles so klein ist, dass das geprüfte Teil für eine weitere Verwendung nicht beeinträchtigt ist, da wenig Material verloren geht, in Verbindung mit optischen Komponenten verwendet werden kann, um den Laserstrahl zur Messung der Restspannung auf der Innenflä-55 che von Rohren und anderen Teilen abzulenken, und billiger ist als bekannte Techniken.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Vorteilen anhand der folgenden Beschreibimg und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

60 Figur 1 ist eine Draufsicht auf einen drei Elemente umfassenden rosettenartigen Dehnungsmesser zum Lochschmelzen.

Figur 2 zeigt in einem Kurvenbild die Deformation über der Zeit für einen Gegenstand mit Restspannung und für eine vergütete Eichprobe.

es Figur 3 ist ein Querschnitt durch ein Reaktorrohr und zeigt einen Laser und optische Einrichtungen zum lokalen Schmelzen für die Restspannungsmessung auf der inneren Oberfläche des Rohres.

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Figur 4 ist ein schematisches Blockdiagramm von einem Energie in den Gegenstand, es wird ein geschmolzenes Loch Laser-Deformationsmesssystem. gebildet und in dessen Nähe wird die Restspannung entFigur 5 zeigt einen nahezu vollständig ringförmigen ge- spannt. Zur gleichen Zeit wird auch eine thermische Span-schmolzenen Bereich für die Spannungsentlastung. nung eingeführt aufgrund der ungleichförmigen Temperatur-

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Messen von Rest- 5 Verteilung. Wenn der Laserimpuls endet, beginnt das ge-

spannungen basiert auf der bekannten Lochbohrtechnik von schmolzene Loch wieder zu erstarren. Die thermischen Bean-

Restspannungsmessungen. Restspannungen werden aus der spruchungen werden beseitigt, wenn die Temperatur ab-

Messung von Oberflächendeformationen ermittelt, die durch nimmt, und die Umschmelzung wird vorherrschend. Die De-

Spannungsentlastungen an dem Loch hervorgerufen werden. formationsänderung, die durch die Spannungsentlastung her-

Bei diesem Verfahren wird vorübergehend ein Loch in dem 10 vorgerufen wird, wird gemessen, nachdem der geschmolzene untersuchten Gegenstand in der unmittelbaren Nähe des Bereich wieder erstarrt ist und nachdem ein gewisser Zeit-

Dehnungsmessers geschmolzen, um die Spannung zu ent- räum von etwa 10-30 Sekunden verstrichen ist zur Stabilisie-

spannen. Unter gewissen Umständen kann das Lochschmelz- rung der thermischen Beanspruchungen und der Umschmelz-

verfahren eine unzureichende Empfindlichkeit oder Genauig- Spannungen. Die Kurve der Deformation über der Zeit ge-

keit aufweisen, und dann kann das Hohlbohrverfahren ver- 15 mäss Figur 2, die sich auf die Kurve für einen Gegenstand mit wendet werden, wenn eine genauere, empfindlichere Technik Restspannung bezieht, zeigt, dass der Spitzenwert der Defor-

erforderlich ist. In diesem Falle wird anstelle eines Loches in mation auftritt, während der Bereich geschmolzen ist, und der Mitte einer Messeinrichtung ein spannungsentlasteter dass die Deformation nach einem kurzen Zeitraum im we-

Ring oder ein nahezu vollständiger Ring um den Umfang der sentlichen konstant ist. Die Wirkung von sowohl der thermi-

Messeinrichtung herum geschmolzen. Das halbzerstörungs- 20 sehen Beanspruchung als auch der Umschmelzbeanspru-

freie Verfahren ist auf das Hohlbohren und auch auf das chung wird eliminiert, wenn ein Eichwert einer vergüteten

