CN104048785A - 一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测领域，涉及一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法。本发明利用超声波在材料中的传播速度会在一定程度上受材料中应力的影响这一现象，通过声速变化反应大型铝合金锻件中不同位置之间的残余应力水平差异。该方法具有检测速度快、测量深度大经济性好等优点。它利用超声波的“声弹性效应”测量大型铝合金锻件内部的残余应力，具有测量速度快、使用方便、测量范围灵活、经济性好等优点。该方法的单次测量时间约5分钟，比中子衍射测量残余应力方法单次测量时间短，检测速度快，其测量深度最大能达到400mm，高于中子衍射法的测量深度，远远高于X射线法或巴克豪森噪声法的测量深度。

Description

一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法。

背景技术

大型铝合金锻件为了达到力学性能要求，需要进行固溶及时效处理，在固溶过程中，由于锻件的尺寸太大造成其在快速冷却过程中各部位的冷速存在较大差异，从而产生不均匀的收缩变形，带来较大的残余应力。尽管通过冷压、预拉伸、时效等工艺可以在一定程度上消除残余应力，但这些工艺对残余应力的消除效果与最初的残余应力水平有关，不同的残余应力状态需要不同的消除工艺。但是，由于目前缺少一种能够无损测量固溶过程中残余应力的手段，使得现有的残余应力消除工艺缺少参考依据而出现残余应力消除不充分，进而造成大型铝合金锻件在后续加工中出现不规则变形，影响产品合格率。

传统的无损评价残余应力方法主要是X射线法和巴克豪森噪声法，但它们的穿透深度较浅，前者只能测量材料表面几十最多上百微米范围内的残余应力，后者的测量深度也不超过0.3mm。而造成加工过程中不规则变形的原因主要是锻件内部的残余应力，目前只有中子衍射法可以测量，但该方法需要庞大的设备投入，成本过高。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种超声波无损测量铝合金锻件内部残余应力水平的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该方法的步骤是：

(1)选择探头

1.1选择探头

使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小于一次底波幅度的20％，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直到满足这一条件为止；

1.2选配耦合剂

使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面；

(2)标定

2.1取样

在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200-300mm，宽10-30mm，厚5-20mm的拉伸试样，

2.2标定

2.2.1连接设备

脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，

2.2.2夹持试样并安放探头

将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向，

2.2.3标定测量参数

打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为t₀，未加载荷时，横波波速v₀＝2c÷t₀，其中，c为拉伸试样的厚度；

对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度的70％-80％，在加载过程中，轴向应力每增加10-100MPa，分别一次底波与二次底波的时间间隔t_i；利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Δb_i，则每一载荷下横波波速v_i＝2×(c-c×Δb_i÷b)÷t_i；以轴向应力为纵坐标，以(v_i-v₀)为横坐标，在直角坐标系上绘制出载荷与声速变化关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为横波声弹性系数K；

(3)测量

3.1选择待测位置

在铝合金锻件的最大表面上标出待测位置，待测位置必须包含该表面的中心点、距离任意一个侧边30-100mm以内的1-2个点、以及距离两个邻边均在30-100mm以内的1-2个点，总的测量点数不少于5个，

3.2测量各个位置的横波声速

测量上述各待测点与背面之间的距离s_j，仍采用2.2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，将探头耦合在待测位置上并旋转，探头每旋转10°-30°测量一下一次底波起始位置与二次底波起始位置之间的时间间隔t_j，直到探头旋转一周，计算所有时间间隔t_j的算数平均值t_j平均1，计算各时间间隔t_j与t_{j平 均1}之差Δt_j，若某一t_j所对应Δt_j大于Δt_j平均1的2倍，则删去这一时间间隔t_j，计算其余所有数据的算数平均值t_j平均，在这一测量位置的横波声速v_j＝2s_j÷t_j平均。重复上述步骤，获得所有待测点的横波声速；

(4)计算残余应力

将所有待测点处测得的横波速度v_j取算数平均值v_j平均，各点的残余应力σ_j＝K×(v_j-v_j平均)。

本发明的优点是：本发明利用超声波在材料中的传播速度会在一定程度上受材料中应力的影响这一现象，通过声速变化反应大型铝合金锻件中不同位置之间的残余应力水平差异。该方法具有检测速度快、测量深度大经济性好等优点。它利用超声波的“声弹性效应”测量大型铝合金锻件内部的残余应力，具有测量速度快、使用方便、测量范围灵活、经济性好等优点。

