DE3017538A1

DE3017538A1 - Halbzerstoerungsfreie restspannungs- messung

Info

Publication number: DE3017538A1
Application number: DE19803017538
Authority: DE
Inventors: Marshall Gordon Jones; John Ruediger Mader Viertl
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-05-11
Filing date: 1980-05-08
Publication date: 1980-11-13
Also published as: SE438049B; ES491303A0; IT8021939A0; JPS615090B2; SE8003291L; IT1130584B; CH647074A5; US4249423A; ES8104561A1; MX147836A; JPS564026A

Description

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Beschreibung

Halbζerstörungsfreie Restspannungs-Messung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Restspannungsmessung durch eine halbzerstörungsfreie dynamische Technik, bei der die Beschädigung an dem Gegenstand so klein ist, daß der untersuchte Gegenstand in seiner weiteren Verwendbarkeit nicht beeinträchtigt ist.

In der Vergangenheit sind alle Restspannungs- oder Innenspannungsmessungen unter Verwendung zerstörender Techniken durchgeführt worden. Alle Meßmethoden erforderten die Spannungsentlastung einer Probe, und dies bedeutete ausnahmslos, daß die Probe aufgeschnitten wurde durch Lochbohren, Bearbeitung durch elektrische Entladung, Sandblasen oder Hohlbohren. Das Lochbohren ist das üblichste Verfahren, hat aber das unerwünschte Merkmal, daß der Bohrer die Oberfläche lokal bearbeitet und seine eigenen Spannungen aufbaut. Das Verfahren mit elektrischer Entspannung ist zwar gut, aber an dem Montageplatz unhandlich bzw. schwierig durchzuführen. Versuche zur zerstörungsfreien Bestimmung der Restspannung haben wenig Erfolg gehabt, außer der Verwendung von Röntgenstrahlen, die gegenüber Oberflächenstörungen empfindlich sind. Darüber hinaus

tief dringen Röntgenstrahlen nur wenige Atomschichten/ein und

dieses Verfahren ist kein Masseverfahren.

Gemäß der Erfindung werden Restspannungsmessungen durchgeführt unter Verwendung von Dehnungsmessern und einer Spannungsentlastung, die dadurch erzeugt wird, daß ein Bereich des untersuchten Gegenstandes in der Nähe des

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Dehnungsmesser lokal und vorübergehend geschmolzen wird. Das lokale Schmelzen wird durch einen Laser- oder Elektronenstrahl oder durch eine andere fein gerichtete Wärmequelle herbeigeführt, und es wird ein kurzer Wärmeimpuls verwendet, um den geschmolzenen Bereich zu begrenzen und die Dehnungsmesser zu schützen. Der Spannungsentlastungsprozeß verläuft mit Schallgeschwindigkeit, wogegen die Verteilung der Wärme von dem geschmolzenen Bereich langsamer erfolgt. Die Spannungsänderung, die durch die Entspannung hervorgerufen wird, wird dynamisch gemessen, bevor die Wärme unter die Dehnungsmesser diffundiert und zu thermischen Spannungen führt, die die Meßergebnisse verändern würde. Der spannungsentlastete Zustand wird somit dynamisch erzielt und gemessen. Das Verfahren wird halbzerstörungsfrei genannt, weil der geschmolzene Bereich in wenigen Millisekunden wieder erstarrt, bevor eine wesentliche Materialmenge verloren geht.

Das bevorzugte Verfahren verwendet drei rosettenartig angeordnete Widerstands-Dehnungsmeßstreifen, und es wird zeitweise ein Loch geschmolzen in der Mitte der Rosette mit einem gebündelten Laserstrahl, der im Pulsbetrieb arbeitet. Die Pulslänge beträgt 1-10 Millisekunden. Die Widerstandsänderung und somit die Spannungsänderung wird gemessen, bevor das geschmolzene Material umgeschmolzen ist und bevor die Wärme unter die Dehnungsmesser wandert. Eichwerte werden durch Schmelzen erhalten, um eine Spannungsentlastung zu realisieren. Die Restspannung ist proportional zu den Oberflächenspannungsmessungen, die das Ergebnis des Verfahrens sind, und sie ist leicht zu berechnen. Eine Abwandlung des Verfahrens besteht darin, daß der geschmolzene Bereich den Messer in einem nahezu vollständigen Ring umgibt.

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Dieses Verfahren mißt die Restspannung in Massen, ist schnell, ist geeignet für Messungen an Montageorten und ist geeignet für schwierige Geometrien, wie beispielsweise das Messen der Restspannung auf dem innenseitigen Durchmesser von Reaktorleitungen, die gegenüber der Spannungskorrosion empfindlich sind. Der Laserstrahl kann durch optische Einrichtungen abgelenkt werden, um auf eine innere Oberfläche des Gegenstandes aufzutreffen.

