CN115077760B - 一种残余应力测试辅助装置及测试方法 - Google Patents

一种残余应力测试辅助装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种残余应力测试辅助装置及测试方法，辅助装置包括上端盖、筒体和底座，上端盖为上、下表面平行的圆板，圆板的圆心处开有小孔，小孔贯穿圆板的上、下表面，筒壁为透明的圆柱形筒体，圆柱形筒体的壁厚均匀，圆柱形筒体的上端面和下端面平行且均垂直于圆柱形筒体的轴线；底座为上、下表面平行的圆板，圆板的上表面上标记有中心点和环形刻度，中心点位于圆板的圆心，圆板的下表面上连接有三个完全相同的小圆锥体。测试时，三个小圆锥体粘贴在试样表面，通过调整穿过上端盖小孔的激光束斑点中心与底座上表面中心点和环形刻度的关系来确定垂直关系。本发明不需要对残余应力测试仪进行水平调整，简化了便携式X射线残余应力测试仪的外出使用，同时适用于非水平试样的原位测试。

Description

一种残余应力测试辅助装置及测试方法
技术领域
本发明属于试验与测试技术领域，具体涉及一种残余应力测试辅助试样表面垂直装置及测试方法。
背景技术
X射线残余应力测试作为一种材料表面残余应力的快速无损检测方法已经被广泛认知。工程应用中，由于零件结构复杂多样性的特点，致使残余应力在测试过程中不能以最佳条件测量。在进行残余应力测试时，应结合目视或***对准待测区域，使待测区域应准确置于仪器指示的测试点中心。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力其中ψ为衍射晶面法线和试样表面法线的夹角，当试样表面与仪器不垂直时，会导致ψ增大或者减小。试样表面与仪器倾斜角度越大，测出/>的误差越大。在GB/T 7704《无损检测X射线应力测定方法》、GJB 10056-2021《航空发动机金属材料残余应力测试方法》进行试样定位时均无明确的方法。
在实际测试中，一般通过目视或者水平仪使试样表面与仪器垂直。目视方法依赖于测试者的经验，目视方法难于保证试样表面垂直仪器。使用水平仪需要先将设备调至水平，再用水平仪使试样表面水平。水平仪仅适用仪器水平放置时，且由于无专用的水平仪，水平仪底平面难于代表复杂零件的测试表面，进而难于保证试样表面垂直仪器。为了解决以上问题，急需设计一种残余应力测试辅助试样表面垂直装置及测试方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种残余应力测试辅助装置及测试方法，提高残余应力测试的准确性，解决试样表面不垂直残余应力分析仪器的问题。
为实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：
一种残余应力测试辅助装置，包括，
上端盖，所述上端盖为上、下表面平行的圆板，圆板的圆心处开有小孔，小孔贯穿圆板的上、下表面；
筒壁，所述筒壁为透明的圆柱形筒体，圆柱形筒体的壁厚均匀，圆柱形筒体的上端面和下端面平行且均垂直于圆柱形筒体的轴线；
底座，所述底座为上、下表面平行的圆板，圆板的上表面上标记有中心点和环形刻度，中心点位于圆板的圆心，环形刻度为多个以圆板的圆心为中心且直径不等的圆周，圆板的下表面上连接有三个完全相同的小圆锥体，小圆锥体的底面与圆板的下表面相连，三个小圆锥体的底面中心分别位于圆板下表面上一个等边三角形的三个顶点处；
所述上端盖的下表面紧贴筒壁的上端面，筒壁的下端面紧贴底座的上表面，三个小圆锥体的顶点确定了一个平面，上端盖的圆心与底座的圆心连线确定了一根轴线，所述轴线垂直于所述平面。
进一步，所述上端盖、筒壁和底座的外径相等。
作为一种选择，
所述上端盖为金属材质的圆板；
所述筒壁为有机玻璃材质的圆柱形筒体；
所述底座为金属材质的圆板。
作为一种选择，
所述底座的上表面涂覆有白色哑光漆底漆；
沿着所述环形刻度所在圆周涂覆有黑色哑光漆；
所述中心点涂覆有黑色哑光漆。
