CN109307568A - 焊接残余应力的无损检测方法及采用该方法的探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焊接残余应力的无损检测方法及采用该方法的探头，在上述方法中，采用超声检测探头在接触待测工件的被检测部位的状态下进行检测，其中，在对圆柱形表面的相贯线焊缝的焊接残余应力进行检测时，针对所述相贯线焊缝的同一位置，检测圆柱形的轴向和周向的残余应力中的一种应力，作为主应力。针对相贯线焊缝的一方的圆柱形表面，能够仅通过采用具有一种曲面的超声检测探头，就能够实现该圆柱形表面的焊接残余应力的检测。

Description

焊接残余应力的无损检测方法及采用该方法的探头

技术领域

本发明涉及一种焊接残余应力的无损检测方法及采用该方法的探头。

背景技术

一直以来钢结构焊接是工业工程中的重要工艺，在各行各业中都有着广泛的应用，由于各种工程技术的要求，钢结构焊接的复杂性也大大增加，与此同时，钢结构焊缝处的残余应力分布也变得越来越复杂。焊缝处残余应力的存在，长期以往，会直接导致钢结构出现裂纹，诱发腐蚀等现象。残余应力的无损检测一直受到广泛的关注，超声波法是主要检测方法之一，超声波法的理论已经较为成熟，可以针对各种不同的钢结构焊缝进行残余应力的检测。由于钢结构焊缝处残余应力分布状态的不同，需要针对各种残余应力的分布设计不同的检测位置和检测方向。

文献检索发现，在钢结构焊接残余应力分布状态的无损检测这一方面，还未有十分清晰明确且可行的方法可以提供，大多数针对焊接残余应力的检测，也只是利用超声检测探头通过接触焊接后的钢结构并收发超声波而对环形焊缝或直线焊缝的残余应力进行检测。在对环形焊缝的残余应力进行检测时，超声检测探头沿环形焊缝的法线方向和切线方向设置。上述方法多用于平面焊缝的残余应力的检测。

对于圆柱状管的焊接等较为复杂的焊缝结构，如果采用上述方法，为了使超声检测探头能够在检测部位与待测工件接触，需要针对不同位置设计不同曲率的多个超声检测探头的接触表面，这导致成本较高，超声检测探头的利用率低，检测过程繁琐。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而创作出的，其目的在于，通过一种或少数的几种超声检测探头，就能实现对圆柱状管的焊接等较为复杂的焊缝结构进行无损检测。

为了达成上述目的，本发明提供一种焊接残余应力的无损检测方法，采用超声检测探头在接触待测工件的被检测部位的状态下进行检测，其中，在对圆柱形表面的相贯线焊缝的焊接残余应力进行检测时，针对所述相贯线焊缝的同一位置，检测圆柱形的轴向和周向的残余应力中的一种应力，作为主应力。

上述结构利用了焊接时的圆柱状管的结构特征，即，圆柱状管为规则曲面，在轴向或周向上，不同位置的曲率半径相同，这样，根据上述方法，针对相贯线焊缝的一方的圆柱形表面，能够仅通过采用具有一种曲面的超声检测探头，就能够实现该圆柱形表面的焊接残余应力的检测。

上述的目的，特征及优点通过参照附图所说明的下面的实施方式的说明可容易地理解。

附图说明

图1为表示超声检测探头的结构的示意图。

图2为说明应力超声检测系统的原理的示意图。

图3为表示圆管T形接头相贯线焊接残余应力区域检测方向与部位的示意图，(a)、(b)表示超声检测探头按不同方向放置时的情况。

图4为表示圆管Y形接头相贯线焊接残余应力区域检测方向与部位的示意图，(a)、(b)表示超声检测探头按不同方向放置时的情况。

图5为表示圆管交叠K形接头相贯线焊接残余应力区域方向检测方向与部位的示意图，(a)、(b)表示超声检测探头按不同方向放置时的情况。

图6为表示圆管T形交叉焊缝焊残余应力区域检测方向与部位的示意图，(a)、(b)表示超声检测探头按不同方向放置时的情况。

图7为表示圆管锐角交叉焊缝焊接残余应力区域检测方向与部位的示意图，(a)、(b)表示超声检测探头按不同方向放置时的情况。

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：

如图1所示，超声检测探头1包括一个超声楔块2和安装在超声楔块的两端的两个超声换能器3，该两个超声换能器3分别为发射换能器3a和接收换能器3b。发射换能器3a用于发射超声波，接收换能器3b用于接收由发射换能器3a发射的超声波。