该方法的单次测量时间约5分钟，比中子衍射测量残余应力方法单次测量时间短，检测速度快，同时，该方法得益于超声波对铝合金材料的高穿透能力，其测量深度最大能达到400mm，高于中子衍射法的测量深度，远远高于X射线法或巴克豪森噪声法的测量深度，第三，该方法单次测量的成本仅为中子衍射法的几百分之一，具有明显的经济性，第四，该方法无放射性，而使用安全。

具体实施方式

(1)选择探头

1.1选择探头

使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小于一次底波幅度的20％，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直到满足这一条件为止；

1.2选配耦合剂

使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面；

(2)标定

2.1取样

在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200-300mm，宽10-30mm，厚5-20mm的拉伸试样，

2.2标定

2.2.1连接设备

脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，

2.2.2夹持试样并安放探头

将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向，

2.2.3标定测量参数

打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为t₀，未加载荷时，横波波速v₀＝2c÷t₀，其中，c为拉伸试样的厚度；

对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度的70％-80％，在加载过程中，轴向应力每增加10-100MPa，分别一次底波与二次底波的时间间隔t_i；利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Δb_i，则每一载荷下横波波速v_i＝2×(c-c×Δb_i÷b)÷t_i；以轴向应力为纵坐标，以(v_i-v₀)为横坐标，在直角坐标系上绘制出载荷与声速变化关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为横波声弹性系数K；

(3)测量

3.1选择待测位置

在铝合金锻件的最大表面上标出待测位置，待测位置必须包含该表面的中心点、距离任意一个侧边30-100mm以内的1-2个点、以及距离两个邻边均在30-100mm以内的1-2个点，总的测量点数不少于5个，

3.2测量各个位置的横波声速

测量上述各待测点与背面之间的距离s_j，仍采用2.2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，将探头耦合在待测位置上并旋转，探头每旋转10°-30°测量一下一次底波起始位置与二次底波起始位置之间的时间间隔t_j，直到探头旋转一周，计算所有时间间隔t_j的算数平均值t_j平均1，计算各时间间隔t_j与t_{j平 均1}之差Δt_j，若某一t_j所对应Δt_j大于Δt_j平均1的2倍，则删去这一时间间隔t_j，计算其余所有数据的算数平均值t_j平均，在这一测量位置的横波声速v_j＝2s_j÷t_j平均。重复上述步骤，获得所有待测点的横波声速；

(4)计算残余应力

将所有待测点处测得的横波速度v_j取算数平均值v_j平均，各点的残余应力σ_j＝K×(v_j-v_j平均)。

实施例1

牌号为7A85的大型铝合金锻件，长2000mm，宽1000mm，厚250mm。其检测步骤如下：

(1)选择探头

1.1选择探头

使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小于一次底波幅度的20％，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直到满足这一条件为止；

1.2选配耦合剂

使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面；

(2)标定

2.1取样

在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长300mm，宽30mm，厚20mm的拉伸试样，

2.2标定

2.2.1连接设备

脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，

2.2.2夹持试样并安放探头

将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向，

2.2.3标定测量参数

打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为t₀＝12.893微秒，未加载荷时，横波波速v₀＝2c÷t₀＝3102米/秒，其中，c为拉伸试样的厚度；

对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度的80％，在加载过程中，轴向应力每增加100MPa，分别一次底波与二次底波的时间间隔t_i；利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Δb_i，则每一载荷下横波波速v_i＝2×(c-c×Δb_i÷b)÷t_i；以轴向应力为纵坐标，以(v_i-v₀)为横坐标，在直角坐标系上绘制出载荷与声速变化关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为横波声弹性系数K＝10.8兆帕·秒/米；

(3)测量

3.1选择待测位置

在铝合金锻件的最大表面上标出待测位置，分别为表面中心点、距离中心点50mm、100mm、200mm、300mm、400mm且落在中心线上的20个点、距离两个长边35mm且落在中心线上的2个点、距离两个短边35mm且落在中心线上的2个点、以及距离两个邻边均为35mm以内的2个点；

3.2测量各个位置的横波声速

测量上述各待测点与背面之间的距离s_j，仍采用2.2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，将探头耦合在待测位置上并旋转，探头每旋转30°测量一下一次底波起始位置与二次底波起始位置之间的时间间隔t_j，直到探头旋转一周，计算所有时间间隔t_j的算数平均值t_j平均1，计算各时间间隔t_j与t_j平均1之差Δt_j，若某一t_j所对应Δt_j大于Δt_j平均1的2倍，则删去这一时间间隔t_j，计算其余所有数据的算数平均值t_j平均，在这一测量位置的横波声速v_j＝2s_j÷t_j平均。重复上述步骤，获得所有待测点的横波声速；

