适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法及应用与流程

1.本发明涉及残余应力检测技术领域，尤其是涉及一种适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法及应用。


背景技术：

2.残余应力是在没有外力的作用下，仍以平衡状态存在于物体内部的应力，主要源于制备过程中不均匀的塑性变形。高温合金层错能低、回复困难，因此相对于其他金属材料来说，残余应力易累计、难释放、控制难度大，并由此导致了后续加工和使用服役中的各类问题。
3.现有的残余应力测试方法中，x射线衍射法只能测得表层平面残余应力，中子衍射等高能射线具有一定的测试深度但成本高、资源少，钻孔法测试分辨率有限且无法测得连续分布规律，超声等方法并不成熟且受组织影响较大，裂纹柔度法、切缝法等对于盘或环类锻件的形状而言有局限性。研究总结发现，利用轮廓法可以测定盘/环形锻件垂直于切面方向的弦向残余应力面分布。该方法可与批产中的解剖件相结合，在工程上具有可操作性，并且具有合理的精确度。
4.轮廓法测量残余应力的基本原理是利用了应力释放与变形的关系，并将有限元法和释放技术结合，计算得出某一截面上的内部应力分布。将构件沿着需要评估应力的平面，采用电火花线切割技术完整切开成为两半，应力释放将引起切割面变形；假设切割面的变形轮廓是由残余应力弹性释放造成的并且切割过程不会产生额外的附加应力，如果施加外力将变形后的切割面恢复到切割前的平面状态，那么所得到的应力状态就等效于切割前该平面上的原始残余应力。因此可以利用切割面上的变形轮廓得到原始内部应力值。
5.然而，采用轮廓法测定残余应力，存在工程问题，比如切割不稳定造成的对称误差，影响测量的准确性。并且，对于高温合金盘件来说，还存在以下难点：(1)高温合金盘件沿径向切开的截面形状复杂，厚度往往存在突变；(2)高温合金的熔点较高，电火花切割速度对于切割表面的质量影响显著。
6.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的在于提供适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，以解决现有技术中存在的切割不稳定等导致的测试准确性差的技术问题。
8.本发明的另一目的在于提供一种高温合金盘件轮廓法残余应力测试的方法。
9.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
10.适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，包括如下步骤：
11.(a)确定轮廓法切割的位置；
12.(b)在盘件上装配补充块，使所述盘件的切割面在切割路径方向的厚度保持一致；
13.(c)在靠近所述盘件的切割面的两侧设置刚性加持；
14.(d)采用线切割技术按照确定的切割位置进行切割。
15.在本发明的具体实施方式中，所述补充块的化学成分与所述盘件的化学成分相同。
16.在本发明的具体实施方式中，所述补充块与所述盘件的装配方式包括：采用机械刚性连接或粘接连接。进一步的，所述补充块与所述盘件之间在切割面方向无相互作用力。
17.在本发明的具体实施方式中，当采用粘接连接的方式时，粘接的位置与切割路径无重叠。
18.在本发明的具体实施方式中，所述补充块装配于所述盘件的台阶位置。进一步的，所述台阶为所述盘件的轮缘上表面或下表面与所述盘件的轮毂外缘连接形成的。
19.在本发明的具体实施方式中，所述补充块包括第一补充块、第二补充块、第三补充块和第四补充块；所述第一补充块贴合设置于轮缘上表面与轮毂外缘连接形成的台阶处；所述第二补充块贴合设置于轮缘下表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并位于所述第一补充块的下方；所述第三补充块贴合设置于轮缘上表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并与所述第一补充块分别位于所述盘体沿径向方向相对的两侧；所述第四补充块贴合设置于轮缘下表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并位于所述第三补充块的下方。采用这样的设置方式，使盘件在切割路径上的厚度一致，在盘件的径向范围内全部与中心轮毂的高度相同。
20.在本发明的具体实施方式中，步骤(d)中，所述切割采用的切割丝的直径满足：
21.当盘件最大厚度＜15mm时，切割丝的直径为100～200μm；
22.当盘件最大厚度为15～50mm时，切割丝的直径为150～300μm；
23.当盘件最大厚度＞50mm时，切割丝的直径为200～500μm。
24.在本发明的具体实施方式中，步骤(d)中，所述切割的切割速度为0.1～5mm/min。
