殘余應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素不存在時(shí),如外力去除、溫度場(chǎng)已消失等,由于不均勻的塑性變形致使材料內(nèi)部依然存在且自身保持平衡的彈性應(yīng)力。在無(wú)宏觀應(yīng)力條件下,可以認(rèn)為不同方位的同族晶面的晶面間距是相等的,而在宏觀應(yīng)力存在時(shí),晶面間距會(huì)隨應(yīng)力大小發(fā)生有規(guī)律的變化?？梢哉J(rèn)為,晶面間距的相對(duì)變化反映了由殘余應(yīng)力所造成的晶面法線方向上的彈性應(yīng)變。X射線衍射通過(guò)測(cè)量彈性應(yīng)變求得應(yīng)力值,目前雖有多種測(cè)量殘余應(yīng)力的方法,但X射線衍射應(yīng)力測(cè)量方法最為典型。由于這種方法理論基礎(chǔ)比較嚴(yán)謹(jǐn),實(shí)驗(yàn)技術(shù)日漸完善,測(cè)量結(jié)果可靠,并且是一種無(wú)損測(cè)量方法,因而在國(guó)內(nèi)外都得到普遍的應(yīng)用。

在2012年之前,由于探測(cè)器的限制,殘余應(yīng)力測(cè)試主要是采用基于零維(點(diǎn))探測(cè)器和一維(線)探測(cè)器的sin2ψ方法。2012年,隨著首款基于全二維面探測(cè)器技術(shù)的便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀在日本Pulstec Industrial Co., Ltd.研制成功,由此基于cosα方法的新型X射線殘余應(yīng)力分析儀開(kāi)始投入工程應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)的sin2ψ方法基于幾個(gè)(一般為7~9個(gè))衍射峰信息進(jìn)行殘余應(yīng)力分析,cosα方法是基于全二維面探測(cè)器上得到的德拜環(huán)衍射信息進(jìn)行殘余應(yīng)力分析的。cosα方法只需X射線單次入射即可獲得德拜環(huán)進(jìn)行殘余應(yīng)力擬合,因此設(shè)備不再需要X射線入射和衍射線的定位裝置,設(shè)備可以簡(jiǎn)化從而做得更小,這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)殘余應(yīng)力測(cè)量或?qū)υO(shè)備有便攜性需求的領(lǐng)域是一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái),對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈,工業(yè)機(jī)器人是廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置,具有一定的自動(dòng)性,可依靠自身的動(dòng)力能源和控制能力實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備,工業(yè)機(jī)器人有眾多的優(yōu)勢(shì),比如機(jī)器人具有易用性、智能化水平高、生產(chǎn)效率及安全性高、易于管理且經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn),使得它們可以在各種環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。使用圓形全二維面探測(cè)器的Pulstec μ-X360s殘余應(yīng)力分析儀,采用了最新的理論及方法,在殘余應(yīng)力測(cè)量的過(guò)程中不再需要多次轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)器,X射線單次入射即可獲得500個(gè)衍射點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)擬合,測(cè)試速度快(鋼鐵樣品典型測(cè)試時(shí)間:<90s),諸多特點(diǎn)使得殘余應(yīng)力測(cè)量與工業(yè)機(jī)器人的聯(lián)合使用成為現(xiàn)實(shí)。

使用工業(yè)機(jī)器人搭載Pulstec μ-X360s殘余應(yīng)力分析儀進(jìn)行自動(dòng)化殘余應(yīng)力測(cè)量的最新應(yīng)用,在該模式下可以實(shí)現(xiàn)X射線殘余應(yīng)力分析儀的自主運(yùn)動(dòng)、自主檢測(cè)、自動(dòng)繪制應(yīng)力分布云圖以及三維振蕩等功能,從而輕松改變常規(guī)的操作者手動(dòng)測(cè)試的工作流程,大大提高殘余應(yīng)力檢測(cè)的效率。

在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)者增加了工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng),此系統(tǒng)可輕松的對(duì)復(fù)雜形狀樣品進(jìn)行多點(diǎn)殘余應(yīng)力自動(dòng)測(cè)量功能,機(jī)器人帶動(dòng)探頭多自由度運(yùn)動(dòng),置于待測(cè)點(diǎn)上,可自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,自動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果,自動(dòng)繪制云圖。軟件內(nèi)還可以設(shè)置殘余應(yīng)力閾值,自動(dòng)判定樣品的殘余應(yīng)力狀態(tài)是否合格(OK/NG)。

相較于傳統(tǒng)的X射線殘余應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備,此文中提到的便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀Pulstec μ-X360s具有以下突出優(yōu)勢(shì):

更快速:二維探測(cè)器一次性采集獲取完整德拜環(huán),單角度一次入射即可完成殘余應(yīng)力測(cè)量。

更精確:X射線單次曝光可獲得500個(gè)衍射點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)擬合,結(jié)果更精確。

更輕松:無(wú)需測(cè)角儀,單角度一次入射即可,復(fù)雜形狀和狹窄空間的測(cè)量不再困難。

更方便:無(wú)需任何液體冷卻裝置,支持便攜電池供電。

更強(qiáng)大:支持?jǐn)U展區(qū)域應(yīng)力分布自動(dòng)測(cè)量功能,具備晶粒尺寸均勻性、材料織構(gòu)、殘余奧氏體含量分析等功能。

Quantum Design中國(guó)于2015年將Pulstec公司小而輕的便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀引進(jìn)中國(guó),目前已在國(guó)內(nèi)銷售安裝多臺(tái),客戶遍布高校、科研院所及各工業(yè)領(lǐng)域。

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