CN106813819B - 一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，包括以下步骤：S1、应力测试得到传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的函数曲线t_0x＝M(x)；S2、应力测试传得到播距离x对应的名义声弹性系数K_x的函数曲线K_x＝F(x)；S3、测出临界折射纵波在曲面工件中的传播时间t；S4、测量临界折射纵波在曲面工件上中的传播距离a；S5、根据函数曲线t_0x＝M(x)和K_x＝F(x)得出传播距离a对应的零应力状态下的传播时间t_0a和名义声弹性系数K_a；然后通过公式σ＝K(t‑t₀)计算出待测曲面工件的残余应力值。该方法可方便快捷地测出曲面工件的残余应力，同时解决了现有技术中标定不准确的问题，大大提高了超声波测曲面工件残余应力的精度。

Description

一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法

技术领域

本发明涉及一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，属于焊接残余应力的无损测量领域。

背景技术

焊接是目前工业上应用最为广泛的技术，且焊接技术连接强度高，密封性好。因为造成焊接破坏最主要的方式是由于焊接接头中残余应力过大而引起的破坏，所以对焊接结构的可靠性有了日益严格的要求。因此在焊接结构生产过程中，对其焊接残余应力进行准确快速地测量是十分重要的。

目前测量焊接残余应力主要的方法分为两大类：有损检测和无损检测。有损检测的方法包括盲孔法和切条法，属于应力释放法，也称为机械的方法。虽然检测精度高，但对工件会有不同程度的不可逆的破坏，对于很多投入生产的产品是不利的。因此，近几年广泛发展的是无损检测技术，主要包括中子衍射法、磁粉检测法、X射线衍射法和超声波检测法。中子衍射法因为设备昂贵，应用环境要求高，在工程实践中几乎没有应用。而磁粉检测法对工件表面光滑度要求高，对检测人员的技术和经验要求高，检测范围小检测速度慢，因此应用也不广泛。X射线衍射法能穿透的厚度小，受工件表面质量影响大，而超声波应力测量法具有检测速度快、准确性高、操作方便、环保无污染等优点，因此被公认为是最有前途的应力无损检测手段。

超声波在待测工件中的传播速度与待测工件中的残余应力存在着声弹性关系。若超声波传播距离固定，测得超声波在零应力状态下工件的传播时间t₀和在待测样中的传播时间t，根据依据声弹性原理，可得到待测样的残余应力值σ，即：σ＝K(t-t₀)，其中K为待测样的名义声弹性系数，主要与材料的声弹性系数K_i和零应力状态下超声波传播时间t₀等因素有关，材料的声弹性系数K_i主要与材料本身属性有关。

在实际焊接结构中，存在着大量的曲面结构，例如压力容器，石油管道。现在对曲面工件的残余应力的测量使用的探头多为平直探头，平直探头与曲面工件耦合状态会造成超声波的传播路径发生改变，超声波实际传播距离大于有效传播距离，从而导致名义声弹性系数增大。所以在使用超声波法对曲面工件残余应力测量时，为了获得更精确的测量结果，需要根据被测工件的曲率半径对名义声弹性系数进行修正，而修正步骤较为复杂。

而且，在现有方法中，标定名义声弹性系数K和零应力状态下的传播时间t₀仅通过有限次试验然后将试验结果带入理论公式计算而得，并没有考虑在标定时可能存在的因为测量位置不同，耦合装置放置方向不同，以及工件表面有污物等影响因素，导致测量过程中存在不可避免的误差。而且现有方法并没有考虑波的散射、有机玻璃楔块不均匀性等造成的影响，以至于现有方法标定的名义声弹性系数K和零应力状态下的传播时间t₀与实际试验中真正的名义声弹性系数K和零应力状态下的传播时间t₀有较大区别；这将大大降低超声波法测量残余应力的精度，限制了超声波法在残余应力测试中的应用。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法。该方法可方便快捷地测出曲面工件的残余应力，同时解决了现有技术中标定不准确的问题，大大提高了超声波测曲面工件残余应力的精度。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，包括以下步骤：

