CN103017953A - 金属材料近表面残余应力检测装置 - Google Patents

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徐春广
杨向臣
潘勤学
肖定国
徐浪
李骁
宋文涛
郭军
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Abstract

本发明涉及一种金属材料近表面残余应力检测装置。该装置激发临界折射纵波，根据声弹性理论来计算应力值。该发明通过减小楔块与被测试件的接触面积，可有效消除板面变形对测量结果的影响。通过温度补偿可消除温差带来的影响，使得系统可适应更加恶劣的现场环境测试。系统的集成化程度更高，外形小巧，便于携带。

Description

金属材料近表面残余应力检测装置
一、技术领域
本发明设计了一种钢金属材料近表面残余应力检测装置。运用超声纵波，可实现金属构件近表面残余应力的检测。
二、背景技术
在现有的残余应力测量技术中主要有小孔法和X射线衍射法。小孔法测量精度较高，但这是以损害材料的表面状态为前提的。该方法在测试前，须对表面进行打磨处理，这无疑会产生残余应力，且应变片粘贴繁琐，无法达到实时测试。X射线衍射法主要应用于无损测试中，该方法虽已面向市场，但其对人体有辐射，测试时间长，无法实现现场测试。
运用超声进行的应力检测虽已进行很多研究，但是由于结构设计不合理、干扰因素多、重复性差，无法满足现场测试。临界折射纵波沿试件表面传播，对表面粗糙度不敏感，无需对表面进行特殊处理，测量原理简单，能够测量表面深度一个波长左右的平均应力值。
三、发明内容：
本发明的目的是提供一种金属材料近表面残余应力检测装置。当超声纵波以第一临界角入射时，会在试件表面激发出临界折射纵波，临界折射纵波声速的变化量与应力的变化量满足声弹性公式。通过对声速变化量的精确测量即可反映出测试区域应力值的大小和方向。
本发明的目的是这样实现的：通过精确计算第一临界角，在金属材料表面激发出临界折射纵波。采用小接触面积的一发一收式传感器，在严格保证两换能器间距固定不变的同时，对采集到的数据进行互相关运算精确计算声时差。通过温度补偿可消除温度影响，满足野外复杂环境测试。由便携式工控机控制超声信号的激励、接收及信号处理，最终自动运算求得应力值。
本发明的优点在于，采用VC++编制软件，主要功能是控制超声信号的激励与接收、信号的处理、分析与存储，实现了人机界面操作的简单化和直观化，测试前无需对表面进行打磨处理，可实现现场快速无损地检测到应力值。
四、附图说明：
图1检测装置硬件组成示意图
图2金属材料近表面残余应力检测装置示意图
附图说明：端部固定板1、顶部固定板2、超声换能器3、螺纹固定板4、有机玻璃楔块5
五、具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：
金属材料近表面残余应力检测装置包括硬件及软件两个主要部分及辅助装置。如图1所示，本发明装置以计算机为平台，主要包括激励与接收探头、超声发射卡、数据采集卡、计算机系统、传输线等几个部分。温差较大时，会引起有机玻璃及固定板产生热胀冷缩变形。加装温度采集卡，由软件实时采集外界温度，将温度变化对系统机械部分造成的变形及声速的影响去除，使得系统可以适应复杂环境条件下的测试，应用范围更广。因应力引起的声时改变量在纳秒级，采用采集频率为1GHz的高频数据采集卡。并将超声发射卡与数据采集卡集成，系统集成化程度更高，可靠性更强，工控机的外形尺寸大幅缩小，更加便携。
图2为传感器收发装置示意图，实际测量时，因为板材会有微小变形，会引起变形区耦合情况较差，声时测量误差很大。在超声声束传播方向，有机玻璃楔块5底部加工出一圆形凸台，凸台面积要略大于声束在底面投影的面积，这可在不影响超声声束能量的前提下减少楔块与板材接触面积，减小板材变形引起的误差。
如图2所示，换能器3通过螺纹固定板4连接，螺纹固定板4通过M3螺纹固定在有机玻璃楔块5上，换能器3底端和有机玻璃楔块5之间通过耦合剂耦合。在楔块两侧各有两个端部固定板1，两个有机玻璃楔块通过顶部固定板2连接，整个装置依靠这三块固定板保持间距恒定不变。
由便携式工控机控制超声发射卡发射电脉冲，激励发射超声换能器发射超声纵波并在试件表面折射出临界折射纵波，接收换能器接收到的超声信号经数据采集卡接收，便携式工控机将对来自数据采集卡的离散信号及温度采集卡采集到的外界温度信号综合分析，得出可信度高的应力分析结果。
通过VC++编制板卡的运行程序、插值程序及互相关算法等，成功开发了针对金属材料近表面残余应力检测装置的软件部分，软件控制超声信号的激励与接收，信号的处理，分析与存储。从而可快速准确地判断残余应力值，操作快捷，运行可靠。

Claims (4)

1.金属材料亚表面残余应力检测装置，其特征在于：它包括超声波收发装置，超声发射卡，数据采集卡，温度采集卡。
2.根据权利要求1所述的超声波收发装置的激励与接收探头通过螺纹固定在楔块上，楔块与试件接触面积较小，降低试件表面变形对测试结果的影响。
3.根据权利要求1所述的超声收发卡与数据采集卡，二者集成在一起，减小了外形尺寸，提高了可靠性。采集卡频率高，达到1GHz。
4.温度采集卡实时采集外界温度，并将外界对应力测量结果造成的误差及时消除，可适应更加恶劣的现场测试环境。
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