自德國物理學家倫琴1895年發(fā)現X射線以來,利用X射線與物質的相互作用,誕生了多種材料分析測試手段,例如X射線衍射分析、X射線熒光分析、X射線光電子能譜分析及X射線俄歇能譜分析等。這其中,X射線衍射方法是確定物質的晶體結構、定性和定量物相分析、點陣常數精確測定、應力測定、晶體取向測定的有效方法。
X射線經物質散射后,散射線會在空間呈有規(guī)律的方向性強弱分布,即衍射效應。衍射線的分布規(guī)律與入射X射線的組成和物質的晶體結構有關,通過照相法或多晶衍射儀記錄衍射花樣,從而可以對物質進行晶體結構、物相構成分析等。
衍射應滿足布拉格(Bragg)方程
2dsinθ=nλn=1,2,3,……
圖1為布拉格方程的示意圖。d為晶面間距;λ為入射X射線波長;θ為入射線和反射線與晶面的夾角。
殘余應力是指產生應力的各種因素不存在時,如外力去除、溫度場已消失等,由于不均勻的塑性變形致使材料內部依然存在且自身保持平衡的彈性應力。在無宏觀應力條件下,可以認為不同方位的同族晶面的晶面間距是相等的,而在宏觀應力存在時,晶面間距會隨應力大小發(fā)生有規(guī)律的變化?？梢哉J為,晶面間距的相對變化反映了由殘余應力所造成的晶面法線方向上的彈性應變。X射線衍射通過測量彈性應變求得應力值,目前雖有多種測量殘余應力的方法,但X射線衍射應力測量方法最為典型。由于這種方法理論基礎比較嚴謹,實驗技術日漸完善,測量結果可靠,并且是一種無損測量方法,因而在國內外都得到普遍的應用。
在2012年之前,由于探測器的限制,殘余應力測試主要是采用基于零維(點)探測器和一維(線)探測器的sin2ψ方法。2012年,隨著首款基于全二維面探測器技術的便攜式X射線殘余應力分析儀在日本PulstecIndustrialCo.,Ltd.研制成功,由此基于cosα方法的新型X射線殘余應力分析儀開始投入工程應用。不同于傳統的sin2ψ方法基于幾個(一般為7~9個)衍射峰信息進行殘余應力分析,cosα方法是基于全二維面探測器上得到的德拜環(huán)衍射信息進行殘余應力分析的。cosα方法只需X射線單次入射即可獲得德拜環(huán)進行殘余應力擬合,因此設備不再需要X射線入射和衍射線的定位裝置,設備可以簡化從而做得更小,這對現場殘余應力測量或對設備有便攜性需求的領域是一個很大優(yōu)勢。
隨著工業(yè)4.0時代的到來,對于工業(yè)自動化檢測的需求越來越強烈,工業(yè)機器人是廣泛應用于工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置,具有一定的自動性,可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業(yè)加工制造功能。相比于傳統的工業(yè)設備,工業(yè)機器人有眾多的優(yōu)勢,比如機器人具有易用性、智能化水平高、生產效率及安全性高、易于管理且經濟效益顯著等特點,使得它們可以在各種環(huán)境下進行作業(yè)。使用圓形全二維面探測器的Pulstecμ-X360s殘余應力分析儀,采用了最新的理論及方法,在殘余應力測量的過程中不再需要多次轉動探測器,X射線單次入射即可獲得500個衍射點進行殘余應力數據擬合,測試速度快(鋼鐵樣品典型測試時間:<90s),諸多特點使得殘余應力測量與工業(yè)機器人的聯合使用成為現實。
使用工業(yè)機器人搭載Pulstecμ-X360s殘余應力分析儀進行自動化殘余應力測量的最新應用,在該模式下可以實現X射線殘余應力分析儀的自主運動、自主檢測、自動繪制應力分布云圖以及三維振蕩等功能,從而輕松改變常規(guī)的操作者手動測試的工作流程,大大提高殘余應力檢測的效率。
在此基礎上,開發(fā)者增加了工業(yè)視覺系統,此系統可輕松的對復雜形狀樣品進行多點殘余應力自動測量功能,機器人帶動探頭多自由度運動,置于待測點上,可自動進行測量,自動顯示測量結果,自動繪制云圖。軟件內還可以設置殘余應力閾值,自動判定樣品的殘余應力狀態(tài)是否合格(OK/NG)。
相較于傳統的X射線殘余應力檢測設備,此文中提到的便攜式X射線殘余應力分析儀Pulstecμ-X360s具有以下突出優(yōu)勢:
更快速:二維探測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力測量。
更精確:X射線單次曝光可獲得500個衍射點進行殘余應力數據擬合,結果更精確。
更輕松:無需測角儀,單角度一次入射即可,復雜形狀和狹窄空間的測量不再困難。
更方便:無需任何液體冷卻裝置,支持便攜電池供電。
更強大:支持擴展區(qū)域應力分布自動測量功能,具備晶粒尺寸均勻性、材料織構、殘余奧氏體含量分析等功能。
QuantumDesign中國于2015年將Pulstec公司小而輕的便攜式X射線殘余應力分析儀引進中國,目前已在國內銷售安裝多臺,客戶遍布高校、科研院所及各工業(yè)領域。
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