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专利名称：一种无损测量残余应力的方法
技术领域：
本发明涉及一种无损测量残余应力的方法，确切地讲，是一种采用激光红外测温技术测量残余应力的方法，属借助于测定材料的物理性质来测试的方法技术领域。
目前，有多种方法可以测量构件的残余应力，如光弹法、电测法、磁性法、超声法、X射线法等，这些方法的应用在一定程度上解决了许多工程问题，但这些方法还远不是一种完美的、令人满意的方法，因为光弹法、电测法需在材料上钻孔，磁性法只限于磁性材料，X射线法只能测量深度约0.01mm的表层应力，其它核辐射方法测量深度较深，但安全性和可运输性较差。近几年，国外有人提出了一种称为“残余应力热分析”原理，该原理的根据是加热气体的恒压比热总是大于恒容比热，因此在向气体注入相同的情况下，气体在压力较低而比热值较高的点所引起的温升小于压力较高而比热值较低的点，由于比热值变化是连续的，所以注入相同能量所引起的温升与气体的压力成正比，并且，固体中情况很类似，应力和压力是同一种物理现象，由此推论出“残余应力热分析”原理，即由于向物体注入一定能量将产生一个与应力有关的温升差异，如果能够足够精确地测量构件表面的每一点温升，就可以得到一条与应力有关的物体温升曲线。如果应用该原理提出一种新的测量残余应力的方法，将是一种非常有前途的方法，但经国内及国外检索表明，尚无在“残余应力热分析”原理指导下的测量残余应力的方法。
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足而提供一种无损测量残余应力的方法，它是一种在“残余应力热分析”原理指导下的新方法，并且应是比较令人满意及完美的新方法。
本发明的目的是以如下技术方案实现的它应用“残余应力热分析”原理，其关键是保证向被测量构件表面每一点注入相同的能量，及足够精确地测量每一点的温升。本发明借助于激光发射器与红外接收仪，采用激光红外测温技术，用激光发射器发射的激光束向被测量构件表面的每一点注入相同的能量，残余应力部位将引起与其应力分布有关的温升差异，用红外接收仪接收该温升的辐射红外线，足够精确地测定出所需温度，并记录，从而绘制出被测量构件的温度分布曲线，用同样的方法绘制出一个已知残余应力分布曲线，即标准构件的温度分布曲线，再用两曲线绘制出标准构件的残余应力-温度曲线，并用被测量构件的温度分布曲线与标准构件的残余应力-温度曲线标定，绘制出被测量构件的残余应力分布曲线。
具体的方法之一是首先调试激光发射器至稳定状态，即其能连续发射出恒定功率的激光束，再用激光束照射被测量构件表面的一点，可以选取残余应力部位范围内或附近的任一点，照射直至该点达到平衡温度，即照射所注入的能量和损耗的能量达到动态平衡后，达到的稳定温度。照射的温升达到平衡温度，随之引发辐射红外线，所说的照射意味着一定时间的滞留，但无具体的时间限制，只要能达到平衡温度即可。利用激光束本身的特性、恒定功率及平衡温度等特点，以保证向被测量构件表面每一点注入相同的能量。在照射的同时，用红外接收仪接收被测量构件表面的该点的辐射红外线，实质上是利用平衡温度的温升引发的辐射红外线，由红外接收仪测定出该点的平衡温度，记录该点平衡温度，这些可以利用现有设备达到足够的精确及全面。重复以上工作，即保持激光束的功率、照射状况等不变，用相同的步骤，测定、记录其它若干点的平衡温度，直至得到足够的若干点的平衡温度，可以绘制出被测量构件的平衡温度分布曲线。重复以上工作步骤，即保持激光束的功率、照射状况、取点分布等不变，仍用以上的方法及步骤，绘制出一个已知残余应力分布曲线，即标准构件的平衡温度分布曲线，用标准构件的平衡温度分布曲线与残余应力分布曲线，绘制出以残余应力量为纵坐标、以平衡温度量为横坐标的标准构件的残余应力-平衡温度曲线，再用被测量构件的平衡温度分布曲线与标准构件的残余应力-平衡温度曲线标定，所说的标定为常规方法，即取被测量构件及标准构件相同的平衡温度量在标准构件的残余应力-平衡温度曲线上，所对应的残余应力量，就可以绘制出被测量构件的残余应力分布曲线。
