DE3017600A1

DE3017600A1 - Messung von restspannung durch lokales schmelzen

Info

Publication number: DE3017600A1
Application number: DE19803017600
Authority: DE
Inventors: Robert Alan Thompson; Hsin-Pang Wang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-05-10
Filing date: 1980-05-08
Publication date: 1980-11-13
Also published as: JPS564027A; ES8104562A1; CH647075A5; IT8021938A0; SE438207B; US4248094A; MX147699A; ES491304A0; JPS615091B2; IT1131163B; SE8003290L

Description

Messung von Restspannung durch lokales Schmelzen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Restspannung in einem massigen Körper durch eine halbzerstörungsfreie Technik.

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 Entspahnungsmethoden und die Rontgenstrahlmethode. 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 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.

Die Anmeldung steht in enger Beziehung zu der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P der gleichen

Anmelderin (Anmelderζeichen 8378-RD-97£2, US-Serial Nr. 38,069 mit der Priorität vom 11. Mai 1979). Darin wird die Oberflächenspannung dynamisch gemessen, bevor die Wärme eines lokal geschmolzenen Bereiches unter dem Spannungsmeßgerät diffundiert und zu einer thermischen Spannung führt. Mit halbzerstörungsfrei ist gemeint, daß die Beschädigung des Teiles so klein ist, daß das geprüfte Teil für eine weitere Verwendung nicht beeinträchtigt ist.

Die Restspannungen werden aus der Messung von Oberflächenspannungen ermittelt, die durch Spannungen hervorgerufen werden,

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die an einem lokal geschmolzenen Bereich von einem untersuchten Gegenstand entspannt werden, was in der Nähe des Spannungsmessers geschieht. Das lokale 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 Spannungsmesser zu schützen. Nach dem Ende des Wärmeimpulses beginnt der geschmolzene Bereich wieder zu erstarren. Die thermischen Spannungen verschwinden, wenn die Temperatur sinkt und die Umschmelzspannung vorherrschend wird, und die Dehnungsänderung die durch die Entspannung hervorgerufen wird, wird nun durch eine relativ einfache elektrische Schaltungsanordnung gemessen. Die Wirkungen sowohl der thermischen Spannung als auch der Umschmelzspannung werden eliminiert, indem eine Eichmessung von einer vergüteten Probe aus dem gleichen Material von der Messung des untersuchten Gegenstandes subtrahiert wird. Die resultierende Entlastungsdehnung wird für die Berechnung der Restspannungen verwendet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Widerstands-Dehnungsmesser mit drei Elementen in einer rosettenartigen Anordnung verwendet, und in der Mitte der Rosette wird durch einen Laser mit Impulsbetrieb temporär ein Loch geschmolzen. Die Deh-

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nungseichmessung / einer vergüteten Probe wird im wesentlichen identisch durchgeführt, indem der mit dem Gegenstand durchgeführte Versuch dupliziert wird, wobei eine ausreichende Zeitdauer nach der Erstarrung des Loches (10-30 Sekunden) gewartet wird, damit sich die thermischen und Umgießspannungen stabilisieren. Anstelle des Lochschmelzens wird ein spannungsentlasteter, nahezu vollständiger Ring um den Umfang des Meßgerätes herum geschmolzen, wenn eine genauere und empfindlichere Technik erforderlich ist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Restspannung in einem massigen Körper mißt, halbzerstörungsfrei

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ist, da wenig Material verloren geht, in Verbindung mit optischen Komponenten verwendet werden kann, um den Laserstrahl zur Messung der Restspannung auf der Innenfläche von Rohren und anderen Teilen abzulenken, und billiger ist als bekannte Techniken.

