CN104931167A - 超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，包括：截面呈“门”字形的轨道架，轨道架沿长度方向的两侧面上均设有水平的通槽；通槽的上方设有锥形螺栓孔和锥形螺栓；构成锥形螺栓孔的材料、锥形螺栓孔与通槽之间以及通槽下方均为弹性材料；轨道架两端的固定吸盘；位于轨道架内的探头固定楔块，探头固定楔块左右两侧面上设有滑行手柄；固定于探头固定楔块的左上部和右上部的探头固定腔一和探头固定腔二；耦合监测器，由监控指示灯和与之电连接的压力传感器、电阻传感器组成。该装置可准确定位超声探头，保证超声探头与待测构件之间的耦合状态和标定时所用的保持一致，提高了超声波检测法的测量精度。

Description

超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置

技术领域

本发明涉及一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，属于残余应力测试领域。

背景技术

我国工业处于高速发展的时期，大型结构、石油管道、高速列车、航天航空、核电设备等都要大量使用焊接，残余应力是焊接接头破坏的主要原因，对残余应力的准确检测，是解决残余应力问题的前提。残余应力的检测方法主要分为有损检测和无损检测两种方式。虽然有损法检测残余应力的方法精度较高，但会对设备本身产生不可逆的破坏。因此，近几年来，无损检测残余应力受到越来越多的关注。

无损检测残余应力的方法主要有中子衍射法、磁粉法、X射线衍射法和超声波检测法。其中，超声波检测方法是利用材料的声弹效应(即施加在材料上的内应力变化引起超声波传播速度的变化)，通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出构件的应力分布。与其它无损检测方法相比，超声波检测法具有成本低、精度较高、测量的深度较大等优点。尤其是，超声波检测法可以在设备服役的状态下对残余应力的分布进行检测，对评估疲劳寿命有重大意义。

因超声波在材料中传播速度受超声波的波型、探头和材料之间的耦合状态(主要耦合剂量和耦合压力)、材料组织等影响较大，所以在对构件残余应力进行超声波检测之前，需要先做标定试验。在进行检测时，需保证超声波探头与待测构件之间的耦合状态与标定所用的耦合状态相同。目前，多是直接通过手扶或简单固定方式地将超声波探头固定在待测构件表面，进行超声波检测；无法精确控制探头与待测构件之间的耦合状态，也即无法保证探头与待测构件之间的耦合状态与标定时所用的一致；从而导致较大的测量误差，影响超声波检测法的精度。因此，亟需一种测试时可以保证超声波探头与待测构件表面的耦合状态稳定，且与标定时保持高度一致的固定超声波探头的装置，以减少由于耦合状态不同导致的测量误差，提高超声波检测法的测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置。该装置可准确地将超声探头定位至需要测量的位置，保证超声探头与待测构件之间的耦合剂量和耦合压力和标定时所用的耦合剂量和耦合压力保持一致，大大提高了超声波检测法的测量精度。且该装置操作简单，成本低廉，有利于工业上的大量应用。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，包括：

截面呈“门”字形的轨道架，轨道架沿长度方向的相对两侧面上均设有水平的通槽，且两个水平的通槽位于同一水平面；通槽的上方沿水平方向设有一排锥形螺栓孔，与所述锥形螺栓孔配合的锥形螺栓的最大直径大于锥形螺栓孔的最大直径；构成锥形螺栓孔的材料、锥形螺栓孔与通槽之间以及通槽下方均为弹性材料；

固定于轨道架沿长度方向的两端的固定吸盘；

位于轨道架内的探头固定楔块，探头固定楔块上设有穿过轨道架的两个水平的通槽、可在水平通槽中滑动的滑行手柄；

固定于探头固定楔块的左上部、与竖直方向呈预定角度的探头固定腔一；

固定于探头固定楔块的右上部、相对于竖直方向与探头固定腔一对称的探头固定腔二；

由监控指示灯和固定于探头固定楔块的底部的压力传感器、电阻传感器组成的耦合监测器；所述压力传感器和电阻传感器的输出端与监控指示灯电连接。

本发明的工作原理及使用方法是：

在待测构件的待测试区域处均匀涂抹上耦合剂。将超声发射探头和超声接收探头分别安装于探头固定腔一和探头固定腔二中。然后，将探头固定楔块置于轨道架内，使探头固定楔块的两个滑行手柄分别穿过两个水平通槽。

通过固定于轨道架两端的固定吸盘，将轨道架、位于其中的探头固定楔块、安装于探头固定腔一和探头固定腔二的超声发射探头和超声接收探头固定于待测构件的表面(沿焊缝长度固定)。

手动调整滑行手柄，使其在轨道架的水平通槽中滑动，将探头固定楔块滑行至需要测试残余应力的区域，使超声发射探头和超声接收探头精确对准测试区域。由于构成锥形螺栓孔的材料、锥形螺栓孔与通槽之间为弹性材料，将锥形螺栓逐渐拧入水平通槽上方的锥形螺栓孔，即可使水平通槽的上表面压紧通槽中的滑行手柄，从而固定探头固定楔块。