具体的方法之二是首先调试激光发射器至稳定状态，即其能连续发射出恒定功率的激光束，再用激光束匀速扫描被测量构件表面，可以选择残余应力部位范围内或附近扫描，所说的匀速无具体限制，只要能使被测量构件表面的扫描部分能引起即时温升即可，随之引发辐射红外线。利用激光束本身的特性、恒定功率、匀速扫描等特点，以保证向被测量构件表面每一点注入相同的能量。在扫描的同时，用红外接收仪接收被测量构件表面的辐射红外线，实质上是利用即时温度的温升引发的辐射红外线，由红外接收仪测定出扫描范围内的全场即时温度，记录全场即时温度，这些可以利用现有设备达到足够的精确及全面，由此可以绘制出被测量构件的即时温度分布曲线。重复以上工作步骤，即保持激光束的功率、匀速扫描状况等不变，仍用以上的方法及步骤，绘制出一个已知残余应力分布曲线，即标准构件的即时温度分布曲线，用标准构件的即时温度分布曲线与残余应力分布曲线，绘制出以残余应力量为纵坐标、以即时温度量为横坐标的标准构件的残余应力-即时温度曲线，再用被测量构件的即时温度分布曲线与标准构件的残余应力-即时温度曲线标定，所说的标定为常规方法，即取被测量构件及标准构件相同的即时温度量在标准构件的残余应力-即时温度曲线上，所对应的残余应力量，就可以绘制出被测量构件的残余应力分布曲线。
在方法一、二中，所说的平衡温度、即时温度分布曲线，是指沿横穿被测量构件残余应力部位的长度分布曲线，即纵坐标为温度量，横坐标为横穿被测量构件残余应力部位的长度量，相对应，被测量构件、标准构件的残余应力分布曲线，也是指相同的沿横穿被测量构件、标准构件残余应力部位的长度分布曲线，同时，激光束的照射移动方向、扫描移动方向均可按此长度方向。此外，所说的标准构件的工况以尽可能与被测量构件工况相近或类似为好，以利于测量方便、准确。
在方法一、二中，所说的激光发射器的发射功率为50-150瓦，以不损伤被测量构件的表面，又能达到易于精确测量温升的要求。所说的激光发射器发射的激光束波长为10.8μm，红外接收仪的接收波长为2-6μm，两波长不相同，并且，激光束应避免垂直照射或扫描被测量构件、标准构件表面，以避免红外接收仪接收入相同波长的激光束或完全接收入激光束，而影响测量精度。
本发明中所说的激光发射器可采用现有技术中的激光加热系统或激光器，红外接收仪可采用红外热成像仪，记录时可采用监视器及磁盘记录分析仪，均可达到测量要求及精度。此外，可以在激光发射器与红外接收仪之间加入同步机构，以在照射或扫描的同时，测定、记录温度，也可以说为同步进行。
本发明与现有技术中的多种测量方法相比，具有如下优点1、其为一种无损测量，可避免如光弹法、电测法需在材料上钻孔，而对材料本身造成损伤的问题，2、其适用于金属、非金属、磁性材料等各种材料的测量，3、测量深度为X射线法的100倍，可达到毫米数量级，4、其安全性和可运输性较强，适用于各种场合的测量，5、提高了测系牟饬浚 、提高了测量精度。综上所述，本发明克服了现有技术中的多种测量方法之不足，是一种比较令人满意及完美的新方法。


图1是本发明实施例的示意图。
图2是实施例一被测量构件的平衡温度分布曲线。
图3是实施例一标准构件的平衡温度分布曲线。
图4是实施例一标准构件的残余应力分布曲线。
图5是实施例一标准构件的残余应力-平衡温度曲线。
图6是实施例一被测量构件的残余应力分布曲线。
图7是实施例二被测量构件的即时温度分布曲线。
以下结合附图对实施例详述。
本发明的实施例中，被测量构件1采用300mm×120mm×5mm的16Mn钢板，中心沿长度方向开12mm×60mm的槽，开槽后进行650℃、2小时去应力退火，用φ2.5mm的J507焊条堆焊后进行磨削。标准构件2与被测量构件1工况相近，采用300mm×120mm×8mm的16Mn钢板，中心沿长度方向开12mm×60mm的槽，开槽后进行650℃、2小时去应力退火，用φ2.5mm的J507焊条堆焊后进行磨削。所采用的激光发射器为北京市机电研究院生产的GJ-Ⅱ-SJ-Ⅲ、发射功率为50-150瓦的激光加热系统3，将其调试至稳定状态，使其发射出80瓦的恒定功率激光束，并且激光束波长为10.8μm，测温采用美国生产的TVS3500红外热成像仪4，其接收波长为2-6μm，记录所用为普通的国产监视器5及磁盘记录分析仪6。