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

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

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

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

Figur 4 ist ein schematisch.es Blockdiagramm von einem Laser— Spannungsmeßsystem.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen von Restspannungen basiert auf der bekannten Lochbohrtechnik von Restspannungsmessungen. Restspannungen werden aus der Messung von Oberflächenspannungen ermittelt, die durch Spannungs— entlastungen an dem Loch hervorgerufen werden. Bei diesem Verfahren wird vorübergehend ein Loch in dem untersuchten Gegenstand in der unmittelbaren Nähe des Dehnungsmessers geschmolzen, um die Spannungen zu entspannen, unter gewissen Umständen kann das Lochschmelzverfahren eine unzureichende Empfindlichkeit oder Genauigkeit aufweisen, und dann kann das Hohlbohrverfahren verwendet werden, wenn, eine genauere, empfindlichere Technik erforderlich ist. In diesem

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Falle wird anstelle eines Loches in der Mitte einer Meßeinrichtung ein spannungsentlasteter Ring oder ein nahezu vollständiger Ring um den Umfang der Meßeinrichtung herum geschmolzen. Das halbzerstörungsfreie Verfahren ist auf das Hohlbohren und auch auf das Lochschmelzen und andere lokal geschmolzene Geometrien anwendbar.

Das drei Elemente umfassende rosettenartige Spannungsmeßgerät 10, wie es in Figur 1 gezeigt ist, wird üblicherweise gewählt, wenn die Hauptspannungen und eine Hauptrichtung ermittelt werden sollen. Die drei Meßelemente 11, 12 und 13 werden auf einem Meßkreis bei 0°, 90° und 225°C angeordnet. In der Mitte des Meßgerätes, konzentrisch zu dem Meßkreis, befindet sich ein Kreisring 14, der als ein Ausrichtmuster dient und in dem ein Loch 15 temporär geschmolzen wird durch eine geeignete fein gerichtete Wärmequelle. Die gefalteten Meßelemente und das Ausrichtmuster sind geätzte Folienkomponenten auf einer durchgehenden Kunststoffhalterung 16 und werden nach Art von gedruckten Schaltungen hergestellt. An jedem Ende des Meßelementes befindet sich ein vergrößerter Kontaktstreifen 17 zur Herstellung elektrischer Anschlüsse. Das Rosettenmeßgerät 10 ist ein metallisches Widerstandsgerät, das so arbeitet, daß, wenn eine Folienlänge mechanisch gedehnt wird, ein längerer und sc.imalerer Leiter entsteht, dessen elektrischer Widerstand normalerweise vergrößert wird. Wenn die Länge des Widerstandselementes innig an einem unter Spannung stehenden Widerstand befestigt wird derart, daß es ebenfalls gedehnt wird, dann kann die gemessene Widerstandsänderung als eine Dehnung geeicht werden. Es sind viele andere Dehnungsmeßanordnungen bekannt und können anstelle des rosettenartigen Meters verwendet werden, was von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängt.

Das lokal geschmolzene Loch oder der Bereich 15 für die Spannungsentlastung wird an der Mitte des Meters durch einen gebündelten Laser- oder Elektronenstrahl hergestellt, oder es kann irgendeine Wärmequelle verwendet

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werden, die einen fein gerichteten, kurzen Wärmeimpuls liefern kann. Von diesen wird der Laser vorgezogen und im Pulsbetrieb mit einer Pulslänge von etwa 1-10 Millisekunden betrieben. Ein kurzer Wärmeimpuls begrenzt den geschmolzenen Bereich und schützt die Spannungsmesser, und es ist auch wichtig, den untersuchten metallischen oder aus Kunststoff bestehenden Gegenstand zu schmelzen, ohne daß Material verspritzt. Wenn das Schmelzen richtig gesteuert wird, ist das Loch nach der Erstarrung wieder weitgehend geschlossen. Das Verfahren ist seiner Art nach halbzerstörungsfrei, da der geschmolzene Bereich in wenigen Millisekunden wieder erstarrt, bevor eine wesentliche Materialmenge verloren geht.

Im folgenden wird nun das Verfahren zum Messen der Rest— spannung durch lokales Schmelzen beschrieben. Zunächst bringt der Laser für eine ausreichende Zeitperiode Energie in den Gegenstand, es wird ein geschmolzenes Loch gebildet und in dessen Nähe wird die Restspannung entspannt. Zur gleichen Zeit wird auch eine thermische Spannung eingeführt aufgrund der ungleichförmigen Temperaturverteilung. Wenn der Laserimpuls endet, beginnt das geschmolzene Loch wieder zu erstarren. Die thermischen Beanspruchungen werden beseitigt, wenn die Temperatur abnimmt, und die Umschmelzspannung wird vorherrschend. Die Spannungsänderung, die durch die Spannungsentlastung hervorgerufen wird, wird gemessen, nachdem der geschmolzene Bereich wieder erstarrt ist und nachdem ein gewisser Zeitraum von etwa 10-30 Sekunden verstrichen ist zur Stabilisierung der thermischen Beanspruchungen und der ümschmelzspannungen. Die Kurve der.Spannung über der Zeit gemäß Figur 2, die sich auf die Kurve für einen Gegenstand mit Restspannung bezieht, zeigt, daß der Spitzenwert der Beanspruchung auftritt, während der Bereich geschmolzen ist, und daß die Beanspruchung nach einem kurzen Zeitraum im wesentlichen konstant 1st. Die Wirkung von sowohl der