25.在本发明的具体实施方式中，还包括：在所述切割后，取出切割后的盘件；对切割面进行轮廓扫描、轮廓回归以及应力重构，计算得到盘件弦向残余应力的数值。
26.本发明还提供了一种高温合金盘件轮廓法残余应力测试的方法，包括上述任意一种所述适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
28.(1)本发明的切割方法，在盘件上装配与盘件相匹配的补充块，使得盘件在切割路径上的厚度始终保持一致，在切割过程中，切割截面厚度不会发生突变，保证了准确性；
29.(2)本发明的切割方法，根据盘件的厚度选择适宜的切割丝直径，并采用适宜的切割速度，保证适宜的切割时间和切割面的表面质量，进一步提高测量的准确性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例提供的盘件与补充块的装配结构示意图；
32.图2为本发明实施例提供的盘件与补充块的装配结构的侧视图；
33.图3为本发明实施例1的切割方法得到的切割面的变形轮廓图；
34.图4为本发明实施例2的切割方法得到的两侧的切割面的轮廓图；
35.图5为比较例1的切割方法得到的切割面的变形轮廓图；
36.图6为本发明实施例1的切割方法得到的切割面计算得到的弦向残余应力云图；
37.图7为本发明实施例1的切割方法得到的切割面计算得到的弦向残余应力数据图；
38.图8为比较例1的切割方法得到的切割面计算得到的弦向残余应力云图；
39.图9为比较例1的切割方法得到的切割面计算得到的弦向残余应力数据图。
40.具体实施方式
41.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，包括如下步骤：
45.(a)确定轮廓法切割的位置；
46.(b)在盘件上装配补充块，使所述盘件的切割面在切割路径方向的厚度保持一致；
47.(c)在靠近所述盘件的切割面的两侧设置刚性加持；
48.(d)采用线切割技术按照确定的切割位置进行切割。
49.在轮廓法测量残余应力中，现有的切割方法中，存在由于切割不稳定造成的对称误差，影响测量的准确性。具体是指，当切割截面厚度发生突变时，放电电流随之发生突变，在突变位置会产生轮廓畸形，出现“台阶”，即局部切割不规则现象，由此产生对称误差。
50.本发明的切割方法，在盘件上装配与盘件相匹配的补充块，使得盘件在切割路径上的厚度始终保持一致，在切割过程中，切割截面厚度不会发生突变，避免了切割厚度突变导致的放电电流随之发生突变，进而使突变位置产生轮廓畸形导致的对称误差。
51.步骤(a)中，对于盘件，切割的位置应沿着直径纵向将盘件切割成两半。然后在切割后测定弦向残余应力在纵截面的分布特征。
52.在本发明的具体实施方式中，所述补充块的化学成分与所述盘件的化学成分相
同。
53.在本发明的具体实施方式中，所述补充块与所述盘件的装配方式包括：采用机械刚性连接或粘接连接。进一步的，所述补充块与所述盘件之间在切割面方向无相互作用力。
54.在本发明的具体实施方式中，当采用粘接连接的方式时，粘接的位置与切割路径无重叠。避免影响切割面的表面质量。
55.在本发明的具体实施方式中，所述补充块装配于所述盘件的台阶位置。进一步的，所述台阶为所述盘件的轮缘上表面或下表面与所述盘件的轮毂外缘连接形成的。
56.在本发明的具体实施方式中，所述补充块包括第一补充块、第二补充块、第三补充块和第四补充块；所述第一补充块贴合设置于轮缘上表面与轮毂外缘连接形成的台阶处；所述第二补充块贴合设置于轮缘下表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并位于所述第一补充块的下方；所述第三补充块贴合设置于轮缘上表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并与所述第一补充块分别位于所述盘体沿径向方向相对的两侧；所述第四补充块贴合设置于轮缘下表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并位于所述第三补充块的下方。采用这样的设置方式，使盘件在切割路径上的厚度一致，在盘件的径向范围内全部与中心轮毂的高度相同。
57.在实际操作中，根据待测试的高温合金盘件的尺寸和形状，设计与其匹配的补充块，使装配后，按照盘件切割路径进行切割时，得到的待测截面(切割面)在切割方向上的厚度始终保持一致。
58.步骤(c)中，采用刚性加持的方式，防止盘件在切割过程中发生位移或转定。刚性固定和约束的位置位于并靠近切割面的两侧，并且刚性加持的约束不给盘件带来切割面法线方向的应力。在实际操作中，所述刚性加持可采用螺栓固定即可。
59.图1为本发明实施例提供的盘件与补充块的装配结构示意图；图2为本发明实施例提供的盘件与补充块的装配结构的侧视图。从图中可知，各个补充块按照如图所示方式与盘件装配，使所述盘件的切割面在切割路径方向的厚度保持一致。