S1、制作与待测曲面工件相同材料的零应力平板标定块进行超声波应力测试，改变临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播距离x并测出所述传播距离x对应的传播时间t_0x，得到传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的关系数据库并拟合出二者的函数曲线t_0x＝M(x)；

S2、在零应力平板标定块上施加应力σ进行超声波应力测试；改变临界折射纵波在σ应力状态下的平板标定块中的传播距离x并测出所述传播距离x对应的传播时间t_x，进一步根据步骤S1得到的传播距离x对应的临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x得到所述传播距离x对应的临界折射纵波在σ应力状态和零应力状态下的传播时间差Δt_x＝t_x-t_0x；然后，通过施加的应力σ和传播时间差Δt_x计算出所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x，得到传播距离x与名义声弹性系数K_x的关系数据库并拟合出二者的函数曲线K_x＝F(x)；

S3、制作与待测曲面工件表面配合的曲面耦合楔块，并使用所述曲面耦合楔块进行超声波应力测试，测出临界折射纵波在待测曲面工件中的传播时间t；

S4、测量临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a；

S5、根据步骤S1得到的传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的函数曲线t_0x＝M(x)得出传播距离a对应的零应力状态下的传播时间t_0a；根据步骤S2得到的传播距离x与名义声弹性系数K_x的函数曲线K_x＝F(x)得出传播距离a对应的名义声弹性系数K_a；然后通过公式σ＝K(t-t₀)＝K_a(t-t_0a)＝F(a)·(t-M(a))计算出待测曲面工件的残余应力值σ。

与现有技术相比，本发明的工作原理及有益效果是：

在现有技术曲面工件的名义声弹性系数K以及临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t₀标定不准确的情况下，本发明首先通过实验分别建立临界折射纵波在平板工件(平板标定块)中传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的关系数据库并拟合函数关系曲线t_0x＝M(x)和所述传播距离x与名义声弹性系数K_x的关系数据库并拟合函数关系曲线K_x＝F(x)；然后测量出在残余应力测试时临界折射纵波在待测曲面工件中的传播时间t和传播距离a，进一步通过函数关系曲线t_0x＝M(x)和K_x＝F(x)找出传播距离a所对应的临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0a和名义声弹性系数K_a；最后通过声弹性公式σ＝K(t-t₀)计算出待测曲面工件的残余应力值σ。

首先，本发明通过改变临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播距离x并测出所述传播距离x对应的传播时间t_0x和名义声弹性系数K_x，得到函数曲线t_0x＝M(x)和K_x＝F(x)；可以减少标定时的偶然误差，使K_x与x、t_0x与x的拟合曲线更为准确；其次，本发明通过曲面耦合楔块对曲面工件进行测量，避免了因工件表面存在曲率造成的残余应力测量不准的情况；再次，在完成标定获得K_x与x、t_0x与x的拟合曲线后，对待测工件进行残余应力测量时，可以直接根据不同的传播a通过数据库和拟合曲线得到所需要的K_a值和t_0a值，测量更加方便快捷。

进一步，本发明所述步骤S1、S2中进行超声波应力测试时所用的耦合楔块与步骤S3中的曲面耦合楔块是由同一种有机玻璃制作得到的。

由于耦合楔块具有不均匀性，造成波的散射等问题，标定时所用的耦合楔块与实际应力测试时所用的耦合楔块由同种有机玻璃制作可避免由于楔块不均匀、波散射等造成的残余应力测量误差，大大提高了对超声波残余应力的测试精度。

进一步，本发明所述步骤S1中至少测出7组临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x以及所述传播距离x对应的传播时间t_0x用于建立关系数据库并拟合函数曲线t_0x＝M(x)。

