CN103323535B - 孔腔近表面残余应力超声检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种孔腔近表面残余应力超声检测装置，本装置使用阵列式超声传感器收发装置，可实现轴向应力周向方向上多点测试，此外，使用干耦合技术解决了孔腔表面残余应力耦合难题。为了减小有机玻璃声楔的磨损，设计收发装置提起机构，在应力检测装置移动过程中，将收发装置提起，避免了声楔材料与孔腔之间的摩擦，延长了声楔块的使用寿命。该检测装置与爬行机构配合使用，可实现装置的定心。在执行结构的带动下，该装置可测量深孔任意位置的轴向应力大小。该装置结构简单，可有效方便地实现孔腔近表面残余应力的检测。

Description

孔腔近表面残余应力超声检测装置

一、技术领域：

本发明涉及一种孔腔近表面残余应力超声检测装置，适用于应用超声纵波实现对孔腔表面残余应力的检测。

二、背景技术：

残余应力的检测受到越来越广泛的重视，但传统的应力检测设备很难实现对孔腔表面残余应力的检测。因空间及形状的限制，普通的超声检测传感器仅可实现对孔腔端部应力的检测。

国内外针对超声应力检测方法已经开展了很多研究，但主要是基于接触式测量，测试过程中，须在传感器与被测试件表面涂抹耦合剂。因耦合剂的自重及自身的流动性，导致耦合效果很差。此外，孔腔内部应力检测时，因空间尺寸的限制，无法直接涂抹耦合剂，接触式耦合不可靠，因此如何实现孔腔任意位置的残余应力检测并实现良好耦合十分关键。

应用超声应力检测方法，为激励出所需波形通常利用有机玻璃声楔实现波形转换，但有机玻璃易碎且不耐磨，若声楔块与被测试件摩擦测试过多，则很易磨损，测量精度降低。在检测轴向尺寸较大的孔腔类表面残余应力时，需要测量的应力区域较多，有效避免声楔材料与孔腔内部之间的滑动摩擦很有必要。

对于轴向尺寸较大的孔腔构件，测试周期长，应力检测装置轴向位置固定后，须实现周向方向上应力多点检测，这就需要在应力检测装置上布置尽可能多的传感器，则传感器的布置方式、联动方式及定心方式就成为难题。应力检测装置须装配在孔腔移动与支撑装置上，本发明选用肖定国在专利《孔腔内移动装置》(专利号为：200710142854.3)中介绍的爬行结构。

三、发明内容：

本发明的目的是提供一种适用于孔腔近表面残余应力评估的超声检测装置，可检测到表面以下2mm深的应力分布情况，同时实现孔腔周向位置上应力多点测量。该装置可解决孔径残余应力检测耦合难题，设计超声收发装置提起机构，避免在检测装置移动过程中楔块的磨损。

本发明的目的是这样实现的，使用定心装置进行定心，选用换能器阵列模式，在周向方向上等间距布置至少4对超声收发装置，每对收发装置可测量轴向方向上的应力值，阵列模式可实现应力多点测试。检测装置在移动过程中，通过传动机构带动拉杆、连接器及连杆动作，最终将超声收发装置提起，脱离与孔径表面的接触。在移动到检测位置后，上述机械机构反向动作，再次将传感器收发装置落下，避免了声楔的磨损。在楔块底部粘贴硅胶，硅胶层要求有良好的透声性，由硅胶层代替传统的液体耦合剂，利用干耦合技术实现残余应力检测，解决了耦合问题。在执行结构(未图示)的带动下，该装置可测量孔腔内部任意位置的应力的同时大大延长了超声收发装置的使用寿命。

四、附图说明：

图1应力检测装置轴线剖视图

图2连接器左视图

图3端盖左视图

图4固定板正视图

附图说明：有机玻璃声楔块1，顶部固定板2，超声换能器3，螺钉4，压力弹簧5，端盖6，导杆7，导向杆8，导向套9，连杆10，枢支轴11，拉杆12，预紧弹簧13，预紧螺母14，固定板15，连接器16，导向支座17，硅胶层18

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：

图1是本发明的孔腔内部应力超声检测装置沿其中心线的剖视图。如该图1所示，孔腔内部应力超声检测装置具有4套收发装置(图中只示出了2个)，收发装置呈90°夹角布置，由有机玻璃楔块1、顶部固定板2、超声换能器3、螺钉4和硅胶层18组合而成。该环形阵列结构可实现多点测试，易于获得轴向应力的周向分布。收发装置为一发一收模式，使用两个超声换能器，超声换能器3通过螺纹固定在有机玻璃楔块1中，顶部固定板2将两有机玻璃楔块固定在一起。应力测试过程中，楔块与孔腔内壁之间的压力较大，所以顶部固定板2设计的较厚以保证收发装置的刚性。有机玻璃楔块1底部粘结透声性好的硅胶18，通过硅胶实现干耦合，解决了孔腔应力测试耦合难题。楔块1底部须按照被测孔腔的曲率加工成曲面，因硅胶具有弹性，在孔腔曲率存在微小变化的情况下，可由硅胶部分适应孔腔尺寸的变化，不必针对不同管径加工不同的曲率楔块。为了减小信号的衰减，硅胶层18的厚度要设计得尽可能小。为了进一步保证两楔块间距不变，可在楔块端部加装端部固定板。整个收发装置通过四个螺钉4连接在导向支座17(导向支座共有4个，图中只示出了2个)上。

