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第 11 卷 - 2023 年 3 月刊
残余应力云图技术进展
图1:焊接件

图1:焊接件

图2:LP200轮廓仪

图2:LP200轮廓仪

图3:用LP200扫描带有圆柱形焊件的零件

图3:用LP200扫描带有圆柱形焊件的零件

图4:LP200生成的部件三维轮廓

图4:LP200生成的部件三维轮廓

图5:LXRD型应力仪测量的残余应力云图

图5:LXRD型应力仪测量的残余应力云图

残余应力测量方法(如x射线衍射(XRD)通常用于检测关键部件和结构的的失效原因分析和寿命预测工作。对于某些部件,其设计性能通常取决于制造过程中“加工出”残余应力(例如,喷丸、轧制等),因此我们需要确定这些有益的残余应力被正确地加工出来,这至关重要。相反,如果在制造过程中由于加工的“副作用”而产生了不需要的残余应力,则应根据需要识别、评估和减少这些残余应力。例如,如果零件经过焊接加工,则其可能会在焊缝附近的高热影响区(HAZ)附近发生应力腐蚀开裂(SCC);如果焊接过程后HAZ中残留有高水平的拉伸残余应力,则可能发生这种开裂。1这种情况可能会导致灾难性后果,特别是在航空航天或汽车应用中,因此在这些情况下残余应力表征至关重要。
零件内的残余应力分布在外观上并不总是很明显,因此在部件内定位其问题区域很有挑战性。在磨削的过程中,不同的磨削速率导致产生的材料性质不同。由于某些区域受到的约束比其他区域更大,因此产生的应力在整个零件上不一致。尽管部件任何横截面上的所有残余应力之和始终为零,但无论是内部还是整个零件表面都存在平衡的拉伸应力和压缩应力。例如,部件经过磨削,砂轮撞击材料的动作之后会引起塑化,这可能会将拉伸残余应力和/或压缩残余应力施加到零件表面。由于可能会存在拉伸残余应力,所以了解应力的大小和位置能有效防止防止SCC等问题的出现,这非常重要。将零件引入应力的任何情况下,表面应力和整体应力都会发生变化,从而可能导致零件出现问题。
表征零件中完整的残余应力分布的难度有两个方面:首先,为了正确定位高拉应力区域,必须确定应力的分布,因为可能存在陡峭的应力梯度(例如,在焊接部件的HAZ处);其次,在几个不同的位置测量残余应力所需的设置可能相当繁琐和费时,尤其是在一个复杂的零件上。残余应力云图是解决这两个问题的有用工具,因为可以用它来选择特定的测量点,也大大降低了仪器设置要求。云图对于检测残余应力的变化尤为重要,这种变化在远离诸如孔或焊缝等特征时经常出现。云图消除了选择假定高量级应力所在的单点测量位置的猜测,并确保不遗漏感兴趣的区域,特别是在存在陡峭表面应力梯度的区域。
在选择具体的待测绘区域时,部件的几何形状也起着很大的作用。在大多数情况下,如果零件内部没有已知(明显)的特征(如焊缝或孔洞),且几何形状不复杂,通常在两个维度上进行测绘,以识别可能存在的任何应力梯度。例如,在研究SCC时,可以使用一个在X和Y方向都覆盖一个区域的正方形或矩形图来识别潜在裂纹扩展的区域。正方图也适用于应对具体压力区域不详的情况。然而,如果沿零件的某一轴方向存在对称性或特定特征,那么可能只需要一个维度进行检查。如果焊缝或齿轮根部沿对称轴(垂直于线图轮廓)具有一致的应力,用线性云图(一条线上多个点的应力分布图,译者注)追踪整个部件将是一种有用的策略。最后,对于事先知道问题区域或为质量控制目的进行测量的调查,可以对零件进行少量单点测量。由于现代云图技术的精确性,可以不需要人工对准来进行测量,一旦零件架设好,可以根据需要在零件上轻松测量不同的位置。
作为残余应力云图技术的开山鼻祖,Proto公司长期以来一直采用先进的云图技术,使残余应力测量更加高效。在以往的云图系统中,仪器头部的机械指针沿零件运动,XY工作台可以移动到多个不同的位置,直到生成地图。可以沿着零件的表面大约每毫米步进进行测量。虽然这种方法有助于减少设置时间,但由于指针和仪器工作台的运动(的性质),测绘时间仍然相当漫长。为了简化这一过程,Proto设计了一款设备,使云图变得更加简单。LP200轮廓仪的加入使得复杂的残余应力分布更快、更容易地生成。