(4)计算残余应力

将所有待测点处测得的横波速度v_j取算数平均值v_j平均，各点的残余应力σ_j＝K×(v_j-v_j平均)。

实施例2

牌号为7A85的大型铝合金锻件，长500mm，宽400mm，厚300mm。其检测步骤如下：

(1)选择探头

1.1选择探头

使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小于一次底波幅度的20％，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直到满足这一条件为止；

1.2选配耦合剂

使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面；

(2)标定

2.1取样

在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200mm，宽10mm，厚5mm的拉伸试样，

2.2标定

2.2.1连接设备

脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，

2.2.2夹持试样并安放探头

将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向，

2.2.3标定测量参数

打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为t₀＝3.226微秒，未加载荷时，横波波速v₀＝2c÷t₀＝3099.8米/秒，其中，c为拉伸试样的厚度；

对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度的70％，在加载过程中，轴向应力每增加10MPa，分别一次底波与二次底波的时间间隔t_i；利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Δb_i，则每一载荷下横波波速v_i＝2×(c-c×Δb_i÷b)÷t_i；以轴向应力为纵坐标，以(v_i-v₀)为横坐标，在直角坐标系上绘制出载荷与声速变化关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为横波声弹性系数K＝12.1兆帕·秒/米；

(3)测量

3.1选择待测位置

在铝合金锻件的最大表面上标出待测位置，分别为表面中心点、距离中心点50mm、100mm、150mm且落在中心线上的12个点、距离两个长边35mm且落在中心线上的1个点、距离两个短边35mm且落在中心线上的1个点、以及距离两个邻边均为35mm以内的1个点；

3.2测量各个位置的横波声速

测量上述各待测点与背面之间的距离s_j，仍采用2.2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，将探头耦合在待测位置上并旋转，探头每旋转10°测量一下一次底波起始位置与二次底波起始位置之间的时间间隔t_j，直到探头旋转一周，计算所有时间间隔t_j的算数平均值t_j平均1，计算各时间间隔t_j与t_j平均1之差Δt_j，若某一t_j所对应Δt_j大于Δt_j平均1的2倍，则删去这一时间间隔t_j，计算其余所有数据的算数平均值t_j平均，在这一测量位置的横波声速v_j＝2s_j÷t_j平均。重复上述步骤，获得所有待测点的横波声速；

(4)计算残余应力

将所有待测点处测得的横波速度v_j取算数平均值v_j平均，各点的残余应力σ_j＝K×(v_j-v_j平均)。

Claims (1)

1.一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)选择探头

1.1选择探头

使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小于一次底波幅度的20％，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直到满足这一条件为止；

1.2选配耦合剂

使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面；

(2)标定

2.1取样

在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200-300mm，宽10-30mm，厚5-20mm的拉伸试样，

2.2标定

2.2.1连接设备

脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，

2.2.2夹持试样并安放探头

将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向，

2.2.3标定测量参数

打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为t₀，未加载荷时，横波波速v₀＝2c÷t₀，其中，c为拉伸试样的厚度；

对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度的70％-80％，在加载过程中，轴向应力每增加10-100MPa，分别一次底波与二次底波的时间间隔t_i；利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Δb_i，则每一载荷下横波波速v_i＝2×(c-c×Δb_i÷b)÷t_i；以轴向应力为纵坐标，以(v_i-v₀)为横坐标，在直角坐标系上绘制出载荷与声速变化关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为横波声弹性系数K；

(3)测量

3.1选择待测位置

在铝合金锻件的最大表面上标出待测位置，待测位置必须包含该表面的中心点、距离任意一个侧边30-100mm以内的1-2个点、以及距离两个邻边均在30-100mm以内的1-2个点，总的测量点数不少于5个，

3.2测量各个位置的横波声速

测量上述各待测点与背面之间的距离s_j，仍采用2.2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，将探头耦合在待测位置上并旋转，探头每旋转10°-30°测量一下一次底波起始位置与二次底波起始位置之间的时间间隔t_j，直到探头旋转一周，计算所有时间间隔t_j的算数平均值t_j平均1，计算各时间间隔t_j与t_{j平 均1}之差Δt_j，若某一t_j所对应Δt_j大于Δt_j平均1的2倍，则删去这一时间间隔t_j，计算其余所有数据的算数平均值t_j平均，在这一测量位置的横波声速v_j＝2s_j÷t_j平均。重复上述步骤，获得所有待测点的横波声速；

(4)计算残余应力

将所有待测点处测得的横波速度v_j取算数平均值v_j平均，各点的残余应力σ_j＝K×(v_j-v_j平均)。