作为一种选择，所述环形刻度包括三个直径不同的圆周，且三个圆周的直径依次为2.4mm、4.9mm和7.5mm。
作为一种选择，所述小圆锥体为金属材质，且小圆锥体的底面直径为2mm，小圆锥体的高度为1.1mm。
作为一种选择，所述上端盖、筒壁和底座用胶接形成一个整体。
进一步，残余应力测试辅助装置还包括双面胶，所述双面胶的一面粘贴在试样表面，双面胶的另一面与三个小圆锥体的顶点粘接。
一种残余应力测试方法，采用上述的残余应力测试辅助装置，测试方法包括，
组装好上端盖、筒壁和底座，其中，确保上端盖的下表面紧贴筒壁的上端面，筒壁的下端面紧贴底座的上表面；
步骤一，打开X射线残余应力分析仪自带的通过准直器的激光束，调整准直器的角度使准直器回到X射线残余应力分析仪的初始零位；
步骤二，在试样表面测试区域贴上双面胶，将三个小圆锥体的顶点粘在双面胶上，并使试样需要测试区域的中心处于上端盖的圆心与底座的圆心连线确定的轴线上；测试区域是指根据测试目的或需要进行选择的区域，而测试区域中心是指根据前述测试目的或需要选择的区域的中心；
步骤三，移动试样，使激光束通过上端盖的小孔，通过调整使得试样表面大致与准直器垂直(即通过调整试样的位置，使得试样表面基本与准直器垂直)，使激光束位于底座上表面的环形刻度上；
步骤四，精细调整试样，使激光束的斑点中心与底座的中心点重合，此时三个小圆锥体的三个顶点所确定的平面垂直准直器；
步骤五，稳固试样位置，取下残余应力测试辅助装置，撕去试样表面的双面胶，清洁试样待测试表面，进行残余应力测试。
作为一种选择，上述残余应力测试方法应用于非水平试样的原位测试。
作为一种选择，所述步骤三中，当三个小圆锥体的顶点不能同时接触到试样表面的双面胶时，说明试样的测试表面的曲率半径不满足测试要求，达到对试样的测试表面的曲率半径进行控制的目的，此时，若继续测试则测试结果不可信，即这样曲率半径的试样不建议进行测试，测试不可信、没有意义。此时更换能够满足三个小圆锥体的顶点同时接触到试样表面的残余应力测试辅助装置(例如缩小三个小圆锥体分布的等边三角形的外接圆直径)，或者重新选择试样表面。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
目前残余应力测试时，一般通过目视或者水平仪使试样表面与仪器垂直。目视方法依赖于测试者的经验，目视方法难于保证试样表面垂直仪器。使用水平仪需要先将设备调至水平，再用水平仪使试样表面水平。水平仪仅适用仪器水平放置时，且由于无专用的水平仪，水平仪底平面难于代表复杂零件的测试表面，进而难于保证试样表面垂直仪器。在GB/T 7704《无损检测X射线应力测定方法》、GJB 10056-2021《航空发动机金属材料残余应力测试方法》进行试样定位时均无方法保证试样表面垂直仪器。
首先，本发明的辅助装置采用三个小圆锥体的顶点(尖端的3个点)所在平面代表试样测试表面，通过两点定一线(即上端盖圆心和底座圆心确定的轴线)的原理使所代表平面垂直X射线残余应力分析仪的准直器，实现大部分试样测试表面垂直仪器的目的；极限情况下，三个小圆锥体尖端的3个点所在平面与测试表面夹角不大于20°，一般情况下两者夹角小于5°，进而使仪器采集的衍射晶面方位角ψ更接近真实值，达到了提高残余应力测试的准确性的效果。
其次，本发明的辅助装置使用时不需要对仪器进行水平调整，简化便携式X射线残余应力测试仪的外出使用，同时适用于非水平试样的原位测试。
此外，调整三个小圆锥体的高度和分布的直径(等边三角形的外接圆直径)，可以同时对试样测试区域的曲率半径进行控制，当曲率半径大于规定值时，三个小圆锥体尖端的三个点不能全部接触测试表面，从而判断试样测试表面的曲率半径是否满足测试要求。
附图说明
图1为本发明的辅助装置示意图；
图2为图1中截面A-A示意图；
图3为图1中截面B-B示意图；
图4为图1中截面C-C示意图；
图中，1-准直器；2-激光束；3-上端盖；4-筒壁；5-底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
本实施例中，测试辅助装置的设计思路如下：
