CN104913876B - 基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置及方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置及方法，其可避免使用去应力退火热处理方法制作零应力试块导致组织变化产生的测量误差，提高超声波法对铝合金结构残余应力测量结果的精度和可靠性。装置包括第一、二试块、单向应变片、静态应变仪、超声波换能器、超声波应力测试设备，制作两块材料、大小、尺寸一致的试块，对第一试块进行切条破坏，利用粘贴单向应变片和静态应变仪测量其初始应力值，第二试块可认为其内应力的大小和切条法所测释放应力相等，即可认为是零应力试块，先调出该材料在零应力块基础数据库中的参数，用第二试块进行零应力标定，再对测试对象进行测试，测试结果所得到的应力值去除初始应力值即可。
Description
技术领域
本发明属于超声波检测及铝合金材料应力检测的交叉领域，具体涉及一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置及方法。
背景技术
针对低碳钢结构材料，可以制作去应力退火处理后的零应力标准试样，然而对于高速列车车体铝合金，其热处理状态及加工状态对材料的机械物理性能直接相关，去应力退火处理虽然能消除、降低、均匀化应力分布，但同时铝合金材料微观组织和物理性能也将发生变化，而用于超声波测量应力的临界折射纵波对组织具有很高的敏感性，因而材料微观组织和物理性能的变化对实际的测量会产生较大的误差。为了提高超声残余应力测量的精度和可靠性，设计一种不同于去应力退火制作低碳钢零应力试块的制作方法。避免了使用去应力退火热处理方法制作零应力试块导致组织变化产生的测量误差，提高超声波法对铝合金结构残余应力测量结果的精度和可靠性。
发明内容
针对铝合金材料组织对热处理敏感的特征，提供一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置及方法，其可避免使用去应力退火热处理方法制作零应力试块导致组织变化产生的测量误差，提高超声波法对铝合金结构残余应力测量结果的精度和可靠性。
本发明不同于去应力退火制作低碳钢零应力试块的制作方法，而是利用线切割制作两块材料、大小、尺寸一致的对应参考试块，结合机械应力释放方法中的切条法，对其中一块非零应力状态的试样进行切条破坏，利用粘贴单向应变片和静态应变仪测量其释放应变，根据切条法测量出的应变值按照胡克定律计算出应力，另一块试块由于与被破坏试块材料、大小、尺寸一致，可认为其内应力的大小和切条法所测释放应力相等，该试块即可认为是零应力试块，并添加入零应力块基础数据库中。实际测试应力时先调出该材料在零应力块基础数据库中的参数，用该材料零应 力试块进行零应力标定，然后再对测试对象进行测试，测试结果应加上(切条法所测应力结果为负值)或减去(切条法所测应力结果为正值)切条法所得到的应力值。
本发明的技术方案为：
一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，对于一种铝合金材料，先制作两块材料、大小、尺寸一致的试块，对其中第一试块测量其释放应变，计算出初始应力值，另第二试块由于与第一试块即被破坏试块的材料、大小、尺寸一致，可认为其所测释放应力相等，将第二试块认为是零应力试块，第一试块测得的初始应力值即为零应力块初始应力值，对第二试块进行超声波应力测试，用第二试块进行零应力标定，然后对该铝合金材料作为测试对象进行测试，其测试结果将上述第一试块得到的初始应力值作为误差值去掉。
进一步地，采用切条法对第一试块测量其释放应变，在切条破坏后的第一试块上粘贴单向应变片，单向应变片连接应变仪。
进一步地，利用线切割制作第一、第二试块；切条法中用线切割将第一试块进行分割成多块，在多块中的每个分割块上粘贴单向应变片。
进一步地，包括如下步骤：
第一步，针对不同种类、热处理状态、初始塑性变形累积程度的一种铝合金材料，通过拉伸试验得到声弹性常数K；
第二步，利用线切割制作两块材料、大小、尺寸一致的对应参考试块；
第三步，结合机械应力释放方法中的切条法，对其中第一试块非零应力状态的试样进行切条破坏，利用粘贴单向应变片和应变仪测量其释放应变，根据切条法测量出的应变值按照胡克定律计算出初始应力值，另第二试块由于与第一试块即被破坏试块的材料、大小、尺寸一致，可认为其内应力的大小和切条法所测释放应力相等，该第二试块即可认为是零应力试块，第一试块测得的初始应力值即为零应力块的初始应力值；
第四步，将该铝合金材料牌号、热处理状态、加工状态、尺寸大小、声弹性常数K、初始应力值、表面粗糙度导入超声波测试系统数据库中；由该数据库提供匹配的零应力试块参数，用第二试块进行零应力标定；
