自德国物理学家伦琴1895年发现X射线以来,利用X射线与物质的相互作用,诞生了多种材料分析测试手段,例如X射线衍射分析、X射线荧光分析、X射线光电子能谱分析及X射线俄歇能谱分析等。这其中,X射线衍射方法是确定物质的晶体结构、定性和定量物相分析、点阵常数精确测定、应力测定、晶体取向测定的有效方法。

X射线经物质散射后,散射线会在空间呈有规律的方向性强弱分布,即衍射效应。衍射线的分布规律与入射X射线的组成和物质的晶体结构有关,通过照相法或多晶衍射仪记录衍射花样,从而可以对物质进行晶体结构、物相构成分析等。

衍射应满足布拉格(Bragg)方程

2dsinθ=nλ n=1, 2, 3, ……

图1为布拉格方程的示意图。d为晶面间距;λ为入射X射线波长;θ为入射线和反射线与晶面的夹角。

残余应力是指产生应力的各种因素不存在时,如外力去除、温度场已消失等,由于不均匀的塑性变形致使材料内部依然存在且自身保持平衡的弹性应力。在无宏观应力条件下,可以认为不同方位的同族晶面的晶面间距是相等的,而在宏观应力存在时,晶面间距会随应力大小发生有规律的变化。可以认为,晶面间距的相对变化反映了由残余应力所造成的晶面法线方向上的弹性应变。X射线衍射通过测量弹性应变求得应力值,目前虽有多种测量残余应力的方法,但X射线衍射应力测量方法最为典型。由于这种方法理论基础比较严谨,实验技术日渐完善,测量结果可靠,并且是一种无损测量方法,因而在国内外都得到普遍的应用。

在2012年之前,由于探测器的限制,残余应力测试主要是采用基于零维(点)探测器和一维(线)探测器的sin2ψ方法。2012年,随着首款基于全二维面探测器技术的便携式X射线残余应力分析仪在日本Pulstec Industrial Co., Ltd.研制成功,由此基于cosα方法的新型X射线残余应力分析仪开始投入工程应用。不同于传统的sin2ψ方法基于几个(一般为7~9个)衍射峰信息进行残余应力分析,cosα方法是基于全二维面探测器上得到的德拜环衍射信息进行残余应力分析的。cosα方法只需X射线单次入射即可获得德拜环进行残余应力拟合,因此设备不再需要X射线入射和衍射线的定位装置,设备可以简化从而做得更小,这对现场残余应力测量或对设备有便携性需求的领域是一个很大优势。

随着工业4.0时代的到来,对于工业自动化检测的需求越来越强烈,工业机器人是广泛应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,具有一定的自动性,可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。相比于传统的工业设备,工业机器人有众多的优势,比如机器人具有易用性、智能化水平高、生产效率及安全性高、易于管理且经济效益显著等特点,使得它们可以在各种环境下进行作业。使用圆形全二维面探测器的Pulstec μ-X360s残余应力分析仪,采用了最新的理论及方法,在残余应力测量的过程中不再需要多次转动探测器,X射线单次入射即可获得500个衍射点进行残余应力数据拟合,测试速度快(钢铁样品典型测试时间:<90s),诸多特点使得残余应力测量与工业机器人的联合使用成为现实。

使用工业机器人搭载Pulstec μ-X360s残余应力分析仪进行自动化残余应力测量的最新应用,在该模式下可以实现X射线残余应力分析仪的自主运动、自主检测、自动绘制应力分布云图以及三维振荡等功能,从而轻松改变常规的操作者手动测试的工作流程,大大提高残余应力检测的效率。

在此基础上,开发者增加了工业视觉系统,此系统可轻松的对复杂形状样品进行多点残余应力自动测量功能,机器人带动探头多自由度运动,置于待测点上,可自动进行测量,自动显示测量结果,自动绘制云图。软件内还可以设置残余应力阈值,自动判定样品的残余应力状态是否合格(OK/NG)。

相较于传统的X射线残余应力检测设备,此文中提到的便携式X射线残余应力分析仪Pulstec μ-X360s具有以下突出优势:

更快速:二维探测器一次性采集获取完整德拜环,单角度一次入射即可完成残余应力测量。

更精确:X射线单次曝光可获得500个衍射点进行残余应力数据拟合,结果更精确。

更轻松:无需测角仪,单角度一次入射即可,复杂形状和狭窄空间的测量不再困难。

更方便:无需任何液体冷却装置,支持便携电池供电。

更强大:支持扩展区域应力分布自动测量功能,具备晶粒尺寸均匀性、材料织构、残余奥氏体含量分析等功能。

Quantum Design中国于2015年将Pulstec公司小而轻的便携式X射线残余应力分析仪引进中国,目前已在国内销售安装多台,客户遍布高校、科研院所及各工业领域。

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Quantum Design中国是美国Quantum Design公司旗下中国子公司,在全权负责美国Quantum Design公司本部产品在中国的销售及售后技术支持的同时,还积极致力于和全球物理、化学、生物领域先进科学仪器制造商进行密切合作,帮助中国市场引进更多全球范围内的优秀设备和技术,助力中国科学家的项目研究和发展。

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