Lochschmelzen und andere lokal geschmolzene Geometrien Probe von der Messung eines Gegenstandes mit Restspan-

anwendbar. nung subtrahiert wird. Die vergütete Probe muss aus dem

Das drei Elemente umfassende rosettenartige Dehnungs- gleichen Material bestehen wie der geprüfte Gegenstand, wie messgerät 10, wie es in Figur 1 gezeigt ist, wird üblicherweise 25 beispielsweise rostfreiem Stahl, aber braucht nicht die gleiche gewählt, wenn die Hauptspannungen und eine Hauptrich- Form zu haben (beispielsweise kann der eine Gegenstand ein tung ermittelt werden sollen. Die drei Messelemente 11,12 Rohr und der andere eine ebene Platte sein). Es wird ein ver-und 13 werden auf einem Messkreis bei 0°, 90° und 225 °C an- gütetes Stück gewählt, weil es keine eingebaute Restbeanspru-geordnet. In der Mitte des Messgerätes, konzentrisch zu dem chung besitzt und eine spannungsfreie Messung durchgeführt Messkreis, befindet sich ein Kreisring 14, der als ein Ausricht- so werden kann. Die Eichmessung der Deformation wird im we-muster dient und in dem ein Loch 15 temporär geschmolzen sentlichen in identischer Weise durchgeführt, indem der für wird durch eine geeignete fein gerichtete Wärmequelle. Die den Gegenstand durchgeführte Versuch dupliziert wird. Begefalteten Messelemente und das Ausrichtmuster sind geätzte züglich der Kurve für die Deformation über der Zeit in Figur Folienkomponenten auf einer durchgehenden Kunststoff hai- 2 für die vergütete Probe wird die Oberflächendeformation in terung 16 und werden nach Art von gedruckten Schaltungen 35 gleicher Weise gemessen, nachdem der geschmolzene Bereich hergestellt. An jedem Ende des Messelementes befindet sich erstarrt ist und die Wirkung der thermischen und Um-ein vergrösserter Kontaktstreifen 17 zur Herstellung elektri- schmelzspannungen sich stabilisiert hat. Die Entlastungsde-scher Anschlüsse. Das Rosettenmessgerät 10 ist ein metalli- formation A e wird dadurch erhalten, dass die Deformation sches Widerstandsgerät, das so arbeitet, dass, wenn eine Fo- für die vergütete Probe von der Deformation für den Gegen-lienlänge mechanisch gedehnt wird, ein längerer und schmale- 40 stand mit der Restspannung subtrahiert wird. Diese wird zur rer Leiter entsteht, dessen elektrischer Widerstand normaler- Berechnung der Restspannung benutzt. In dem biaxialen weise vergrössert wird. Wenn die Länge des Widerstandsele- Spannungsfeld können drei Unbekannte, zwei Hauptbean-mentes innig an einem deformierten Widerstand befestigt spruchungen und eine Hauptrichtung, dadurch gelöst wer-wird derart, dass es ebenfalls deformiert wird, dann kann die den, dass drei Dehnungsmesser in verschiedenen Richtungen gemessene Widerstandsänderung als eine Dehnung geeicht 45 angeordnet werden.

werden. Es sind viele andere Dehnungsmessanordnungen be- Die Verwendung einer entfernten, gerichteten Wärme-

kannt, die anstelle des rosettenartigen Meters verwendet wer- quelle gestattet Restspannungsmessungen bei schwierigen den können, was von dem jeweiligen Anwendungsfall Geometrien, wie beispielsweise einer Innenfläche von einem abhängt. Gegenstand. Gemäss Figur 3 ist ein Beispiel die Messung der

Das lokal geschmolzene Loch oder der Bereich 15 für die 50 Restspannung auf dem Innendurchmesser eines Reaktorroh-Spannungsentlastung wird an der Mitte des Dehnungsmes- res 18. Schweiss-Restspannungen in nuklearen Rohrleitungen sers durch einen gebündelten Laser- oder Elektronenstrahl spielen eine Hauptrolle in dem intergranularen, durch Spanhergestellt, oder es kann irgendeine Wärmequelle verwendet nungskorrosion hervorgerufenen Rissbildungsproblem, und werden, die einen fein gerichteten, kurzen Wärmeimpuls lie- da eine derartige Rissbildung auf der Innenfläche des Rohres fern kann. Von diesen wird der Laser vorgezogen und im 55 auftritt, muss die Messung hier durchgeführt werden. Ein Lei-Pulsbetrieb mit einer Pulslänge von etwa 1-10 Millisekunden stungslaser 19 befindet sich an einer entfernten Stelle und der betrieben. Ein kurzer Wärmeimpuls begrenzt den geschmol- Laserstrahl 20 wird nach dem Eintritt in das Rohr durch ein zenen Bereich und schützt die Dehnungsmesser, und es ist Prisma 21 und eine Fokuslinse 22 auf die Mitte des aufge-auch wichtig, den untersuchten metallischen oder aus Kunst- brachten Rosettendehnungsmessers 10 abgelenkt. Die Laserstoff bestehenden Gegenstand zu schmelzen, ohne dass Mate- 60 Wärmequelle und optische Bauteile zum Ablenken des Strah-rial verspritzt. Wenn das Schmelzen richtig gesteuert wird, ist les, zu denen auch Spiegel gehören können, können auf einem das Loch nach der Erstarrung wieder weitgehend geschlossen, bewegbaren Wagen montiert werden. Das halbzerstörungs-Das Verfahren ist seiner Art nach halbzerstörungsfrei, da der freie Verfahren ist schnell, billiger als bestehende Methoden geschmolzene Bereich in wenigen Millisekunden wieder er- und eignet sich für an Montagestellen durchgeführte Messun-starrt, bevor eine wesentliche Materialmenge verloren geht. 65 gen der Restspannung.