第五步，然后再对该铝合金材料作为测试对象进行测试，测试结果加上(切条法所测应力结果为负值)或减去(切条法所测应力结果为正值)切条法所得到的初始应力值。
进一步地，对第一试块进行4次切割，分成8小块，每块表面布置有上、下各一个单向应变片。
一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置，其特征在于，包括第一试块1、第二试块4、单向应变片2、静态应变仪3、超声波换能器5、超声波应力测试设备6，具体地：
第一试块、第二试块由一种铝合金材料切割成两块而成，第一试块、第二试块的材料、大小、尺寸完全相同；
第一试块表面粘贴有单向应变片，单向应变片连接静态应变仪，静态应变仪连接应变值计算装置，应变值计算装置根据应变值计算出初始应力值并输出结果；应变值计算装置通过人机交互连接或者物理连接超声波应力测试设备；
第二试块连接超声波换能器，超声波换能器连接超声波应力测试设备；
超声波应力测试设备包括零应力标定模块、初始应力值去除模块，零应力标定模块对第二试块进行零应力标定；初始应力值去除模块将超声波应力的测试结果减去上述的初始应力值。
进一步地，所述的超声波应力测试设备包括人机交互装置、超声波测试系统数据库，超声波测试系统数据库通过人机交互装置获得并储存有铝合金材料牌号、热处理状态、加工状态、尺寸大小、声弹性常数K、初始应力值、表面粗糙度的数据信息。
进一步地，所述的超声波换能器还连接有楔块；装置还包括温度补偿传感器7，温度补偿传感器连接超声波应力测试设备。
进一步地，所述的第一试块的截面尺寸小于等于70mm×20mm，厚度大于等于2mm。
进一步地，还包括同一种铝合金材料的铝合金试板，其上设有多个测点，测点连接超声波换能器；还包括切条机，用于线切割试块。
本发明能针对不同种类铝合金以及具体的初始状态对超声波测量零应力试块进行准确制作，可以避免热处理使铝合金零应力标定块组织发生变化而对超声波测量残余应力带来的误差，使用工具简单，精确度高，方便建立数据库，有效指导高速列车车体超声应力测量。
附图说明
图1为本发明的第一试块进行释放应变测量的一个实施例的示意图；
图2为本发明的第二试块进行超声波标定的一个实施例的示意图；
图3为本发明的第一试块的切割线及应变测试操作的一个实施例的俯视示意图；
图4为本发明的第二试块的进行超声波标定的一个实施例的俯视示意图；
图5为本发明在第二试块进行完零应力试块标定后对一个实施例的铝合金板进行超声波测试的俯视示意图；
图6为本发明的超声波应力测试设备的一个实施例的结构示意图；
图7为本发明的标定块制作方法应用到具体测试中的一个实施例的步骤图。
具体实施方式
现结合附图及具体实施例对本发明作进一步地说明：
如图1到图7所示，其中图1，1.第一试块：切条法用标定试块，截面尺寸为70mm×B20mm×H(L＝70mm，B＝20mm，试块厚度H≥2mm)，2.单向应变片，3.静态应变仪，4.第二试块：超声波标定试块(材料、状态、尺寸同1)，5.超声波换能器+楔块，6.超声波应力测试设备，带有零应力块基础数据库，7.温度补偿传感器。
图3中，1～8和1'～8'为单向应变片，L1～L4为线切割线，切割顺序为L1→L2→L3→L4，尺寸为50mm×15mm(a＝50mm，b＝15mm)的区域为超声波测试区域。
图4中，T为超声波的发射探头，R为超声波的接收探头，t为温度补偿，蓝色线内的区域是超声波标定的区域。
图5中，尺寸为300mm×200mm×8mm的A7N01P-T4铝合金试板(m＝300mm，n＝200mm，q＝30mm)，选取铝合金板中心线为应力测试线，间隔30mm为一个测点，共1～9号9个测点，测试方向为平行于试板长度方向。
基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置包括第一试块1、第二试块4、单向应变片2、静态应变仪3、超声波换能器5、超声波应力测试设备6，具体地：
第一试块、第二试块由一种铝合金材料切割成两块而成，第一试块、第二试块的材料、大小、尺寸完全相同；
第一试块表面粘贴有单向应变片，单向应变片连接静态应变仪，静态应变仪连接应变值计算装置，应变值计算装置根据应变值计算出初始应力值并输出结果；应 变值计算装置通过人机交互连接或者物理连接超声波应力测试设备；
第二试块连接超声波换能器，超声波换能器连接超声波应力测试设备；
超声波应力测试设备包括零应力标定模块、初始应力值去除模块，零应力标定模块对第二试块进行零应力标定；初始应力值去除模块将超声波应力的测试结果减去上述的初始应力值。
超声波应力测试设备包括人机交互装置、超声波测试系统数据库，超声波测试系统数据库通过人机交互装置获得并储存有铝合金材料牌号、热处理状态、加工状态、尺寸大小、声弹性常数K、初始应力值、表面粗糙度的数据信息。超声波换能器还连接有楔块；装置还包括温度补偿传感器7，温度补偿传感器连接超声波应力测试设备。