固定于探头固定楔块下方的压力传感器可测量探头固定楔块与测试表面的压力，电阻传感器测量探头固定楔块与测试表面之间的耦合剂的剂量。当压力传感器和电阻传感器测得的耦合压力和耦合剂剂量与标定时的耦合压力和耦合剂剂量均相同时，则监控指示灯变绿，可开始测量；否则，监控指示灯为红色。由于构成锥形螺栓孔的材料、锥形螺栓孔与通槽之间以及通槽下方均为弹性材料，通过调整轨道架的通槽上方锥形螺栓拧入锥形螺栓孔的深浅，即可调节滑行手柄在垂直方向的位置，也即探头固定楔块在垂直方向的位置从而调节了探头固定楔块与待测构件表面的耦合状态。当调节至监控指示灯变为绿色，即可开始残余应力的测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过手动调整探头固定楔块的滑行手柄在轨道架的水平通槽中的位置，即可调整探头固定楔块在待测材料表面的位置；通过水平通槽上方的锥形螺栓拧入锥形螺栓孔的深度，即可将固定探头固定楔块固定在需要测试残余应力的区域，实现测试点位置的精确定位。

二、耦合监测器的压力传感器和电阻传感器可监测探头固定楔块与测试表面的压力和耦合剂剂量，并通过监控指示灯的显示，可迅速判断耦合状态；通过调节锥形螺栓拧入锥形螺栓孔的深度调节耦合剂的剂量和压力，保证进行残余应力测试时超声探头与测试表面的耦合状态与标定时所用的耦合状态相同，降低耦合状态对超声波系统应力测量的影响，大大提高了超声波检测法的测量精度。

三、通过吸盘的固定、探头固定楔块的滑行手柄和轨道架上的水平通槽配合，水平通槽上方的锥形螺栓与锥形螺栓孔的配合，即可实现超声探头的固定；通过轨道架上锥形螺栓与锥形螺栓孔的配合，即可实现对耦合状态的精确调整，操作过程简单，装置成本低廉，有利于工业上的大量应用。

进一步，本发明所述的构成走形轨道的两个通槽边缘设置有刻度。

采用带有刻度轨道式走行装置可以保证定位到每次所需要测量的位置，实现高精度定位测试。

进一步，本发明所述的探头固定楔块的材料为有机玻璃、石英玻璃或聚苯乙烯。

这几种材料易于加工，作为探头固定楔块，可保证超声波在传播过程中衰减较小，传播方向不受影响。

进一步，本发明所述的探头固定腔一固定于探头固定楔块的左上部的具体方式是：所述探头固定腔一全部或部分内嵌固定于探头固定楔块的左上区域。

又进一步，本发明所述的探头固定腔二固定于探头固定楔块的右上部的具体方式是：所述探头固定腔二全部或部分内嵌固定于探头固定楔块的右上区域。

这样的固定方式简单牢固，保证探头固定腔的稳定角度，从而保证在测试时超声探头的稳定角度，保证了测量的精确性。

进一步，本发明所述的探头固定腔一与竖直方向呈25-35°的预定角度。

探头固定腔与竖直方向的角度决定了超声探头与材料表面的角度；当超声探头与材料表面的角度为第一临界角(材料性能和超声波频率决定)时，发射的超声波到达测试材料的表面时折射出的纵波能够平行于材料表面传播，进而利用平行材料表面的纵波对材料进行残余应力的测试。根据实验推算，25-35°的预定角度可适应需要进行焊接后的残余应力测试的大部分材料。

进一步，本发明所述的探头固定腔一和探头固定腔二的具体结构是：探头固定腔一和探头固定腔二的内部为螺纹结构，与超声探头外侧面的螺纹配合。

这种固定方式简单，牢固，可保证进行残余应力测试时超声探头的稳定；且拆卸方便，便于更换探头，提高了本装置的应用灵活性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明实施例一的正视结构示意图。

图2为本发明实施例一的侧视结构示意图。

图3为本发明实施例一的俯视结构示意图。

图4为图3的A-A剖面的放大剖视结构示意图。

图5为图3的B-B剖面的放大剖视结构示意图。

图6为本发明实施例二的俯视结构示意图。

图7为图6的C-C剖面的放大剖视结构示意图。

图8为本发明实施例对铝合金材料测试时选取的残余应力测试点的分布图。

图8中的阴影部分为焊缝。

具体实施方式

实施例一

图1-5所示，本发明的一种具体实施方式是：一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，包括：

截面呈“门”字形的轨道架1，轨道架1沿长度方向的相对两侧面上均设有水平的通槽1a，且两个水平的通槽1a位于同一水平面；通槽1a的上方沿水平方向设有一排锥形螺栓孔1b，与所述锥形螺栓孔1b配合的锥形螺栓1c的最大直径大于锥形螺栓孔1b的最大直径；构成锥形螺栓孔1b的材料、锥形螺栓孔1b与通槽1a之间以及通槽1a下方均为弹性材料；