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

Figur 1 ist eine Draufsicht auf ein Spannungsmeßgerät zum Lochschmelzen mit einer rosettenartigen Anordnung von drei Elementen.

Figur 2 ist eine Schnittansicht durch eine Reaktorleitung und zeigt einen Laser und optische Geräte zum lokalen Schmelzen für eine Restspannungsmessung auf der inneren Oberfläche der Leitung.

Figur 3 ist ein schematisches Blockdiagramn von der Laser-Spannungsmeßeinrlchtung.

Figur 4 ist ein Kurvenbild der Spannung über der Zeit für ein einzelnes Meßelement.

Figur 5 zeigt einen nahezu vollständig ringförmigen geschmolzenen Bereich für die Spannungsentlastung.

Alle Restspannungsmessungen erfordern die Bestimmung eines Bezugsspannungszustandes, und die Spannungs- bzw. Dehnungsmesser verwendende Verfahren erreichen den Bezugszustand durch eine Spannungsentlastung der Probe oder eines Gegenstandes. Die Restspannung ist auch bekannt als innere

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Spannung und ist definiert als ein Spannungssystem innerhalb eines festen Körpers, das nicht von äußeren Kräften abhängig ist. In dem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird der Bezugszustand auch durch Spannungsentlastung des untersuchten Gegenstandes ermittelt, aber die Spannung wird durch transientes oder vorübergehendes Schmelzen in der unmittelbaren Nähe des Messers entlastet. Es wird ein transientes oder temporäres Schmelzen verwendet, so daß die Spannungsmessung durchgeführt werden kann, bevor die Wärme aus dem geschmolzenen Bereich zu den Spannungs- bzw. Dehnungsmessern diffundieren kann und deren Anzeige beeinflußt.

Der drei Elemente umfassende, rosettenförmige Spannungsmesser 10 gemäß Figur 1 wird üblicherweise gewählt, wenn die Hauptspannungen und deren Richtungen ermittelt werden sollen. Die drei Meßelemente 11, 12 und 13 sind auf einem Meßkreis angeordnet und befinden sich an den Positionen 0 , 45 und 90 . In der Mitte des Messers, konzentrisch zu dem Meßkreis, befindet sich ein Kreisring 14, der als ein Ausrichtungsmuster dient und innerhalb dessen ein Loch 15 transient geschmolzen wird durch eine geeignete fein gerichtete Wärmequelle. Die ziehharmonikaartig gefalteten Meßelemente und das Ausrichtmuster sind geätzte Folienelemente auf einer durchgehenden Kunststoffhalterung 16 und sie sind durch Techniken hergestellt, wie sie von den gedruckten Schaltungen her bekannt sind. An jedem Ende des Meßelementes befindet sich ein vergrößerter Kontaktstreifen 17 zur Herstellung elektrischer Verbindungen. Der Rosettenmesser 10 ist ein metallischer Widerstandsmesser, der so arbeitet, daß, wenn eine Folienlänge mechanisch gedehnt wird, ein längerer und schmalerer Leiter entsteht, dessen elektrischer Widerstand normalerweise größer wird. Wenn die Länge des Widerstandselementes innig an einem unter Spannung stehenden Gegenstand in der Weise befestigt wird, daß es ebenfalls gedehnt wird, dann kann die gemessene Widerstandsänderung in Größen der Spannung bzw. Dehnung geeicht

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werden. Es sind viele andere Dehnungsmeßkonfigurationen bekannt und können anstelle des Rosettenmessers verwendet werden, was von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängt.

Der lokal geschmolzene Bereich oder das Loch 15 für die Spannungsentlastung wird in der Mitte des Messers durch einen fokussierten Laser- oder Elektronenstrahl oder tatsächlich durch irgendeine Wärmequelle hergestellt, die einen fein gerichteten, kurzen Wärmeimpuls liefern kann. Der Laser wird bevorzugt und arbeitet im Pulsbetrieb mit einer Pulslänge von etwa 1-10 Millisekunden. Der kurze Wärmeimpuls begrenzt den geschmolzenen Bereich und schützt die Spannungs- bzw. Dehnungsmesser, und es ist auch wichtig, einen metallischen oder keramischen Gegenstand zu untersuchen, ohne daß Spritzer entstehen. Wenn der Schmelzvorgang richtig gesteuert wird, ist das Loch nach der Erstarrung nahezu wieder geschlossen. Die halbzerstörungsfreie Art des Verfahrens wird dadurch erreicht, daß der geschmolzene Bereich in wenigen Millisekunden umgeschmolzen wird, bevor eine wesentliche Materialmenge verlorengeht.