利用此装置可以进一步应用扩展：对于同一种铝合金材料的铝合金试板，其上设有多个测点，测点连接超声波换能器。可包括切条机，用于线切割试块。
为保证两个试块的同步精度，优选地，两个试块的截面尺寸小于等于70mm×20mm，厚度大于等于2mm。
一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法：对于一种铝合金材料，先制作两块材料、大小、尺寸一致的试块，对其中第一试块测量其释放应变，计算出初始应力值，另第二试块由于与第一试块即被破坏试块的材料、大小、尺寸一致，可认为其所测释放应力相等，将第二试块认为是零应力试块，第一试块测得的初始应力值即为零应力块初始应力值，对第二试块进行超声波应力测试，用第二试块进行零应力标定，然后对该铝合金材料作为测试对象进行测试，其测试结果将上述第一试块得到的初始应力值作为误差值去掉。
采用切条法对第一试块测量其释放应变，在切条破坏后的第一试块上粘贴单向应变片，单向应变片连接应变仪。
利用线切割制作第一、第二试块；切条法中用线切割将第一试块进行分割成多块，在多块中的每个分割块上粘贴单向应变片。
具体可包括如下步骤：
第一步，针对不同种类、热处理状态、初始塑性变形累积程度的一种铝合金材料，通过拉伸试验得到声弹性常数K；
第二步，利用线切割制作两块材料、大小、尺寸一致的对应参考试块；
第三步，结合机械应力释放方法中的切条法，对其中第一试块非零应力状态 的试样进行切条破坏，利用粘贴单向应变片和应变仪测量其释放应变，根据切条法测量出的应变值按照胡克定律计算出初始应力值，另第二试块由于与第一试块即被破坏试块的材料、大小、尺寸一致，可认为其内应力的大小和切条法所测释放应力相等，该第二试块即可认为是零应力试块，第一试块测得的初始应力值即为零应力块的初始应力值；
第四步，将该铝合金材料牌号、热处理状态、加工状态、尺寸大小、声弹性常数K、初始应力值、表面粗糙度导入超声波测试系统数据库中；由该数据库提供匹配的零应力试块参数，用第二试块进行零应力标定；
第五步，然后再对该铝合金材料作为测试对象进行测试，测试结果加上(切条法所测应力结果为负值)或减去(切条法所测应力结果为正值)切条法所得到的初始应力值。
在一个具体实施例中，对第一试块进行4次切割，分成8小块，每块表面布置有上、下各一个单向应变片。
本发明针对不同种类、热处理状态、初始塑性变形累积程度铝合金材料，首先通过拉伸试验得到声弹性常数K。利用线切割制作两块材料、大小、尺寸一致的对应参考试块，结合机械应力释放方法中的切条法，对其中一块非零应力状态的试样进行切条破坏，利用粘贴单向应变片和应变仪测量其释放应变，根据切条法测量出的应变值按照胡克定律计算出应力，另一块试块由于与被破坏试块材料、大小、尺寸一致，可认为其内应力的大小和切条法所测释放应力相等，该试块即可认为是零应力试块。将铝合金材料牌号、热处理状态、加工状态、尺寸大小、声弹性常数K、零应力块初始应力值(测得的释放应力值)、表面粗糙度导入超声波测试系统数据库中。在对高速列车车体铝合金具体结构部位进行超声波应力测量时，由该数据库提供匹配的零应力试块参数，用该铝合金材料零应力试块进行零应力标定，然后再对测试对象进行测试，测试结果应加上(切条法所测应力结果为负值)或减去(切条法所测应力结果为正值)切条法所得到的应力值。从而避免了使用去应力退火热处理方法制作零应力试块导致组织变化产生的测量误差，提高超声波法对铝合金结构残余应力测量结果的精度和可靠性。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本案的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本案进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本案的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不 脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本案请求保护的技术方案范围当中。
Claims (12)