Im folgenden wird nun das Verfahren zum Messen def" Figur 4 zeigt das Blockdiagramm von einem vollständi-

Restspannung durch lokales Schmelzen beschrieben. Zu- gen Laser-Deformationsmesssystem. Das Lasersubsystem nächst bringt der Laser für eine ausreichende Zeitperiode umfasst einen Richtlaser 25, einen Leistungslaser 26 und eine

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Fokussierungslinse 27. Diese Komponenten sind handelsüblich. Der eine kleine Leistung aufweisende Richtlaser in dem einen Subsystem ist ein Helium-Neon-Laser, der auf einer gemeinsamen Achse mit dem Leistungslaser montiert ist, der ein Neodymglas-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 (im ist. Der Richtlaser hat eine unterschiedliche Wellenlänge in dem Rotbereich und stellt sicher, dass der Impuls des Leistungslasers auf die Mitte des Dehnungsmessers gerichtet ist. Der Dehnungsmesser 10 ist der gleiche wie in Figur 1 und kann ein handelsübliches lochbohrendes Rosetten-Dehnungsmesser sein. Diese Dehnungsmesser sind relativ klein mit einer Gesamtausdehnung von etwa 6 mm oder weniger und sind mit einem geeigneten Kleber mit dem Gegenstand oder der Probe 28 verbunden. Die Deformationsänderung nach dem Laserschmelzen wird durch eine elektrische Schaltungsanordnung gemessen, die eine Stromquelle und Verstärker 29 um-fasst. Jedem Messelement wird ein konstanter Strom zugeführt und die über dem Element gemessene Spannung ist direkt proportional zu der Dehnung, die ihrerseits der mechanischen Spannung proportional ist. Die Spannung wird aus der gemessenen Dehnung durch geeignete Formeln ermittelt, die das Poissons'sche Verhältnis und den Elastizitätsmodul E für das Material umfassen. Wenn angenommen wird, dass das Rohr 18 der untersuchte Gegenstand und der Stai? 28 die vergütete Probe ist, wird der gleiche Dehnungsmesser für beide Versuche benutzt, und das Laser-Subsystem und die Pulslänge und die Eingangsenergie des Laserpulses werden dupliziert. Wenn die Eichmessung der Dehnung für ein gegebenes Material einmal ermittelt worden ist, braucht dieses Verfahren nicht jesesmal wiederholt zu werden, wenn ein Gegenstand aus diesem Material untersucht wird. Weiterhin kann

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die Spannung, die den Eichwert der vergüteten Probe darstellt, automatisch durch die Einrichtung von der gemessenen Spannung für einen Gegenstand mit Restspannung subtrahiert werden. Hierfür sind verschiedene Mögüchkeiten

5 bekannt.