Das lokale Schmelzen in der unmittelbaren Nähe des Dehnungsmessers entspannt die Spannungen und es ist notwendig, die Dehnungsänderung, die durch die Spannungsentlastung hervorgerufen wird, dynamisch zu messen, bevor der geschmolzene Bereich erstarrt und bevor die Wärme des geschmolzenen Bereiches unter den Dehnungsmesser diffundiert und zu einer thermischen Beanspruchung führt, die Meßergebnisse verändern würde. Der Spannungsentlastungsprozeß schreitet mit Schallgeschwindigkeit in dem Material fort, aber der thermische Prozeß ist selbstverständlich viel langsamer. Somit wird der spannungsentlastete Zustand dynamisch erreicht und gemessen. Eichungen sind nicht erforderlich und werden durch das Schmelzen besorgt, das einen Bezugsnullpunkt liefert.

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Die Verwendung einer entfernten, gerichteten Wärmequelle erlaubt Restspannungsmessungen bei schwierigen Geometrien, wie beispielsweise einer inneren Oberfläche eines Gegenstandes. Gemäß Figur 2 ist ein Beispiel die Messung der Restspannung auf dem innenseitigen Durchmesser einer Reaktorleitung 18. Die Restspannungen in Masseschweißstellen von nuklearen Rohrleitungen spielen eine große Rolle bei dem Problem der intergranularen Dehnungskorrosion-Rißbildung. Die Dehnungskorrosion-Rißbildung tritt auf der inneren Oberfläche der Rohrleitung auf und genau dort muß die Messung durchgeführt werden. Ein Leistungslaser 19 befindet sich an einer entfernten Stelle, und ein Laserstrahl 20 wird nach seinem Eintritt in die Rohrleitung durch ein Prisma 21 und eine Pokussierungslinse 22 auf die Mitte des mit der Rohrleitung verbundenen Rosettenmessers 10 abgelenkt. Eine Laser-Wärmequelle und optische Bauteile zum Ablenken des Strahles, zu denen beispielsweise Spiegel gehören können, können auf einem bewegbaren Wagen montiert sein. Das halbzerstörungsfreie Verfahren ist schnell, billiger als bestehende Verfahren und eignet sich für die Messung der Restspannung auf Montagestellen.

Figur 3 zeigt in einem Blockdiagramm eine vollständige Laser-Dehnungsmeßeinrichtung. Das Laser-üntersystem umfaßt einen Richtlaser 25, einen Leistungslaser 26 und eine Fokusierungslinse 27, die handelsüblich sind. Der eine kleine Leistung aufweisende Richtlaser ist beispielsweise ein Helium-Neonlaser und ist auf einer gemeinsamen Achse mit dem Leistungslaser montiert, der ein Neodym-dotierter Glaslaser mit einer Wellenlänge von 1,06 um ist. Der Richtlaser hat eine unterschiedliche Wellenlänge im roten Bereich und stellt sicher, daß der Impuls der vom Leistungslaser gebildeten Wärmequelle auf die Mitte des Messers gerichtet ist. Der Dehungs- bzw. Spannungsmesser 10 ist der gleiche wie in Figur 1 und kann ein handelsüblicher Lochbohrungs-Dehnungsmesser mit Rosettenkonfiguration sein.

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Derartige Messer sind relativ klein mit einer Gesamtabmessung von etwa 6 mm oder weniger und sind mit einem Gegenstand 28 mit einem geeigneten Kleber verbunden. Die Dehnungsänderung nach dem Lochschmelzen durch den Laser wird durch eine elektrische Schaltungsanordnung gemessen, die eine Stromquelle und Verstärker 29 umfaßt. Es wird jedem Meßelement ein konstanter Strom zugeführt, und

elektrische

die über dem Element gemessene/Spannung ist direkt proportional zu der Dehnung, die ihrerseits proportional zu der mechanischen Spannung ist. Die mechanische Spannung wird durch Multiplizieren der Dehnung mit dem Elastizitätsmodul E für das Versuchsmaterial ermittelt. Figur 4 zeigt eine typische Kurve der Dehnung über der Zeit für einen Gegenstand oder ein Teil mit Restspannung. Der Meßwert, der gewünscht, ist der Maximalwert der Dehnung. Dies ist der Bezugsnullzustand für das spannungsentlastete Material und tritt auf, wenn das Material geschmolzen ist.