固定于轨道架1沿长度方向的两端的固定吸盘2；

位于轨道架1内的探头固定楔块3，探头固定楔块3上设有穿过轨道架1的两个水平的通槽1a、可在水平通槽1a中滑动的滑行手柄3a；

固定于探头固定楔块3的左上部、与竖直方向呈预定角度的探头固定腔一4；

固定于探头固定楔块3的右上部、相对于竖直方向与探头固定腔一4对称的探头固定腔二5；

由监控指示灯6c和固定于探头固定楔块3的底部的压力传感器6a、电阻传感器6b组成的耦合监测器；所述压力传感器6a和电阻传感器6b的输出端与监控指示灯6c电连接。

本例中所述的两个水平通槽1a边缘设置有刻度。

本例中所述的探头固定楔块3的材料为有机玻璃、石英玻璃或聚苯乙烯。

本例中所述的探头固定腔一4全部内嵌固定于探头固定楔块3的左上区域。

本例中所述的探头固定腔二5全部内嵌固定于探头固定楔块3的右上区域。

本例中所述的探头固定腔一4与竖直方向呈25-35°的预定角度。

本例中所述探头固定腔一4和探头固定腔二5的具体结构是：探头固定腔一4和探头固定腔二5的内部为螺纹结构，与超声探头外侧面的螺纹配合。

实施例二

图6，图7示出，本发明的另一种具体实施方式是：本实施例与实施例一基本相同，唯一不同的是本例中所述的探头固定腔一4部分内嵌固定于探头固定楔块3的左上区域；所述的探头固定腔二5部分内嵌固定于探头固定楔块3的右上区域。

本发明的使用效果可以通过以下试验得到验证和说明：

选取高速列车常用铝合金材料A7N01S-T5,700*230对接试板，按照相同距离布置残余应力测试点，如图6所述。

以上述方法安装好固定走行装置，将超声波发生器与超声波测试系统连接，对1-7点进行残余应力测试，测试的结果见下表。

测试点	1	2	3	4	5	6	7
								残余应力值/MPa	93.21	87.65	88.39	97.31	85.24	88.12	89.35

不采用本发明的轨道固定走行装置，手持稳定固定超声波探头，直接对1-7点残余应力进行测试，测试结果见下表。

测试点	1	2	3	4	5	6	7
								残余应力值/MPa	90.67	54.21	79.33	94.19	88.34	67.23	87.32

采用本发明的残余应力测试结果均方差为4.05，而未采用本发明装置残余测试结果的均方差为14.53，由此可以看出采用该发明装置的均方差远远小于未采用本发明装置的均方差，充分证明了本发明可保证超声探头与待测构件之间的耦合状态的稳定性，大大提高了超声波检测法的测量精度。

Claims (7)

1.一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，包括：

截面呈“门”字形的轨道架(1)，轨道架(1)沿长度方向的相对两侧面上均设有水平的通槽(1a)，且两个水平的通槽(1a)位于同一水平面；通槽(1a)的上方沿水平方向设有一排锥形螺栓孔(1b)，与所述锥形螺栓孔(1b)配合的锥形螺栓(1c)的最大直径大于锥形螺栓孔(1b)的最大直径；构成锥形螺栓孔(1b)的材料、锥形螺栓孔(1b)与通槽(1a)之间以及通槽(1a)下方均为弹性材料；

固定于轨道架(1)沿长度方向的两端的固定吸盘(2)；

位于轨道架(1)内的探头固定楔块(3)，探头固定楔块(3)上设有穿过轨道架(1)的两个水平的通槽(1a)、可在水平通槽(1a)中滑动的滑行手柄(3a)；

固定于探头固定楔块(3)的左上部、与竖直方向呈预定角度的探头固定腔一(4)；

固定于探头固定楔块(3)的右上部、相对于竖直方向与探头固定腔一(4)对称的探头固定腔二(5)；

由监控指示灯(6c)和固定于探头固定楔块(3)的底部的压力传感器(6a)、电阻传感器(6b)组成的耦合监测器；所述压力传感器(6a)和电阻传感器(6b)的输出端与监控指示灯(6c)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，其特征在于：所述的两个水平通槽(1a)边缘设置有刻度。

3.根据权利要求1所述的一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，其特征在于：所述探头固定楔块(3)的材料为有机玻璃、石英玻璃或聚苯乙烯。

4.根据权利要求1所述的一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，其特征在于：所述探头固定腔一(4)固定于探头固定楔块(3)的左上部的具体方式是：探头固定腔一(4)全部或部分内嵌固定于探头固定楔块(3)的左上区域。

5.根据权利要求1所述的一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，其特征在于：所述探头固定腔二(5)固定于探头固定楔块(3)的右上部的具体方式是：探头固定腔二(5)全部或部分内嵌固定于探头固定楔块(3)的右上区域。

6.根据权利要求1所述的一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，其特征在于：所述的探头固定腔一(4)与竖直方向呈25-35°的预定角度。

7.根据权利要求1所述的一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，其特征在于：所述探头固定腔一(4)和探头固定腔二(5)的具体结构是：探头固定腔一(4)和探头固定腔二(5)的内部为螺纹结构，与超声探头外侧面的螺纹配合。