Perforación del agujero ESPI

La muestra se ilumina con luz láser coherente. Debido a la rugosidad de la superficie óptica, que existe en muchas superficies de las muestras de forma natural, la imagen que recibe la cámara no es nítida, sino que muestra un patrón de moteado. La dispersión de la luz difusa permite que cada píxel de la cámara reciba luz de múltiples lugares, que interfiere de forma constructiva o destructiva, creando puntos brillantes y oscuros en la imagen. Este patrón de moteado es característico de la topografía de la superficie y cambia con los desplazamientos de la misma.

La imagen de la cámara se crea por la interferencia del haz del objeto con el haz de referencia. Este último se desplaza en incrementos de ¼ de longitud de onda y se toma una imagen para cada desplazamiento, de modo que el estado de la superficie se caracteriza por cuatro imágenes, antes y después de cada incremento de perforación. Las cuatro imágenes permiten calcular un ángulo de fase para cada píxel, que luego se traduce en un desplazamiento de la superficie.

El procedimiento típico comienza con la determinación de la posición de la superficie de la pieza en relación con la punta de la herramienta de perforación. En el método estándar, el usuario mueve la broca hacia la pieza mediante comandos de software y evalúa las imágenes de la cámara en directo. Alternativamente, se puede determinar el cero para los materiales conductores de la electricidad con un accesorio opcional. A continuación, el usuario selecciona las profundidades de perforación deseadas y otros parámetros de perforación e inicia la adquisición de datos.

La interfaz de usuario del software hace que sea fácil de usar, al tiempo que proporciona una variedad de opciones para ajustar la configuración de medición y cálculo. El usuario puede activar cada incremento de perforación por separado y tomar imágenes láser y de luz blanca manualmente. Pero la medición también puede realizarse de forma totalmente automática para toda la lista de profundidades o mediante cualquier combinación de los dos métodos, ya que la medición puede interrumpirse en cualquier momento. Cada incremento de perforación puede subdividirse en múltiples pasos para controlar el tiempo de contacto entre la herramienta y la pieza. El análisis de los datos se realiza tras la finalización de una medición. Se puede añadir una medición siempre que la pieza no se haya movido.

La base para el cálculo de las tensiones es un conjunto de coeficientes para un agujero cilíndrico en un cuerpo semi-infinito y un estado de tensiones plano. Los perfiles de profundidad de las tensiones se calculan mediante el método integral. La regularización de Tíjonov (una forma de suavizado) es opcional. El cálculo de las tensiones es equivalente al descrito en la norma ASTM E837 para la perforación del agujero con bandas extensométricas, pero correlaciona los desplazamientos directamente con las tensiones. Las deformaciones no se evalúan. El software permite al usuario establecer el área de análisis en forma de anillo y aplicar una corrección de píxeles opcional que sustituye los valores de los píxeles de mala calidad mediante interpolación. El cálculo de tensiones evalúa los cambios que se producen en cada paso de perforación individual, en lugar de los cambios relativos a la condición inicial. Esto significa que los errores no se acumulan y que la medición es menos sensible a las perturbaciones.

El software está diseñado para calcular los perfiles de profundidad de la tensión para múltiples escenarios, como diferentes áreas de análisis, selecciones de incrementos de profundidad y conjuntos de imágenes, y factores de regularización. Proporciona gráficos automáticos para comparar los resultados. También se pueden comparar fácilmente múltiples mediciones. Se generan gráficos para las tensiones en el sistema de coordenadas de la muestra -direcciones horizontal y vertical, y tensión de corte- y para las direcciones de la tensión principal. Los datos de todos y cada uno de los cálculos y mediciones pueden copiarse con un solo comando para su uso en hojas de cálculo.

Literatura sobre el PRISM y el cálculo de tensiones con PRISM (inglés)

• Steinzig and E. Ponslet, “Residual Stress Measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry, Parts I-IV”, Experimental Techniques, Vol.27, Issues 3,4,5,&6, 2003
• S. Schajer and M. Steinzig, “Full-Field Calculation of Hole-Drilling Residual Stresses from ESPI Data”, Experimental Mechanics, Vol.45, No.6, pp.526-532, 2005

• G.S. Schajer and M.B. Prime, “Use of Inverse Solutions for Residual Stress Measurements”, J. Eng. Mater. Technol., 125(3), pp.375-382, 2006
• Y.An and G. S. Schajer, “Pixel Quality Evaluation and Correction Procedures in ESPI”, Experimental Techniques, Vol.105, pp.106-112, 2010

• G.S. Schajer and T.J. Rickert, “Incremental Computation Technique for Residual Stress Calculations Using the Integral Method”, Experimental Mechanics, Vol.51, No.7, pp.1217-1222, 2011
• T.J. Rickert, “Stress Measurement Repeatability in ESPI Hole Drilling”, in “Residual Stress, Thermomechanics & Infrared Imaging, Hybrid Techniques and Inverse Problems”, Vol 9: Proceedings of the 2015 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics, Proceedings of the 2015 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics, pp 363-369
• T.J. Rickert, and W.L. Gubbels, “ESPI Hole Drilling of Rings and Holes Using Cylindrical Hole Analysis”, to be published in the Proceedings of the 2016 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics

• ASTM E837 – 08e2 Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method
• Good Practice Guide No. 53 – The Measurement of Residual Stresses by the Incremental Hole-Drilling Technique, P V Grant, J D Lord and P S Whitehead, The National Physical Laboratory, UK