Der Rest der in Figur 3 gezeigten Einrichtung umfaßt drei mit parallelem Kanal betriebene Oszilloskope 30-32, und zwar ein Oszilloskop für jedes Meßelement, mit Kameraauf zeichnung, und ein mehrkanaliges Bandaufzeichnungsgerät 33, so daß die Ergebnisse abgespielt und nach Belieben untersucht werden können. Ein Trigger 34 liefert ein Startsignal an den Laser 26 und an die Oszilloskope und startet auch einen Taktgeber 35 für einen verzögerten Betrieb des Bandrekorders. Wenn die drei Spannungen bzw. Dehnungen für die rosettenartige Meßelementkonfiguration bekannt ist, ist die Berechnung der mechanischen Spannungen und die Größe der Hauptspannungen und deren Richtungen nur noch Routinesache. Diesbezüglich wird auf den Aufsatz "Hole-Drilling Strain-Gage Method of Measuring Residual Stresses" von N.G. Rendler und I. Vigness, Experimental Mechanics, Dezember 1966, Seiten 577 und das Buch "Mechanical Measurements", 2. Auflage, von T.G. Beckwith und N.L. Buck, Addison-Wesley Publishing Company, 1973 Kongressbücherei-Katalogkarten-Nr. 70-85380,

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verwiesen. Alternativ können die drei elektrischen Spannungen, welche die Dehnung darstellen, in einen Mikroprozessor eingegeben werden, der die Berechnung der Hauptspannung und der deren Richtung vornimmt.

Unter gewissen Umständen kann das Lochschmelzverfahren eine unzureichende Empfindlichkeit oder Genauigkeit aufweisen, und es kann dann das Hohlbohrverfahren verwendet werden, wenn eine genauere und empfindlichere Technik gebraucht wird. In diesem Fall wird anstelle der Herstellung eines Loches in der Mitte des Messers ein spannungsentlasteter, nahezu vollständig ringförmiger Bereich 36 um den Umfang des Messers herum geschmolzen, wie es in Figur 5 gezeigt ist. Es wird ein fein gebündelter Laserstrahl abgelenkt, um den nahezu vollständigen Ring auszubilden.

Ein alternatives Verfahren ist in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung P

(Anwaltszeichen der gleichen Anmelderin 8381-RD-9763 mit der US-Serial Nr. 38,872 und der Priorität vom 10. Mai 1979) offenbart. Danach wird die Dehnungsmessung vorgenommen, nachdem der lokal geschmolzene Bereich umgeschmolzen ist und nachdem die thermischen Spannungen verschwunden sind, und die Wirkung sowohl der thermischen Spannung als auch der Umschmelzspannung wird dadurch eliminiert, daß eine Eichmessung von einer vergüteten Probe aus dem gleichen Material von dem Meßergebnis des Gegenstandes mit Restspannung subtrahiert wird.

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Leerseite

Claims

. Slat Horst Schüler 600° Frankfurt/Main 1 7.Mai 1980 PATENTANWALT Kaiserstrasse 41 Vo./he. Telefon (0611)235555 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M. Bankkonto: 225/0389 "Deutsche Bank AG, Frankfurt/M. 8378-RD-9762 GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Ansprüche

1.J Verfahren zum Messen der Oberflächenspannung auf einem - Gegenstand zur Ermittlung von Restspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dehnungsmesser an der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes befestigt wird, ein Bereich des Gegenstandes in der unmittelbaren Nähe des Dehnungsmessers mit einer fein gerichteten Wärmequelle lokal geschmolzen wird, um dadurch die Spannungen zu entspannen, und

die durch die Entspannung hervorgerufene Dehnungsänderung dynamisch gemessen wird, während der Bereich geschmolzen ist und bevor die Wärme unter die Dehnungsmesser wandert und zu einer thermischen Beanspruchung führt, die die Messergebnisse ändern würde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein fokussierter Laserstrahl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Laserstrahl eine Pulslänge von 1-10 Millisekunden hat.

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4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl abgelenkt wird, um den Strahl auf eine innere Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes zu richten.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß der Dehnungsmesser ein mehrere Elemente in einer rosettenartiger Anordnung umfassender Widerstands-Dehnungsmesser ist und an der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes befestigt wird,

ein Loch in den Gegenstand in der Mitte des Rosettenmessers mit dem fokussierten Laserstrahl lokal und vorübergehend geschmolzen wird, um dadurch die Spannungen zu entlasten, und der Widerstand von jedem Element und somit die Dehnungsänderung dynamisch gemessen wird.

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