根据现有技术，可推导出理想状态下x与t_0x的函数关系，然后通过测量有限组数据(根据关系式中未知系数而定)即可得t_0x与x的关系式，但是该方法很可能因为测量位置不同，耦合装置放置方向不同，以及工件表面有污物等影响因素，导致测量过程中存在不可避免的误差，最终得到函数曲线t_0x＝M(x)存在较大误差；本发明方法需要测量至少7组临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x及传播时间t_0x数据，建立临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x及传播时间t_0x的关系数据库并拟合函数曲线t_0x＝M(x)，能够减少实验误差，使拟合曲线更准确，提高超声波法测量曲面工件残余应力的精度。

进一步，本发明所述步骤S2中至少在零应力平板标定块上施加6组不同的应力进行超声波应力测试，分别为σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆，在每个传播距离x下，测出得6组应力(σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆)状态下所述传播距离x对应的传播时间t_x1、t_x2、t_x3、t_x4、t_x5、t_x6，进一步根据步骤S1得到的传播距离x对应的临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x得到所述传播距离x对应的临界折射纵波在6组应力(σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆)状态和零应力状态下的传播时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄、Δt₅、Δt₆；然后，通过拟合所述6组应力(σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆)和6组传播时间差(Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄、Δt₅、Δt₆)的关系，得到所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x。

根据现有技术，名义声弹性系数K_x的标定是在传播距离x一定的情况下，由临界折射纵波在零应力平板标定块中传播时间t₀和临界折射纵波在一个应力状态σ下的传播时间t获得，但是在实际标定中，很可能会因为拉伸机(给标定块施加应力)在工作过程中，机器振动，耦合装置移位或实验员操作不当等因素造成实验误差，导致测得的名义声弹性系数与实际名义声弹性系数存在较大误差。本发明方法通过测量至少6组数据，可以减少实验误差对名义声弹性系数标定造成的影响，从而提高标定的名义声弹性系数的稳定性，进一步提高超声波法测量曲面工件残余应力的精度。

更进一步，本发明所述步骤S2中至少测出7组临界折射纵波在σ应力状态下平板标定块中的传播距离x以及所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x用于建立关系数据库并拟合函数曲线K_x＝F(x)。

根据现有技术，可推导出理想状态下传播距离x与名义声弹性系数K_x函数关系，然后通过测量有限组数据(根据关系式中未知系数而定)即可得到传播距离x与名义声弹性系数K_x的关系式，但是该方法很可能因为测量位置不同，耦合装置放置方向不同，以及工件表面有污物等影响因素，导致测量过程中存在不可避免的误差，最终得到函数曲线K_x＝F(x)存在较大误差；本发明方法测量至少7组临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x及名义声弹性系数K_x数据，建立临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x与名义声弹性系数K_x的关系数据库并拟合函数曲线线K_x＝F(x)，能够减少实验误差，使拟合曲线更准确，提高超声波法测量曲面工件残余应力的精度。

进一步，本发明所述步骤S4中测量临界折射纵波在曲面工件上中的传播距离a的具体方法是：在超声波应力测试时记录临界折射纵波在待测曲面工件上的入射点与出射点，测试结束后，测量临界折射纵波在待测曲面工件上入射点与出射点之间的直线距离即为临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a。

不论被测工件是曲面工件还是平面工件，超声波的临界折射纵波都是沿着被测工件上超声波入射点与射出点之间传播，即临界折射纵波的实际传播距离是超声波入射点与射出点之间的距离，所以上述方法中，只需测量临界折射纵波在曲面工件上的入射点与出射点之间的直线距离，即可得到临界折射纵波在曲面工件中的传播距离a。

附图说明

图1为本发明实施例临界折射纵波在曲面工件中声波传播路径图。

图中1为待测曲面工件；1.1为临界折射纵波在曲面工件上的入射点；1.2为临界折射纵波在曲面工件上的出射点；2.1为超声波发射探头；2.2为超声波接收探头；3为曲面耦合楔块。

具体实施方式

实施例

一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，包括以下步骤：

S1、制作与待测曲面工件相同材料的零应力平板标定块进行超声波应力测试，改变临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播距离x并测出所述传播距离x对应的传播时间t_0x，得到传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的关系数据库并拟合出二者的函数曲线t_0x＝M(x)；