60.在本发明的具体实施方式中，步骤(d)中，所述切割采用的切割丝的直径满足：
61.当盘件最大厚度＜15mm时，切割丝的直径为100～200μm；
62.当盘件最大厚度为15～50mm时，切割丝的直径为150～300μm；
63.当盘件最大厚度＞50mm时，切割丝的直径为200～500μm。
64.根据上述要求选择切割丝的直径尺寸，能够兼顾减少切割过程中切割宽度对测量结果的影响，同时避免切割时间的延长或切割直径过小导致的切割过程中切割丝断裂等问题。
65.如在不同实施方式中，当盘件最大厚度＜15mm时，切割丝的直径可以示例性的为100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm等；当盘件最大厚度为15～50mm时，切割丝的直径可以示例性的为150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm等；当盘件最大厚度＞50mm时，切割丝的直径可以示例性的为200μm、220μm、250μm、280μm、300μm、320μm、350μm、380μm、400μm、420μm、450μm、480μm、500μm等。
66.在本发明的具体实施方式中，所述切割的方式为单向切割方式。
67.在本发明的具体实施方式中，步骤(d)中，所述切割的切割速度为0.1～5mm/min，优选为0.5～2mm/min。
68.采用上述切割速度，以保证切割面的表面质量，切割表面粗糙度≤1.6μm。当切割速度＞5mm/min时，切割表面质量较差；而当切割速度＜0.1mm/min时，切割时间过长，存在断丝的风险。
69.如在不同实施方式中，步骤(d)中，所述切割的切割速度可以示例性的为0.1mm/min、0.5mm/min、1mm/min、1.5mm/min、2mm/min、2.5mm/min、3mm/min、3.5mm/min、4mm/min、4.5mm/min、5mm/min等。
70.在本发明的具体实施方式中，还包括：在所述切割后，取出切割后的盘件；对切割面进行轮廓扫描、轮廓回归以及应力重构，计算得到盘件弦向残余应力的数值。
71.将盘件取下后，切割面由于弦向残余应力的释放变成不平整的曲面，随后进行轮廓扫描、轮廓回归以及应力重构，从而计算得到盘件弦向残余应力的数值。
72.本发明还提供了一种高温合金盘件轮廓法残余应力测试的方法，包括上述任意一种所述适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法。
73.实施例1
74.本实施例提供了适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，包括如下步骤：
75.(1)确定轮廓法切割的位置：对于盘件，应沿着直径纵向将盘件切割成两半，测定弦向残余应力在纵截面的分布特征。
76.(2)根据待测试高温合金盘件的尺寸和形状，按照图1和图2所示结构，设计与盘件匹配的补充块，使盘件的切割面在切割路径方向的厚度保持一致；补充块的化学成分与待测试高温合金盘件的化学成分一致。
77.(3)然后采用机械刚性连接或者粘接方式将补充块与盘件按照图1和图2的方式进行装配，比如采用粘接方式将补充块固定于盘件，并且粘接位置与切割路径不重叠。
78.(4)在靠近盘件的切割面的两侧设置刚性加持，以防止盘件在切割过程中发生位移或转动；固定和约束的位置靠近切割面两侧，如图1所示。夹紧的约束不会给盘件带来切割面法线方向的应力。
79.(5)采用线切割技术按照确定的切割位置进行切割；盘件的最大厚度为150mm，切割丝直径为200μm，以慢速单向切割方式将盘件切割成两半，切割速度为1mm/min。
80.(6)在切割后，取出切割后的盘件；对切割面进行轮廓扫描、轮廓回归以及应力重构，计算得到盘件弦向残余应力的数值。
81.实施例2
82.本实施例提供了适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，参考实施例1，区别仅在于：不包括步骤(4)。
83.实施例3
84.本实施例提供了适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，参考实施例1，区别仅在于：步骤(5)中，切割速度为10mm/min。
85.比较例1
86.比较例1参考实施例1的切割方法，区别在于：不包括步骤(2)和(3)。
87.实验例1
88.图3为本发明实施例1的切割方法得到的切割面的变形轮廓图，图4为本发明实施
例2的切割方法得到的切割面的轮廓图。从图3中可知，采用实施例1的切割方法得到的切割面的变形轮廓图中，在a和b处均未出现波动(注：图中的波纹为清洗后留下的水渍)。从图4中可知，未采用刚性加持时，盘件左右两侧的变形轮廓不一致。线切割的右侧，切割面变形范围为
±
1mm；线切割的左侧，切割面变形范围为
±
