CN103616102A - 一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置，主要针对传统超声残余应力检测中，被检测件为金属薄板、超薄板时，产生的测量误差较大、精度差的问题，提出了一种采用双折射办法激励临界折射纵波信号从而进行针对金属薄板、超薄板表面残余应力分布情况的定量检测装置。该装置不仅能够缩短超声换能器的间距尺寸，同时减小了由于测量区间过长在测量深度方向上产生的尺寸效应，提高了超声法应力测量针对金属薄板、超薄板残余应力测量的测量精度，减小了测量误差，可广泛应用于超声波无损检测领域。

Description

一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置

一、技术领域

本发明涉及一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置。该装置体积小巧、制作工艺简单、方便使用，可实现金属表面应力及残余应力的在线检测及抽检等任务，解决了传统残余应力检测装置无法对薄金属板、超薄金属板的表面残余应力进行检测的问题，测量结果更加准确可靠，可广泛应用于金属薄板表面应力及残余应力的检测场合中。

二、背景技术

残余应力是金属零件在加工过程中或者加工后的表面处理过程中，由于受到不均匀的应力场、温度场和组织变化等保留在零件内部的应力。这种力对机械零部件的可靠性与稳定性有很大的影响，特别是对零部件的尺寸稳定性、抗腐蚀能力以及疲劳寿命影响很大。残余应力还会导致应力集中进而形成零件早期裂纹，影响机械结构的使用寿命及使用安全。

残余应力检测方法目前主要有物理法与无损检测法两大类。其中，物理法主要是小孔法等一系列对零件表面进行破坏的检测方法，该种方法只适合抽检，无法对所有机械零部件的表面残余应力进行检测；无损检测法主要分为X射线衍射法、磁粉法、中子衍射法等，由于这些方法会对人身体造成一定量的伤害并且操作复杂。因此，超声残余应力检测方法作为无损检测法的一种，检测效率高，结果准确可靠，操作简单并对人体不会造成伤害，较之传统残余应力检测办法优势明显。

由于国防、民用装备轻量化的要求，大量的零件设备需要采用体积更小，强度更高的薄板类零部件进行加工和制造。传统的X射线应力检测法由于测量时间过长，对被测表面质量要求高，无法满足大规模、集成化的成型产品无损检测任务。且受限于X射线激励装置的体积和安全性限制，也无法在工业现场得到广泛的应用。相比而言，金属薄板的超声残余应力检测既可以实现规模化，例如配合多通道数据采集卡协同工作，可以实现多路测量，极大地提高了金属薄板零部件的残余应力测量效率；另一方面，超声法安全无害，便携耐用，非常适合环境复杂、高压、高频，温度变化剧烈的工业现场以及野外环境作业。

传统的金属表面残余应力超声检测方法主要利用临界折射纵波在金属构件表面传播时间的变化量来间接计算应力值大小。由于受到传感器尺寸及形状限制，无法对薄板、超薄板表面残余应力状态进行检测。目前，我国常见的超声残余应力检测装置，例如：焊接结构残余应力超声波无损测量装置及方法（200810064963.2）等，并没有给出是否可对薄板甚至超薄板的表面残余应力检测，并且现有方法主要利用一次折射产生的临界折射纵波来对金属表面残余应力进行检测，这种方法会造成检测元件形状过大，尺寸效应明显，测量误差大并容易受环境温度影响等问题。鉴于以上现实需求和目前存在的基本问题，本人提出一种基于泄露纵波方法的金属表面残余应力检测装置。

经过查询专利检索与服务系统，并没有发现类似的公开的论文和发明专利或专有技术。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置，主要针对传统平板残余应力检测装置无法对薄板、超薄板表面残余应力检测问问题，通过二次折射产生表面泄露纵波的办法对薄板、超薄板的表面残余应力进行检测。与此同时，本发明减小了检测装置的尺寸，使得在测量方向上由于有机玻璃楔块尺寸过大造成的临界折射纵波与底面回波混叠的问题得以解决，保证在对特殊板材检测时表面残余应力的测量精度，具有广泛的适用性。

本发明的技术方案是：

一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置，在有机玻璃底部切出底角为θ°的等腰三角形贯通槽，有机玻璃顶面对称开设两密封腔，内装超声纵波换能器并填充满耦合剂。使用时，将有机玻璃楔块放置于被测金属表面，将三角形贯通槽内部填充满耦合剂，通过超声纵波换能器产生纵波信号并在其传播过程中在有机玻璃与耦合剂层中产生二次折射，在被测金属表面产生临界折射纵波，从而实现超声应力检测。

四、附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的3D结构示意图

附图标记说明如下：

图1：被测母材1、有机玻璃2、密封腔3、超声纵波换能器4、耦合剂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：

图1中，在有机玻璃2底部切出底角为θ°的等腰三角形贯通槽，将超声纵波换能器4拧入有机玻璃2顶部对称开设的密封腔3中并填充满耦合剂5，将组装好的测量装置放置于被测母材1上，在等腰三角形贯通槽中填充满耦合剂5，通过软件分时激励超声纵波换能器4从而激励出纵波信号，该信号先后通过有机玻璃2与耦合剂5，经过两次折射并在被测母材1上产生临界折射纵波信号，从而进行应力测量。该种方法有效缩短了换能器之间的距离，可以提高测量精度，减小测量误差同时主要能够针对薄板、超薄板的表面应力值大小进行测量，具有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置，其有机玻璃部分特征在于：有机玻璃顶面开设有密封腔，可以旋入超声换能器并且能在换能器周围均匀填充耦合剂；其底面对称开设有底角为θ°的等腰三角形贯通槽，槽内填充满耦合剂。此有机玻璃外观形状不仅限于长方体，任何例如圆柱形、方形的有机玻璃外观形状均在本权利要求保护范围之内。

2.根据权利要求1所述的有机玻璃底面开设有底角为θ°的等腰三角形贯通槽，其角度遵照Snell定律进行确定，激励的超声纵波先后穿过有机玻璃与耦合剂层两层介质进行波形转换，最终在被测母材表面激励出临界折射纵波。其结构形式不仅限于等腰三角形形式，例如满足Snell定律设计的圆锥结构、圆形凸台类结构也在本权利要求保护范围之内。

3.根据权利要求1所述的有机玻璃顶面开设的密封腔，其目的是固定超声纵波换能器的物理位置，其固定方法不仅限于螺纹锁紧，任何粘接、过盈配合的类似孔轴锁紧结构也在本权利保护范围之内。

4.根据权利要求1中所述的贯通槽内填充耦合剂，其不仅限于液态的耦合剂，任何能够充分透声的材料，例如透声橡胶或其他耦合材料也在本权利要求保护范围之内。

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