1.一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，对于一种铝合金材料，先制作两块材料、大小、尺寸一致的试块，对其中第一试块采用机械测定法测量其释放应变，计算出初始应力值，另第二试块由于与第一试块即被破坏试块的材料、大小、尺寸一致，可认为其所测释放应力相等，将第二试块认为是零应力试块，第一试块测得的初始应力值即为零应力块初始应力值，对第二试块进行超声波应力测试，用第二试块进行零应力标定，然后对该铝合金材料作为测试对象进行测试，其测试结果将上述第一试块得到的初始应力值作为误差值去掉。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，采用切条法对第一试块测量其释放应变，在切条破坏后的第一试块上粘贴单向应变片，单向应变片连接应变仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，利用线切割制作第一、第二试块；切条法中用线切割将第一试块进行分割成多块，在多块中的每个分割块上粘贴单向应变片。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，利用线切割制作第一、第二试块；切条法中用线切割将第一试块进行分割成多块，在多块中的每个分割块上粘贴单向应变片。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，针对不同种类、热处理状态、初始塑性变形累积程度的一种铝合金材料，通过拉伸试验得到声弹性常数K；
第二步，利用线切割制作两块材料、大小、尺寸一致的对应参考试块；
第三步，结合机械应力释放方法中的切条法，对其中第一试块非零应力状态的试样进行切条破坏，利用粘贴单向应变片和应变仪测量其释放应变，根据切条法测量出的应变值按照胡克定律计算出初始应力值，另第二试块由于与第一试块即被破坏试块的材料、大小、尺寸一致，可认为其内应力的大小和切条法所测释放应力相等，该第二试块即可认为是零应力试块，第一试块测得的初始应力值即为零应力块的初始应力值；
第四步，将该铝合金材料牌号、热处理状态、加工状态、尺寸大小、声弹性常数K、初始应力值、表面粗糙度导入超声波测试系统数据库中；由该数据库提供匹配的零应力试块参数，用第二试块进行零应力标定；
第五步，然后再对该铝合金材料作为测试对象进行测试，测试结果加上或减去切条法所得到的初始应力值。
6.根据权利要求1至4任一所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，对第一试块进行4次切割，分成8小块，每块表面布置有上、下各一个单向应变片。
7.根据权利要求5所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作方法，其特征在于，对第一试块进行4次切割，分成8小块，每块表面布置有上、下各一个单向应变片。
8.一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置，其特征在于，包括第一试块(1)、第二试块(4)、单向应变片(2)、静态应变仪(3)、超声波换能器(5)、超声波应力测试设备(6)，具体地：
第一试块、第二试块由一种铝合金材料切割成两块而成，第一试块、第二试块的材料、大小、尺寸完全相同；
第一试块表面粘贴有单向应变片，单向应变片连接静态应变仪，静态应变仪连接应变值计算装置，应变值计算装置根据应变值计算出初始应力值并输出结果；应变值计算装置通过人机交互连接或者物理连接超声波应力测试设备；
第二试块连接超声波换能器，超声波换能器连接超声波应力测试设备；
超声波应力测试设备包括零应力标定模块、初始应力值去除模块，零应力标定模块对第二试块进行零应力标定；初始应力值去除模块将超声波应力的测试结果减去上述的初始应力值。
9.根据权利要求8所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置，其特征在于，所述的超声波应力测试设备包括人机交互装置、超声波测试系统数据库，超声波测试系统数据库通过人机交互装置获得并储存有铝合金材料牌号、热处理状态、加工状态、尺寸大小、声弹性常数K、初始应力值、表面粗糙度的数据信息。
10.根据权利要求8所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置，其特征在于，所述的超声波换能器还连接有楔块；装置还包括温度补偿传感器(7)，温度补偿传感器连接超声波应力测试设备。
11.根据权利要求8所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置，其特征在于，所述的第一试块的截面尺寸小于等于70mm×20mm，厚度大于等于2mm。
12.根据权利要求8至11任一所述的一种基于超声波法的铝合金车体残余应力测量零应力试块的制作装置，其特征在于，还包括同一种铝合金材料的铝合金试板，其上设有多个测点，测点连接超声波换能器；还包括切条机，用于线切割试块。
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