S2、在零应力平板标定块上施加应力σ进行超声波应力测试；改变临界折射纵波在σ应力状态下的平板标定块中的传播距离x并测出所述传播距离x对应的传播时间t_x，进一步根据步骤S1得到的传播距离x对应的临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x得到所述传播距离x对应的临界折射纵波在σ应力状态和零应力状态下的传播时间差Δt_x＝t_x-t_0x；然后，通过施加的应力σ和传播时间差Δt_x计算出所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x，得到传播距离x与名义声弹性系数K_x的关系数据库并拟合出二者的函数曲线K_x＝F(x)；

S3、制作与待测曲面工件表面配合的曲面耦合楔块，并使用所述曲面耦合楔块进行超声波应力测试，测出临界折射纵波在待测曲面工件中的传播时间t；

S4、测量临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a；

S5、根据步骤S1得到的传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的函数曲线t_0x＝M(x)得出传播距离a对应的零应力状态下的传播时间t_0a；根据步骤S2得到的传播距离x与名义声弹性系数K_x的函数曲线K_x＝F(x)得出传播距离a对应的名义声弹性系数K_a；然后通过公式σ＝K(t-t₀)＝K_a(t-t_0a)＝F(a)·(t-M(a))计算出待测曲面工件的残余应力值σ。

本例中所述步骤S1、S2中进行超声波应力测试时所用的耦合楔块与步骤S3中的曲面耦合楔块是由同一种有机玻璃制作得到的。

本例中所述步骤S1中至少测出7组临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x以及所述传播距离x对应的传播时间t_0x用于建立关系数据库并拟合函数曲线t_0x＝M(x)。表1示出通过现有技术理论方法计算的和通过本发明方法得到的零应力平板标定块中传播时间t_0x的对比图。表1看出同一传播距离x对应的理想状态下对应的t_0x与本实施例方法测量t_0x之间的区别，理论值由于受测量位置，耦合装置放置方向，以及工件表面有污物等影响因素，导致测量过程中存在不可避免的误差，最终得到函数曲线t_0x＝M(x)存在较大误差，从而不同传播距离x对应的t_0x存在较大误差；本发明方法通过至少7组临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x及传播时间t_0x数据，建立临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x及传播时间t_0x的关系数据库并拟合函数曲线t_0x＝M(x)，能够减少实验误差，使拟合曲线更准确，提高超声波法测量曲面工件残余应力的精度。

表1、通过理论方法计算的和本发明方法得到的零应力平板标定块中传播时间t_0x的对比图

本例中所述步骤S2中至少在零应力平板标定块上施加6组不同的应力进行超声波应力测试，分别为σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆，在每个传播距离x下，可测得6组应力分别对应的传播时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄、Δt₅、Δt₆，然后通过拟合所述6组传播时间差和6组应力的关系，得到所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x。

本例中所述步骤S2中至少测出7组临界折射纵波在σ应力状态下平板标定块中的传播距离x以及所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x用于建立关系数据库并拟合函数曲线K_x＝F(x)。

表2示出通过现有技术理论方法计算的和通过本发明方法得到的名义声弹性系数K_x的对比图。表2看出同一传播距离x对应的理想状态下对应的K_x与本实施例方法测量K_x之间的区别，理论值由于受测量位置，耦合装置放置方向，以及工件表面有污物等影响因素，导致测量过程中存在不可避免的误差，最终得到函数曲线K_x＝F(x)存在较大误差，从而不同传播距离x对应的K_x存在较大误差；本发明方法通过至少6组不同的应力进行超声波应力测试计算同一传播距离x对应的K_x，然后通过7组临界折射纵波在σ应力状态下平板标定块中的传播距离x以及所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x用于建立关系数据库并拟合函数曲线K_x＝F(x)，能够减少实验误差，使拟合曲线更准确，提高超声波法测量曲面工件残余应力的精度。

