Hålborrningsmetod

Hålborrningsmetoden är en metod för att mäta restspänningar, i ett material. Kvarvarande spänning uppstår i ett material i frånvaro av yttre belastningar. Kvarvarande spänning samverkar med den applicerade belastningen på materialet för att påverka materialets totala styrka, utmattning och korrosionsprestanda. Restspänningar mäts genom experiment. Hålborrningsmetoden är en av de mest använda metoderna för restspänningsmätning.

Hålborrningsmetoden kan mäta makroskopiska restspänningar nära materialytan. Principen bygger på att man borrar ett litet hål i materialet. När materialet som innehåller restspänning avlägsnas når det återstående materialet ett nytt jämviktstillstånd. Det nya jämviktstillståndet har associerade deformationer runt det borrade hålet. Deformationerna är relaterade till restspänningen i den materialvolym som avlägsnats genom borrning. Deformationerna runt hålet mäts under experimentet med hjälp av töjningsmätare eller optiska metoder. Den ursprungliga restspänningen i materialet beräknas från de uppmätta deformationerna. Hålborrningsmetoden är populär för sin enkelhet och den är lämplig för ett brett spektrum av applikationer och material.

Viktiga fördelar med hålborrningsmetoden inkluderar snabb förberedelse, mångsidighet i tekniken för olika material och tillförlitlighet. Omvänt är hålborrningsmetoden begränsad i analysdjupet och provets geometri, och är åtminstone semi-destruktiv.

Hålborrningsmetod för mätning av restspänningar – detalj av pinnfräsen i mätanordningen.

Historia och utveckling

Idén att mäta restspänningen genom att borra ett hål och registrera förändringen av håldiametern föreslogs först av Mathar 1934. 1966 introducerade Rendler och Vignis en systematisk och repeterbar procedur för hålborrning för att mäta restspänningen. Under den följande perioden vidareutvecklades metoden i termer av borrteknik, mätning av avlastade deformationer och själva restspänningsutvärderingen. En mycket viktig milstolpe är användningen av finita elementmetoden för att beräkna kalibreringskoefficienterna och för att utvärdera restspänningarna från de uppmätta lättade deformationerna (Schajer, 1981). Detta möjliggjorde speciellt utvärderingen av restspänningar som inte är konstanta längs djupet. Det gav också ytterligare möjligheter att använda metoden, t.ex. för inhomogena material, beläggningar etc. Mät- och utvärderingsproceduren är standardiserad av normen ASTM E837 från American Society for Testing and Materials vilket också bidragit till metodens popularitet. Hålborrningen är för närvarande en av de mest utbredda metoderna för att mäta restspänningen. Moderna beräkningsmetoder används för utvärderingen. Metoden utvecklas speciellt när det gäller borrteknik och möjligheterna att mäta deformationerna.

Fundamentala principer

Hålborrningsmetoden för att mäta restspänningarna bygger på att man borrar ett litet hål i materialytan. Detta avlastar restspänningarna och tillhörande deformationer runt hålet. De lättade deformationerna mäts i minst tre oberoende riktningar runt hålet. Den ursprungliga restspänningen i materialet utvärderas sedan utifrån de uppmätta deformationerna och med hjälp av så kallade kalibreringskoefficienter. Hålet görs med en cylindrisk pinnfräs eller med alternativa tekniker. Deformationer mäts oftast med töjningsmätare (töjningsgivarerosetter).

Princip för hålborrningsmetoden för restspänningsmätning.

Den biaxiala spänningen i ytplanet kan mätas. Metoden omtalas ofta som halvförstörande tack vare de små materiella skadorna. Metoden är relativt enkel, snabb, mätanordningen är vanligtvis portabel. Nackdelar inkluderar teknikens destruktiva karaktär, begränsad upplösning och en lägre noggrannhet i utvärderingen vid ojämna spänningar eller inhomogena materialegenskaper.

De så kallade kalibreringskoefficienterna spelar en viktig roll vid utvärderingen av restspänningen. De används för att omvandla de lättade deformationerna till den ursprungliga restspänningen i materialet. Koefficienterna kan teoretiskt härledas för ett genomgående hål och en homogen spänning. Då beror de bara på materialegenskaperna, hålradien och avståndet från hålet. I de allra flesta praktiska tillämpningar är dock inte förutsättningarna för att använda de teoretiskt härledda koefficienterna uppfyllda, t.ex. ingår inte integraldeformationen över tensometerytan, hålet är blind istället för genomgående etc. Koefficienter som tar hänsyn till beakta de praktiska aspekterna av mätning används. De bestäms mestadels av en numerisk beräkning med finita elementmetoden. De uttrycker förhållandet mellan de lättade deformationerna och kvarvarande spänningar, med hänsyn till hålstorleken, håldjupet, formen på den tensometriska rosetten, material och andra parametrar.