实施例一为激光加热系统3照射被测量构件1焊缝附近或范围内的某一点一定时间，同时用红外热成像仪4测定出该点平衡温度，用监视器5记录该点平衡温度，沿横穿焊缝的长度方向移动激光加热系统3的激光束至下一点，重复以上工作，绘制出被测量构件1的平衡温度分布曲线(图2)，即沿横穿焊缝长度分布曲线。重复以上步骤，仍采用以上方法，绘制出标准构件2的平衡温度分布曲线(图3)，用已知的残余应力分布曲线(图4)与平衡温度分布曲线(图3)，绘制出标准构件的残余应力-平衡温度曲线(图5)，再用被测量构件的平衡温度分布曲线(图2)与标准构件的残余应力-平衡温度曲线(图5)标定，绘制出被测量构件1沿横穿焊缝长度的残余应力分布曲线(图6)。
实施例二为激光加热系统3沿横穿焊缝方向匀速扫描被测量构件1，同时用红外热成像仪4全场实时测定被测量构件1的即时温度，并用磁盘记录分析仪6记录若干幅全场温度图像，用监视器5重放每一幅全场温度图像，绘制出被测量构件1的即时温度分布曲线(图7)，即沿横穿焊缝长度分布曲线。
从图6与图4对照结果看，完全反映出了残余应力变化趋势，从图7与图4对照结果看，基本上反映出了残余应力变化趋势。
权利要求
1.一种借助于激光发射器与红外接收仪，采用激光红外测温技术，实现无损测量残余应力的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行a，调试激光发射器至稳定状态，其能发射出恒定功率的激光束，b，用激光束照射被测量构件表面的一点，c，在照射的同时，用红外接收仪接收被测量构件表面的该点的辐射红外线，测定出该点的平衡温度，d，记录该点平衡温度，e，重复以上工作，绘制出被测量构件的平衡温度分布曲线，f，重复以上工作步骤，绘制出标准构件的平衡温度分布曲线，g，用标准构件的平衡温度分布曲线与残余应力分布曲线，绘制出标准构件的残余应力-平衡温度曲线，h，用被测量构件的平衡温度分布曲线与标准构件的残余应力-平衡温度曲线标定，绘制出被测量构件的残余应力分布曲线。
2.一种借助于激光发射器与红外接收仪，采用激光红外测温技术，实现无损测量残余应力的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行a，调试激光发射器至稳定状态，其能发射出恒定功率的激光束，b，用激光束匀速扫描被测量构件表面，c，在扫描的同时，用红外接收仪接收被测量构件表面的辐射红外线，测定出扫描范围内的全场即时温度，d，记录全场即时温度，绘制出被测量构件的即时温度分布曲线，e，重复以上工作步骤，绘制出标准构件的即时温度分布曲线，f，用标准构件的即时温度分布曲线与残余应力分布曲线，绘制出标准构件的残余应力-即时温度曲线，g，用被测量构件的即时温度分布曲线与标准构件的残余应力-即时温度曲线标定，绘制出被测量构件的残余应力分布曲线。
3.根据权利要求1或2所述的无损测量残余应力的方法，其特征在于所说的平衡温度、即时温度分布曲线是沿横穿被测量构件残余应力部位的长度分布曲线。
4.根据权利要求1或2所述的无损测量残余应力的方法，其特征在于所说的激光发射器的发射功率为50-150瓦。
5.根据权利要求1或2所述的无损测量残余应力的方法，其特征在于所说的激光发射器发射的激光束波长为10.8μm，红外接收仪的接收波长为2-6μm。
全文摘要
本发明为一种无损测量残余应力的方法。其应用“残余应力热分析”原理，采用激光红外测温技术，即用激光发射器发射的激光束向构件表面注入相同的能量，并用红外接收仪接收温升引发的辐射红外线，从而测定、记录出温度分布曲线，进而标定出被测量构件的残余应力分布曲线。本发明能克服现有技术中多种测量方法之不足，是一种比较令人满意及完美的新方法。
文档编号G01L1/25GK1065931SQ9210320
公开日1992年11月4日 申请日期1992年4月30日 优先权日1992年4月30日
发明者张道钢, 李金峰 申请人:河北省电力试验研究所