表2、通过理论方法计算的和本发明方法得到的名义声弹性系数K_x的对比图

传播距离/mm	本实施例试验K/(MPa/ns)	理论K(MPa/ns)
			10	17.91	16.28
20	8.95	8.14
			30	5.97	5.43
40	4.48	4.07
			60	2.98	2.71
100	1.79	1.63
			120	1.49	1.36

图1示出，本例中所述步骤S4中测量临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a的具体方法是：在超声波应力测试时记录临界折射纵波在待测曲面工件上的入射点1.1.与出射点1.2，测试结束后，测量临界折射纵波在待测曲面工件上入射点1.1与出射点1.2之间的直线距离即为临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a。图1为本发明实施例临界折射纵波在曲面工件中声波传播路径图。图中1为待测曲面工件；2.1为超声波发射探头；2.2为超声波接收探头；3为曲面耦合楔块。

Claims (4)

1.一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，包括以下步骤：

S1、制作与待测曲面工件相同材料的零应力平板标定块进行超声波应力测试，改变临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播距离x并测出所述传播距离x对应的传播时间t_0x，得到传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的关系数据库并拟合出二者的函数曲线t_0x＝M(x)；

S2、在零应力平板标定块上施加应力σ进行超声波应力测试；改变临界折射纵波在σ应力状态下的平板标定块中的传播距离x并测出所述传播距离x对应的传播时间t_x，进一步根据步骤S1得到的传播距离x对应的临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x得到所述传播距离x对应的临界折射纵波在σ应力状态和零应力状态下的传播时间差Δt_x＝t_x-t_0x；然后，通过施加的应力σ和传播时间差Δt_x计算出所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x，得到传播距离x与名义声弹性系数K_x的关系数据库并拟合出二者的函数曲线K_x＝F(x)；

S3、制作与待测曲面工件表面配合的曲面耦合楔块，并使用所述曲面耦合楔块进行超声波应力测试，测出临界折射纵波在待测曲面工件中的传播时间t；

S4、测量临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a；

S5、根据步骤S1得到的传播距离x与临界折射纵波在零应力平板标定块中的传播时间t_0x的函数曲线t_0x＝M(x)得出传播距离a对应的零应力状态下的传播时间t_0a；根据步骤S2得到的传播距离x与名义声弹性系数K_x的函数曲线K_x＝F(x)得出传播距离a对应的名义声弹性系数K_a；然后通过公式σ＝K(t-t₀)＝K_a(t-t_0a)＝F(a)·(t-M(a))计算出待测曲面工件的残余应力值σ；

所述步骤S1中至少测出7组临界折射纵波在零应力平板标定块中传播距离x以及所述传播距离x对应的传播时间t_0x用于建立关系数据库并拟合函数曲线t_0x＝M(x)；

所述步骤S2中至少测出7组临界折射纵波在σ应力状态下平板标定块中的传播距离x以及所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x用于建立关系数据库并拟合函数曲线K_x＝F(x)。

2.根据权利要求1所述的一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，其特征在于：所述步骤S1、S2中进行超声波应力测试时所用的耦合楔块与步骤S3中的曲面耦合楔块是由同一种有机玻璃制作得到的。

3.根据权利要求1所述的一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，其特征在于：所述步骤S2中至少在零应力平板标定块上施加6组不同的应力进行超声波应力测试，分别为σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆，在每个传播距离x下，可测得6组应力分别对应的传播时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄、Δt₅、Δt₆，然后通过拟合所述6组传播时间差和6组应力的关系，得到所述传播距离x对应的名义声弹性系数K_x。

4.根据权利要求1所述的一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法，其特征在于：所述步骤S4中测量临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a的具体方法是：在超声波应力测试时记录临界折射纵波在待测曲面工件上的入射点与出射点，测试结束后，测量临界折射纵波在待测曲面工件上入射点与出射点之间的直线距离即为临界折射纵波在待测曲面工件上中的传播距离a。