超声楔块2为长条形，呈哑铃状对称型结构，包括两个基座部21和连接该两个基座部21的连接部20。基座部21为块状结构，具有用于接触待测工件W的接触面23。接触面23具有与待测工件W贴合的曲率。超声楔块2的材料应按照如下方式选取，即，超声波在超声楔块2中传播的速度比在待测工件W中传播的速度慢。

在远离接触面23且远离连接部20的一侧，形成有相对于接触面23倾斜的倒角部22。发射换能器3a和接收换能器3b均以垂直于该倒角部22的方式设置于倒角部22。发射换能器3a发射的超声波发射到接触面23与工件W接触的表面，当超声纵波以第一临界角入射时，会在工件表面激发出临界折射纵波，并通过另一侧的接触面23与工件W接触的表面而被接收换能器3b接收。

如图2所示，超声检测系统中，通过超声收发控制装置10对超声检测探头1进行控制，并通过数据采集装置11对从超声检测探头1接收到的数据进行采集，然后通过计算检测数据装置12对采集到的数据进行计算，得到待测工件W的被测部位的应力。可以根据不同的检测要求选用不同的超声收发控制装置10和数据采集装置11。具体检测原理及过程在后面进行具体描述。

下面结合图3-图7进行说明，在超声检测探头1对圆柱形表面的相贯线焊缝的焊接残余应力进行检测时的检测方法及相应的超声检测探头1的结构。

图3中，两圆管呈T字状焊接，在针对圆管T形接头相贯线焊接残余应力区域进行检测时，对于图中焊道b的下侧区域(管A)的检测，可以如图3中的(a)所示，沿管A的轴向方向放置超声检测探头1，沿着焊道b的走向，依次对多个点P1、P2...Pn进行检测，得到每个点的残余应力值。放置超声检测探头1时，针对焊道b的沿其走向的每个待检测位置，优选在接近焊道b和远离焊道b的两个点P_x、P_y(在管A的周向方向上相邻)测量残余应力值，以准确把握因焊接引起的管A的应力的变化情况。当然也可以只选取一个点或选取三个以上的点。

另外，也可以如图3中的(b)所示，沿管A的周向方向放置超声检测探头1，沿着焊道b的走向，依次对多个点P1、P2...Pn进行检测，得到每个点的残余应力值。同样，放置超声检测探头1时，在焊道b的不同位置，优选在接近焊道b和远离焊道b的两个点P_x、P_y(在管A的周向方向上相邻)测量残余应力值，以准确把握因焊接引起的管A的应力的变化情况。

图3中所示的超声检测探头1的不同位置之间的距离大于超声检测探头1的长度和宽度，但图3中只是为了便于表示，并不用于对该距离进行限定。为了更精确获得焊道b两侧的应力状态，关于超声检测探头1在检测时的不同位置之间的距离，在超声检测探头1沿长度方向放置时，优选不同位置之间的距离小于超声检测探头1的长度；在超声检测探头1沿宽度方向放置时，优选不同位置之间的距离小于超声检测探头1的宽度。

优选对上述各点进行上述两种测量，即，沿管道轴向和周向方向的测量，并对该两种测量结果进行矢量计算以得到主应力。

对于图中焊道b的上侧区域(管B)的检测，同样，可以如图3中的(a)所示，沿管B的周向方向放置超声检测探头1，沿着焊道b的走向，依次对多个点进行检测，得到每个点的残余应力值。另外，也可以如图3中的(b)所示，沿管A的轴向方向放置超声检测探头1，沿着焊道b的走向，依次对多个点进行检测，得到每个点的残余应力值。优选对上述各点进行上述两种测量，并对该两种测量结果进行矢量计算以得到主应力。