导向支座17在导向套9内部滑动，导向支座17a部分的外壁与导向套9内壁间隙不要过大，保证装置结构紧凑。导向支座17的基端通过枢支轴11与连杆10的一端铰接，连杆10的另外一端通过枢支轴与连接器16铰接，连杆10倾斜放置。连杆10外部套有压力弹簧5。弹簧5处于压缩状态，在测量孔腔应力时，压力弹簧可在收发装置与深孔壁之间提供压紧力。连接器16位于导向套9的中部，分别与4个连杆10通过枢支轴相连。为避免弹簧5在连接器16移动过程中发生侧翻，连接器16外表面加工为立方体形状。连接器16两端加工出螺纹孔，两端分别固连导杆7与拉杆12。导向套9为六通结构，其中内部4个孔腔用于放置导向支座17与弹簧5，另外两个孔腔分别用于放置导杆7与拉杆12。为了方便安装连接器16等内部结构，将导向套分为两部分加工，两部分为对称结构，并在导向套9的端部加工出4个通孔9a，通过4个螺栓将导向套固连。

拉动拉杆12就可通过连接器16与连杆10带动超声收发装置沿导向套9移动，且可保证4对超声收发装置动作的同时性。为了限制拉杆12的行程，在拉杆中部制作了轴肩12a。轴肩12a与导向套9接触时便限制了拉杆12的移动，轴肩12a中部加工一通孔，在通孔中固定一导向杆，导向杆在固定板15的槽中滑动，起到了导向及支撑的作用。拉杆上加工有螺纹12b，螺纹上有预紧螺母14，在预紧螺母14和端盖6之间套有预紧弹簧13，通过调整预紧螺母的位置，便可设定弹簧的预紧力。端盖6与孔腔内移动装置(图中未示出)相连。为了减小拉杆移动过程的摩擦阻力，拉杆12在端盖运动部分须加工成光杆。通过螺旋机构(未图示)可以自动带动拉杆12移动，进而实现收发装置的提起操作。导杆7与拉杆12尺寸要尽量小，以减小整个机构的重量。

本装置选用的支撑及运载装置采用肖定国设计的孔腔内移动装置，该装置结构简单，可以适应一定范围内的深孔直径的变化。移动装置有4个支撑爪，各支撑爪之间的联动是通过齿轮与齿条啮合的机构实现的，每个支撑爪相对与移动装置主体所发生的微小开闭动作均能带动其它支撑爪随之做出相同动作，可使移动装置具有自动定心功能，即可保证本发明所涉及的测量装置始终位于孔腔的轴心位置。通过传动机构(未图示)带动移动装置移动，可以测量孔腔表面任意位置处的残余应力值。

孔腔近表面残余应力超声检测装置通过端盖6与孔腔内移动装置连接。端盖加工有内螺纹6b，与移动装置中的外螺纹配合。端盖内部加工有通孔6a，通孔6a部分用于支撑导杆7与拉杆12。端盖一端外表面加工出立方体形状，并在其前后端面上各加工出2个螺纹孔，用于固定固定板15。本发明共包含4个固定板，爬行装置与端盖6通过螺纹配合后，固定板便将应力检测装置与爬行装置固连在一起。为了实现完全定心，须在孔腔应力超声检测装置两侧各固连一个爬行装置。本发明设计装置要求轻便，故端盖壁厚要尽量薄。

检测时，根据被测孔腔内径调整孔腔内移动装置的锁紧螺母，使支撑爪对应外接圆直径大于孔腔内径。将整个装置固连完成后，手动调节支撑爪，将整套装置送入孔腔内部。并将超声换能器连接到超声应力检测系统(未图示)。在传动机构的带动下整套装置便在孔腔内部运动，同时应力检测系统记录下对应点的应力值，最终描绘出孔腔内部残余应力分布图。

Claims (4)

1.孔腔近表面残余应力超声检测装置，其特征在于，它包括：环形阵列式超声收发装置，收发装置提起机构，

所述收发装置至少为4对，成等间距周向布置，声楔块与被测孔腔通过于耦合技术实现应力检测；

收发装置提起机构采用拉杆带动连杆动作，进而控制收发装置径向动作，由弹簧弹力实现楔块与被测孔腔之间的良好耦合。

2.根据权利要求1所述的孔腔近表面残余应力超声检测装置，所述超声收发装置中，曲面楔块底部粘结有硅胶层，可实现干耦合。

3.根据权利要求1所述的孔腔近表面残余应力超声检测装置，所述的环形阵列式超声收发装置中，周向至少布有4套收发装置，实现周向方向上应力多点测试，各套收发装置可在径向方向上移动。

4.根据权利要求1所述的孔腔近表面残余应力超声检测装置，所述的收发装置提起机构中，拉杆中布有预紧螺母，通过调节弹簧的压缩量可调节预紧力的大小。