Wenn die drei Deformationsentlastungen À 8 für die ro-settenförmige Messkonfiguration bekannt sind, ist die Berechnung der Spannungen und die Grösse der Hauptspannungen und deren Richtungen nur noch Routinesache. Dies-lo bezüglich wird auf «Hole-Drilling Strain-Gage Method of Measuring Residual Stresses» von N.G. Rendler und I. Vig-ness, Expérimental Mechanic Dezember 1966, Seiten 577-586 und auf das Buch «Mechanical Measurments», zweite Ausgabe, T.G. Beckwith und N.L. Buck, Addison-Wesley Publish-15 ing Company, Inc., 1973, Library of Congress Catalog Card No. 70-85 380 verwiesen. Alternativ können die drei Spannungen, die die Deformationsentlastung darstellen, in einen Mikroprozessor eingegeben werden, der die Berechnung der Hauptspannungen und deren Richtungen übernimmt. Diese 20 Technik misst die echte Restspannung, d.h. eine mittlere Spannung bis 1,25 mm oder mehr Tiefe von einer Oberfläche.

Das eingangs erwähnte Hohlbohrungsverfahrenist in Figur 5 dargestellt und anwendbar, wenn eine genauere und empfindlichere Technik erforderlich ist. In diesem Fall wird 25 anstelle der Herstellung eines Loches in der Mitte des Dehnungsmessers ein spannungsentlasteter, nahezu vollständig ringförmiger Bereich 30 um den Dehnungsmesser herum geschmolzen. Ein fein fokussierter Laserstrahl wird abgelenkt, um den nahezu vollständigen Ring auszubilden, wobei ein ge-30 wisser Raum für die Durchführung von Leitern zu den Messelementen freibleibt.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zur Bestimmung von Restspannungen durch Messen der Oberflächendeformation auf einem Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dehnungsmesser auf der Oberfläche des untersuchten Gegenstandes befestigt wird,'ein Bereich des Gegenstandes in unmittelbarer Nähe des Dehnungsmessers mit einer fein gerichteten Wärmequelle temporär lokal geschmolzen wird, um die Spannungen zu entspannen, die Deformationsänderung aufgrund der Spannungsentlastungen nach dem Erstarren des geschmolzenen Bereiches und nach einem Zeitraum gemessen wird, der ausreicht, damit thermische Spannungen im wesentlichen verschwinden und die Umschmelzspannungen vorherrschend werden, und von der gemessenen Deformation des untersuchten Gegenstandes ein Eichwert der Deformation einer vergüteten Probe subtrahiert wird, die aus dem gleichen Material wie der untersuchte Gegenstand besteht, wobei der Eichwert in der Weise gefunden wird, dass in identischer Weise ein Bereich in der unmittelbaren Nähe eines Dehnungsmessers mit einer fein gerichteten Wärmequelle temporär lokal geschmolzen und die Deformationsänderung gemessen wird, die durch die Spannungsentlastung hervorgerufen worden ist, nachdem der geschmolzene Bereich wieder erstarrt und nachdem ein ausreichender Zeitraum verstrichen ist, damit die thermischen Spannungen verschwinden können und die Umschmelzspannungen vorherrschend werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein fokussierter Laserstrahlpuls mit einer Pulslänge von 1-10 Millisekunden ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl abgelenkt wird, um den Strahl auf eine Innenfläche des untersuchten Gegenstandes zu richten.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein fokussierter Laserstrahl ist, der abgelenkt wird, um den Strahl auf eine Innenfläche des untersuchten Gegenstandes zu richten.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass als Dehnungsmesser ein mehrere Elemente umfassendes, rosettenförmig angeordnetes Widerstands-Deh-nungsmessgerät verwendet wird, das an der Oberfläche des untersuchten Gegenstandes und an der Oberfläche einer vergüteten Probe aus dem gleichen Material befestigt wird, ein Loch in dem Gegenstand und in der vergüteten Probe an den Mittelpunkten der entsprechenden rosettenförmig angeordneten Messstreifen mit einem fokussierten Laserstrahl temporär lokal geschmolzen wird, um die Spannungen zu entspannen, die durch die Entspannung hervorgerufene Deformationsänderung sowohl für den Gegenstand als auch die vergütete Probe gemessen wird, nachdem der geschmolzene Bereich wieder erstarrt und nach einer ausreichend langen Zeitdauer, damit die thermischen Spannungen und die Umschmelzspannungen sich stabilisieren, und der Eichwert der Deformation für die vergütete Probe vom Messwert der Deformation für den untersuchten Gegenstand subtrahiert wird, um einen Wert der Entlastungsdeformation zu erhalten, der für die Ermittlung der Restspannungen verwendet wird.