FEM-nät för beräkning av kalibreringskoefficienterna för mätmetoden för hålborrning av restspänning.

Utvärderingen av restspänningarna beror på metoden som används för att beräkna dem från de uppmätta lättade deformationerna. Alla utvärderingsmetoder bygger på de grundläggande principerna. De skiljer sig åt i förutsättningarna för användning, noggrannhetskraven på kalibreringskoefficienterna eller möjligheten att ta hänsyn till ytterligare påverkan. I allmänhet görs hålet i successiva steg och de lättade deformationerna mäts efter varje steg.

Utvärderingsmetoder för restspänningen

Flera metoder har utvecklats för utvärdering av restspänningar från de avlastade deformationerna. Den grundläggande metoden är den motsvarande enhetliga spänningsmetoden . Koefficienterna för speciell håldiameter, rosetttyp och håldjup publiceras i normen ASTM E837. Metoden lämpar sig för en konstant eller lite föränderlig spänning längs djupet. Den kan användas som en riktlinje för icke-konstanta spänningar, men metoden kan ge mycket förvrängda resultat.

Den mest allmänna metoden är integralmetoden . Den beräknar påverkan av den avlastade spänningen i det givna djupet som dock ändras med hålets totala djup. Kalibreringskoefficienterna uttrycks som matriser. Utvärderingen leder till ett ekvationssystem vars lösning är en vektor av restspänningar i särskilda djup. En numerisk simulering krävs för att få fram kalibreringskoefficienterna. Integralmetoden och dess koefficienter definieras i normen ASTM E837.

Schema för utvärdering av restspänningar med Integralmetoden. Kalibreringskoefficienternas form beroende på hålets djup och positionen i hålet.

Det finns andra utvärderingsmetoder som har lägre krav på kalibreringskoefficienterna och på själva utvärderingsprocessen. Dessa inkluderar den genomsnittliga spänningsmetoden och den inkrementella töjningsmetoden . Båda metoderna bygger på antagandet att förändringen i deformationen enbart orsakas av den avlastade spänningen på det borrade inkrementet. De är endast lämpliga om det finns små förändringar i spänningsprofilerna. Båda metoderna ger numeriskt korrekta resultat för likformiga spänningar.

Powerseriemetoden och splinemetoden är andra modifieringar av integralmetoden. De tar båda hänsyn till både spänningseffektens avstånd från ytan och det totala håldjupet. I motsats till integralmetoden approximeras de resulterande spänningsvärdena med ett polynom eller en spline. Effektseriemetoden är mycket stabil men den kan inte fånga snabbt föränderliga spänningsvärden. Splinemetoden är mer stabil och mindre känslig för fel än integralmetoden. Den kan fånga de faktiska spänningsvärdena bättre än effektseriemetoden. Den största nackdelen är de komplicerade matematiska beräkningarna som behövs för att lösa ett system av olinjära ekvationer.

Med hjälp av hålborrningsmetoden

Hålborrningsmetoden finner sin användning i många industriområden som sysslar med materialproduktion och bearbetning . De viktigaste teknologierna inkluderar värmebehandling, mekanisk och termisk ytbehandling, bearbetning, svetsning, beläggning eller tillverkning av kompositer. Trots sin relativa universalitet kräver metoden att dessa grundläggande förutsättningar är uppfyllda: möjligheten att borra materialet, möjligheten att applicera de tensometriska rosetterna (eller andra sätt att mäta deformationerna) och kunskapen om materialets egenskaper. Ytterligare förhållanden kan påverka mätningens noggrannhet och repeterbarhet. Dessa inkluderar särskilt provets storlek och form, avståndet mellan det uppmätta området från kanterna, materialets homogenitet, förekomst av restspänningsgradienter, etc. Hålborrning kan utföras i laboratoriet eller som en fältmätning, vilket gör den idealisk för mätning av faktiska spänningar i stora komponenter som inte kan flyttas.

Se även

• Kvarvarande stress
• Djupa hålsborrning
• Friktionsborrning

externa länkar

• Mätning av restspänningar med hålborrningsmetoden, University of West Bohemia, New Technologies - Research Centre, avdelningen Thermomechanics of Technological Processes
• Laboratorie- och fältmätningar av restspänningar genom hålborrning