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thermischen Beanspruchung als auch der Umgießbeanspruchung wird eliminiert, wenn eine Eichmessung von einer vergüteten Probe von der Messung eines Gegenstandes mit Restspannung subtrahiert wird. Die vergütete Probe muß aus dem gleichen Material bestehen wie der geprüfte Gegenstand, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, aber braucht nicht die gleiche Form zu haben (beispielsweise kann der eine Gegenstand ein Rohr und der andere eine ebene Platte sein). Es wird ein vergütetes Stück gewählt, weil es keine eingebaute Restbeanspruchung besitzt und eine spannungsfreie Messung durchgeführt werden kann. Die Eichmessung der Beanspruchung wird im wesentlichen in identischer Weise durchgeführt, indem der für den Gegenstand durchgeführte Versuch dupliziert wird. Bezüglich der Kurve für die Spannung über der Zeit in Figur 2 für die vergütete Probe wird die Oberflächenspannung in gleicher Weise gemessen, nachdem der geschmolzene Bereich erstarrt ist und die Wirkung der thermischen und Umgießspannungen sich stabilisiert hat. Die SpannungsentlastungA£ wird dadurch erhalten, daß die Spannung für die vergütete Probe von der Spannung für den Gegenstand mit der Restspannung subtrahiert wird. Diese Spannungsentlastung wird zur Berechnung der Restspannung benutzt. In dem biaxialen Spannungsfeld können drei Unbekannte, zwei Hauptbeanspruchungen und eine Hauptrichtung, dadurch gelöst werden, daß drei Meter in verschiedenen Richtungen angeordnet werden.

Die Verwendung einer entfernten, gerichteten Wärmequelle gestattet Restspannungsmessungen bei schwierigen Geometrien, wie beispielsweise einer Innenfläche von einem Gegenstand. Gemäß Figur 3 ist ein Beispiel die Messung der Restspannung auf dem Innendurchmesser eines Reaktorrohres 18. Masseschweiß-Restspannungen in nuklearen Rohrleitungen spielen eine Hauptrolle in dem intergranularen, durch Spannungserosion hervorgerufenen Rißbildungsproblem, und da eine derartige Rißbildung auf der Innenfläche des Rohres auf-

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tritt, muß die Messung hier durchgeführt werden. Ein LeI--stungslaser 19 befindet sich an einer entfernten Stelle und der Laserstrahl 20 wird nach dem Eintritt in das Rohr durch ein Prisma 21 und eine Fokuslinse 22 auf die Mitte des aufgebrachten Rosettenmeters 10 abgelenkt. Die Laserwärmequelle und optische Bauteile zum Ablenken des Strahles, zu denen auch Spiegel gehören können, können auf einem bewegbaren Wagen montiert werden. Das halbzerstörungsfreie Verfahren ist schnell, billiger als bestehende Methoden und sie eignet sich für an Montagestellen durchgeführte Messungen der Restspannung.

Figur 4 zeigt das Blockdiagramm von einem vollständigen Laserspannungs-Meßsystem. Das Laseruntersystem umfaßt einen Richtlaser 25, einen Leistungslaser 26 und eine Fokussierungslinse 27. Diese Komponenten sind handelsüblich. Der eine kleine Leistung aufweisende Richtlaser in dem einen Untersystem ist ein Helium-Neonlaser, der auf einer gemeinsamen Achse mit dem Leistungslaser montiert ist, der ein Neodym-Glaslaser mit einer Wellenlänge von 1,06^«m ist. Der Richtlaser hat eine unterschiedliche Wellenlänge in dem Rotbereich und stellt sicher, daß der Impuls des Leistungslasers auf die Mitte des Meters gerichtet ist. Das Meter 10 ist das gleiche wie in Figur 1 und kann ein handelsübliches lochbohrendes Rosetten-Spannungsmeter sein. Diese Meter 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 Spannungsänderung nach dem Laserschmelzen wird durch eine elektrische Schaltungsanordnung gemessen, die eine Stromquelle und Verstärker 29 umfaßt. 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