0.5mm。
89.从本发明实施例3的切割方法得到的切割面沿径向的变形值曲线图中可知，当切割过快时，切割面表面质量差，存在周期性波动。
90.图5为比较例1的切割方法得到的切割面的变形轮廓图。从图中可知，采用比较例1的切割方法得到的切割面的变形轮廓图中，在a和b处均存在由于切割厚度不一致导致的波动。
91.实验例2
92.对实施例1和比较例1的切割方法得到的切割面进行轮廓扫描、轮廓回归以及应力重构，计算得到盘件弦向残余应力的数值。具体的，图6和图7分别为本发明实施例1的切割方法得到的切割面计算得到的弦向残余应力云图和弦向残余应力数据图；图8和图9分别为比较例1的切割方法得到的切割面计算得到的弦向残余应力云图和弦向残余应力数据图。对比可知，采用本发明的切割方法得到的切割面，对应的残余应力的计算结果，规律性更强，与实际结果更为接近，更能准确反映盘件的实际残余应力情况。
93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)确定轮廓法切割的位置；(b)在盘件上装配补充块，使所述盘件的切割面在切割路径方向的厚度保持一致；(c)在靠近所述盘件的切割面的两侧设置刚性加持；(d)采用线切割技术按照确定的切割位置进行切割。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补充块的化学成分与所述盘件的化学成分相同。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补充块与所述盘件的装配方式包括：采用机械刚性连接或粘接连接；优选的，所述补充块与所述盘件之间在切割面方向无相互作用力。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补充块装配于所述盘件的台阶位置；所述台阶为所述盘件的轮缘上表面或下表面与所述盘件的轮毂外缘连接形成的。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补充块包括第一补充块、第二补充块、第三补充块和第四补充块；所述第一补充块贴合设置于轮缘上表面与轮毂外缘连接形成的台阶处；所述第二补充块贴合设置于轮缘下表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并位于所述第一补充块的下方；所述第三补充块贴合设置于轮缘上表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并与所述第一补充块分别位于所述盘体沿径向方向相对的两侧；所述第四补充块贴合设置于轮缘下表面与轮毂外缘连接形成的台阶处，并位于所述第三补充块的下方。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)中，所述切割采用的切割丝的直径满足：当盘件最大厚度＜15mm时，切割丝的直径为100～200μm；当盘件最大厚度为15～50mm时，切割丝的直径为150～300μm；当盘件最大厚度＞50mm时，切割丝的直径为200～500μm。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)中，所述切割的切割速度为0.1～5mm/min；优选的，所述切割速度为0.5～2mm/min。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述切割面的表面粗糙度≤1.6μm。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在所述切割后，取出切割后的盘件；对切割面进行轮廓扫描、轮廓回归以及应力重构，计算得到盘件弦向残余应力的数值。10.高温合金盘件轮廓法残余应力测试的方法，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法。

技术总结
本发明涉及残余应力检测技术领域，尤其是涉及一种适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法及应用。适用于高温合金盘件轮廓法残余应力测试的切割方法，包括如下步骤：(a)确定轮廓法切割的位置；(b)在盘件上装配补充块，使所述盘件的切割面在切割路径方向的厚度保持一致；(c)在靠近所述盘件的切割面的两侧设置刚性加持；(d)采用线切割技术按照确定的切割位置进行切割。本发明的切割方法，在盘件上装配与盘件相匹配的补充块，使得盘件在切割路径上的厚度始终保持一致，在切割过程中，切割截面厚度不会发生突变，保证了准确性。保证了准确性。保证了准确性。


技术研发人员：秦海龙 毕中南 史松宜 谢明昭 迟海 路伟 谢锦丽 杜金辉 孟令胜 安腾 谷雨
受保护的技术使用者：钢铁研究总院有限公司
技术研发日：2022.12.23
技术公布日：2023/9/7