(1)采用激光束2平行的通过准直器1(即准直器1输出平行激光束，准直器1的孔径可以为2mm或更大，平行的通过是为了提供精度，从而判断试样表面与仪器的合轴程度)，调整准直器1的角度使准直器回归X射线残余应力分析仪的初始零位；
(2)上端盖3为带小孔的金属圆板，小孔位于圆板的中心；
(3)筒壁4为透明材质的圆柱形筒体，圆柱形筒体的壁厚均匀，圆柱形筒体的上、下两个端面平行且垂直于圆柱形筒体的轴线方向；
(4)底座5为上表面带有多个环形刻度和中心点的金属圆板，环形刻度的圆心与圆板的圆心重合，圆板下表面固定有三个呈120°圆周分布的倒立小圆锥体，或者说三个小圆锥体底面的圆心分布在同一个等边三角形的顶点处，这个等边三角形确定的外接圆为前述的圆周；
(5)上端盖3、筒壁4和底座5三者的外径相同，上端盖3的圆心和底座5的圆心连成的轴线垂直于三个小圆锥体的尖端的3个点所确定的平面，上端盖3、筒壁4和底座5三者连接一体组成残余应力测试辅助试样表面垂直装置，装置在使用前连接(例如用胶水粘接)形成一个整体；
(6)在试样表面测试区域贴上双面胶，将辅助装置的三个小圆锥体的尖端粘在双面胶上，并使测试区域中心处于辅助装置的轴线上；
(7)移动试样，使激光束2通过辅助装置的上端盖3的小孔，大致调整试样垂直仪器，使激光束2位于底座5上表面的环形刻度上；
(8)激光束2的激光斑点中心位于不同环形刻度代表试样表面倾斜不同的角度，2.4mm、4.9mm、7.5mm直径的环形刻度分别代表试样表面倾斜5°、10°、15°，精细调整试样，使激光斑点中心与底座5的中心点重合，此时辅助装置的三个小圆锥体尖端的3个点所确定的平面垂直仪器；
(9)取下辅助装置，撕去试样表面的双面胶，进行残余应力测试。
下面结合图1～图4来进一步描述本发明的辅助装置和残余应力测试方法。本实施例以PROTO IXRD-MG40P型X射线残余应力分析仪为例，具体步骤如下：
(1)上端盖3为带小孔的不锈钢圆板，外径为9mm、厚度为1mm，小孔位于圆板的中心、直径为1mm。
(2)筒壁4为透明有机玻璃圆柱形筒体，圆柱形筒体的外径为9mm、壁厚为1mm、长度为14mm，圆柱形筒体上、下两个端面平行且垂直圆柱形筒体的轴线方向。
(3)底座5为不锈钢圆板，外径为9mm、厚度为1mm，圆板的上表面涂覆白色哑光漆底漆，并采用黑色哑光漆涂覆3个环形刻度和中心点，环形刻度的圆心和中心点均与圆板的圆心重合，3个环形刻度的直径分别为2.4mm、4.9mm和7.5mm，圆板下表面固定有3个呈120°圆周分布的倒立(圆锥体的底面与圆板下表面连接)小圆锥体，小圆锥体的材料为不锈钢，直径为2mm、高度为1.1mm；此时控制的试样测试表面的曲率半径约为6mm(2mm准直器1的3倍)。
(4)上端盖3的圆心和底座5的圆心连成的轴线垂直3个小圆锥体的尖端的3个点所确定的平面，上端盖3、筒壁4和底座5三者采用胶水紧固连接成一个整体，组成残余应力测试辅助试样表面垂直装置。
(5)打开X射线残余应力分析仪自带的通过准直器1的激光束2，调整准直器1的角度使准直器1回到X射线残余应力分析仪的初始零位，即β轴回到起点。
(6)在试样表面测试区域贴上厚度0.1mm的双面胶，将辅助装置的3个小圆锥体的尖端粘在双面胶上，并使试样需要测试区域的中心处于辅助装置的轴线上。
(7)移动试样，使激光束2通过辅助装置上端盖3的小孔，通过调整使得试样表面大致与准直器1垂直，使激光束2位于底座5上表面的环形刻度上。
(8)激光束2的激光斑点中心位于不同环形刻度代表试样表面倾斜不同的角度，2.4mm、4.9mm、7.5mm直径的环形刻度分别代表试样表面倾斜5°、10°、15°，精细调整试样，使激光束2的斑点中心与底座5的中心点重合，此时辅助装置的3个小圆锥体尖端的3个点所确定的平面垂直准直器1。
(9)稳固试样位置，取下辅助装置，撕去试样表面的双面胶，清洁试样待测试表面，进行残余应力测试。

Claims (10)

1.一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：包括，