LP200是一种激光轮廓仪,能够扫描零件并生成三维模型,在该模型上可以选择各种点进行后续的残余应力测量。LP200由传感器头、控制箱、电动XY工作台和手动Z工作台组成,可生成表面轮廓图,然后将其发送到XRDWIN软件程序,在该程序中进行自动应力测量设置。当零件转移到残余应力仪上时,(例如)Proto的iXRD应力仪,测角仪自动调整保持垂直于测量区域,提供准确的结果。在XRD残余应力实验中,零件表面必须保持垂直于测角仪。Proto的残余应力仪与轮廓仪的云图数据一起工作,以确保每次测量时零件都保持在正确的位置。测量在两个方向上弯曲的零件的残余应力是一个更大的挑战;当用户在零件上移动时,测角仪必须不断地重新定位以跟随曲线。因此,为了获得最佳结果,云图应与双轴测角仪(如Proto LXRD Chi或robo XRD型应力仪)配合,该测角仪可以在X和Y方向上移动,同时始终保持测角仪始终处于正确的角度。这可以使云图在以前无法测量的部分生成,而无需繁琐的手动设置。
可以从3D图中选择特定的位置进行残余应力表征,这使得用户能够快速精确地选择零件上最容易发生疲劳或故障(失效)的位置。例如,用户在焊接的零件中,可以使用屏幕标尺选择距离焊缝一定距离的位置,以确定HAZ内特定距离的残余应力。可以从云图中选择不同的区域,以减少由于将零件移动到不同方向而导致的测量设置时间。
在轮廓仪软件中创建的云图区域有多种选择,包括特定的形状、线条、方形、圆形等。虽然表面测量可以提供关于零件的类似信息,但LP200产生的数据要精确得多,并且它减少了手动对准仪器可能导致的误差。扫描速度可达到每秒50毫米,可实现的最大精度低于0.5微米,与其他云图技术相比具有明显优势。
LP200非常适合绘制具有弯曲区域或其他复杂几何形状零件的表面轮廓。例如,Proto最近生成了圆柱(圆筒)形焊件从原始金属材料开始,通过HAZ,并进入焊缝金属的残余应力云图。对表面残余应力进行分析,因为持续的拉伸残余应力是造成应力腐蚀开裂的主要因素(另外两个因素是易感材料和腐蚀环境,这些因素难以调整)。LP200生成的三维表面轮廓图只用了8分钟就完成了,然后利用方形绘图工具,在感兴趣的区域选择残余应力测量位置。该部件转移到iXRD进行残余应力表征,发现在HAZ中主要存在均匀的残余应力。施加于该零件的焊后工艺导致残余应力大多在-200至-300 MPa之间(图5)。然而,发现少数区域仅轻微的压缩应力(略低于0 MPa);由于管道容易受到SCC的影响,这些区域之所以受到关注,是因为它们在与服役载荷结合时可能会变成拉伸应力。根据晶粒取向的不同,即使在非常低的拉伸应力下也会产生裂纹,因此在这一部分可能需要引入更多的压应力来缓解SCC。
根据残余应力测量所研究的具体问题,也可能需要通过测量零件的深度(沿深度的应力)来定位可能影响其性能的其他高应力区域。如果需要对如上所述焊接件这样的曲面部件进行深度测量,仅仅通过观察电抛光后的零件,就很难知道原始参考面的起始位置。利用LP200的测绘技术,可以通过三维云图数据的插值轻松而准确地测量孔的深度,然后利用这些信息来生成残余应力-深度曲线。这是轮廓仪的另一个有用的功能,无需用深度计等工具进行深度测量,因为这些方法可能更加耗时。
上述残余应力云图技术的进步使XRD法的用户能够快速、方便地创建具有陡峭应力梯度的零件的详细残余应力分布图,即使在复杂的几何形状中也是如此。此外,同样的进步使特定点的深度测量成为可能,并且能够描述电抛光点的深度。生成的快速和准确的三维轮廓可以很容易地集成到残余应力仪中,从而彻底改变了表面或深度存在有害残余应力的零件的失效原因分析和寿命预测工作。

参考文献
1.J.A.Pineault, M.E.Brauss, J.S.Eckersley,“使用X射线衍射技术对焊缝进行残余应力表征”,AWS会议论文集,焊接力学和设计,芝加哥,1996。

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