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ermittelt, die das Poissons¹sehe Verhältnis und den Elastizitätsmodul E für das Material umfassen. Wenn angenommen wird, daß das Rohr 18 der untersuchte Gegenstand und der Stab 28 die vergütete Probe ist, wird das gleiche Meter für beide Versuche benutzt, und das Laser-Untersystem 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 jedesmal wiederholt zu werden, wenn ein Gegenstand aus diesem Material untersucht wird. Weiterhin kann die Spannung, die die Eichmessung der vergüteten Probe darstellt, automatisch durch die Einrichtung von der gemessenen Spannung für einen Gegenstand mit Restspannung subtrahiert werden. Hierfür sind verschiedene Möglichkeiten bekannt.

Wenn die drei Spannungsentlastungen Δ£, für die rosettenförmige Meßkonfiguration bekannt sind, ist die Berechnung der Spannungen und die Größe der Hauptspannungen und deren Richtungen nur noch Routinesache. Diesbezüglich wird auf "Hole-Drilling Strain-Gage Method of Measuring Residual Stresses" von N.G. Rendler und I. Vigness, Experimental Mechanic Dezember 1966, Seiten 577 - 586 und auf das Buch "Mechanical Measurments", zweite Ausgabe, T.G. Beckwith und N.L. Buck, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1973, Library of Congress Catalog Card No. 70-85380 verwiesen. Alternativ können die drei Spannungen, die die Spannungsentlastung darstellen, in einen Mikroprozessor eingegeben werden, der die Berechnung der Hauptspannungen und deren Richtungen übernimmt. Diese Technik mißt die Massenrestspannung, d. h. eine mittlere Spannung bis 1,25 mm oder mehr Tiefe von einer Oberfläche.

Das eingangs erwähnte Höh lbohrungsverf ahren istjin Figur 5 dargestellt und anwendbar, wenn eine genauere und empfindlichere Technik erforderlich ist. In diesem Fall wird an-

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stelle der Herstellung eines Loches in der Mitte des Meters ein spannungsentlasteter, nahezu vollständig ringförmiger Bereich 30 um den Meterbereich herum geschmolzen. Ein fein fokussierter Laserstrahl wird abgelenkt, um den nahezu vollständigen Ring auszubilden, wobei ein gewisser Raum für die Durchführung von Leitern zu den Meßelementen freibleibt.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

/T 1.JVerfahren zum Messen von Oberflächenspannungen auf einem Gegenstand zur Bestimmung von Restspannungen, dadurch gekennzeic hnet, 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 Spannungsänderung 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 Umschmelζspannungen vorherrschend werden, und

von der gemessenen Spannung des untersuchten Gegenstandes eine Eichmessung der Spannung von einer vergüteten Probe subtrahiert wird, die aus dem gleichen Material wie der untersuchte Gegenstand besteht, wobei die Eichmessung in der Weise gefunden wird, daß in identischer Weise ein Bereich in der unmittelbaren Nähe eines Dehnungsmesser mit einer fein gerichteten Wärme

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quelle temporär lokal geschmolzen und die Spannungsänderung 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. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmequelle ein fokussierter Laserstrahlpuls mit einer Pulslänge von etwa 1-10 Millisekunden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Laserstrahl abgelenkt wird, um den Strahl auf eine Innenfläche des untersuchten Gegenstandes zu richten.
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. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß als Dehnungsmesser ein mehrere Elemente umfassendes, rosettenförmig angeordnetes Widerstands-Dehnungsmeßgerät 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 Spannungsänderung 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

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die Eichmessung der Spannung bzw. Dehnung für die vergütete Probe von der Messung der Spannung bzw. Dehnung für den untersuchten Gegenstand subtrahiert wird, um
einen Wert der Dehnungsentlastung zu erhalten, der für die Ermittlung der Restspannungen verwendet wird.

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