上端盖(3)，所述上端盖(3)为上、下表面平行的圆板，圆板的圆心处开有小孔，小孔贯穿圆板的上、下表面；
筒壁(4)，所述筒壁(4)为透明的圆柱形筒体，圆柱形筒体的壁厚均匀，圆柱形筒体的上端面和下端面平行且均垂直于圆柱形筒体的轴线；
底座(5)，所述底座(5)为上、下表面平行的圆板，圆板的上表面上标记有中心点和环形刻度，中心点位于圆板的圆心，环形刻度为多个以圆板的圆心为中心且直径不等的圆周，圆板的下表面上连接有三个完全相同的小圆锥体，小圆锥体的底面与圆板的下表面相连，三个小圆锥体的底面中心分别位于圆板下表面上一个等边三角形的三个顶点处；
所述上端盖(3)的下表面紧贴筒壁(4)的上端面，筒壁(4)的下端面紧贴底座(5)的上表面，三个小圆锥体的顶点确定了一个平面，上端盖(3)的圆心与底座(5)的圆心连线确定了一根轴线，所述轴线垂直于所述平面。
2.根据权利要求1所述的一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：所述上端盖(3)、筒壁(4)和底座(5)的外径相等。
3.根据权利要求1所述的一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：
所述上端盖(3)为金属材质的圆板；
所述筒壁(4)为有机玻璃材质的圆柱形筒体；
所述底座(5)为金属材质的圆板。
4.根据权利要求1所述的一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：
所述底座(5)的上表面涂覆有白色哑光漆底漆；
沿着所述环形刻度所在圆周涂覆有黑色哑光漆；
所述中心点涂覆有黑色哑光漆。
5.根据权利要求1所述的一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：所述环形刻度包括三个直径不同的圆周，且三个圆周的直径依次为2.4mm、4.9mm和7.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：所述小圆锥体为金属材质，且小圆锥体的底面直径为2mm，小圆锥体的高度为1.1mm。
7.根据权利要求1所述的一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：所述上端盖(3)、筒壁(4)和底座(5)用胶接形成一个整体。
8.根据权利要求1所述的一种残余应力测试辅助装置，其特征在于：还包括双面胶，所述双面胶的一面粘贴在试样表面，双面胶的另一面与三个小圆锥体的顶点粘接。
9.一种残余应力测试方法，其特征在于：采用权利要求8所述的残余应力测试辅助装置，测试方法包括，
步骤一，打开X射线残余应力分析仪自带的通过准直器(1)的激光束(2)，调整准直器(1)的角度使准直器(1)回到X射线残余应力分析仪的初始零位；
步骤二，在试样表面测试区域贴上双面胶，将三个小圆锥体的顶点粘在双面胶上，并使试样需要测试区域的中心处于上端盖(3)的圆心与底座(5)的圆心连线确定的轴线上；
步骤三，移动试样，使激光束(2)通过上端盖(3)的小孔，通过调整使得试样表面大致与准直器(1)垂直，使激光束(2)位于底座(5)上表面的环形刻度上；
步骤四，精细调整试样，使激光束(2)的斑点中心与底座(5)的中心点重合，此时三个小圆锥体的三个顶点所确定的平面垂直准直器(1)；
步骤五，稳固试样位置，取下残余应力测试辅助装置，撕去试样表面的双面胶，清洁试样待测试表面，进行残余应力测试。
10.根据权利要求9所述的一种残余应力测试方法，其特征在于：所述步骤三中，当三个小圆锥体的顶点不能同时接触到试样表面的双面胶时，说明试样的测试表面的曲率半径不满足测试要求，此时更换能够满足三个小圆锥体的顶点同时接触到试样表面的残余应力测试辅助装置，或者重新选择试样表面。
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