针对焊道b的上下两侧区域的检测，图3示出了沿管A的轴向方向和沿管B的周向方向分别放置超声检测探头1进行检测的情况，以及沿管A的周向方向和沿管B的轴向方向分别放置超声检测探头1进行检测的情况，这只是为了理解本发明而作的一种示例，本发明不限定于此，例如，也可以为沿管A的轴向方向和沿管B的轴向方向放置超声检测探头1的组合方式，以及沿管A的周向方向和沿管B的周向方向放置超声检测探头1的组合方式。先检测哪个管、先按照周向还是轴向检测、以及先检测P_x还是P_y等都可以任意选择，没有特别限定。另外，图3中只是示意性地选取了几个点，表示超声检测探头1的放置位置，图中所示位置并不用于限定超声检测探头1的放置位置。超声检测探头1可以放置在焊道b两侧需要测量残余应力值的任意位置。以下图4-图7中所示各实施例与此相同，下面不再赘述。

图3中，在针对圆管T形接头相贯线焊接残余应力区域中的焊道b的A管区域一侧进行检测时，超声检测探头1沿管A的轴向放置的情况下，无论超声检测探头1放置在管A的表面的哪个位置，工件W的被测的各个位置的曲率都是相同的，避免了沿相贯线放置时不同位置的接触面23的曲率不同的问题。即，只需一个超声检测探头1即可。同理，超声检测探头1沿管A的周向放置的情况下，无论超声检测探头1放置在管A的表面的哪个位置，工件W的被测的各个位置的曲率也都是相同的，也只需一个超声检测探头1即可。

在对上述各点进行上述两种测量，并对该两种测量结果进行矢量计算以得到主应力的情况下，也只需要准备两种曲率的接触面23即可。降低了超声检测探头1的制作成本，同时也使检测过程简单化。

在针对圆管T形接头相贯线焊接残余应力区域中的焊道b的B管区域一侧进行检测时，与A管区域一侧的检测相同，在此省略说明。

另外，在管A和管B的管径相同的情况下，本发明的优势更加明显，能进一步节省超声检测探头1的制作成本，同时也使检测过程更加简单化。

图4表示出了超声检测探头1对圆管Y形接头相贯线焊接残余应力区域的检测。图5表示出了超声检测探头1对圆管交叠K形接头相贯线焊接残余应力区域方向的检测，图6表示出了超声检测探头1对圆管T形交叉焊缝焊残余应力区域的检测，图7表示出了超声检测探头1对圆管锐角交叉焊缝焊接残余应力区域的检测。

通过上述各实施例可以看出，不论上述哪种情况，只要使超声检测探头1沿相贯线焊道b的两侧的管的各自的轴向放置，或周向放置，求得多点的应力值，获得应力分布状态。或针对待测工件W上的多点，既沿轴向放置，也沿周向放置，然后再矢量求和获得主应力，通过获得多点的主应力，获得应力分布状态。通过矢量求和获得的主应力能更准确地反映各点的应力。

在检测焊接残余应力前可以先进行零应力标定，记录零应力波形。这能够更直观地反应应力分布状态。

下面，对利用超声检测探头1进行测量时的原理及具体过程进行说明。

1、L_CR波的产生

由Snell定律可知，当超声纵波从波速较慢的声楔块传播到波速较快的钢结构材料当中时会发生折射现象，当纵波折射角度等于90°时对应的入射角度称为第一临界角，计算公式如下所示。

θ_cr＝sin^-1(V₀/V_l)

公式中：

V₁—波速较慢的介质中超声纵波传播速度(m/s)；

V₂—波速较快的介质中超声纵波传播速度(m/s)。

θcr—第一临界折射角(°)；

根据不同钢结构的形状(平板、圆柱)，不同的焊接工艺等计算出检

测点的第一临界角。

2、超声波测应力原理

根据声弹性基本原理，超声波在各向同性弹性介质中传播时，当波动质点的偏振方向与残余应力方向一致或相反(即0度或180度)时，超声波波速改变量与残余应力变化量成线性关系。因此，可以利用超声临界折射纵波检测该方向的残余应力。当临界折射纵波速度增加时，表示材料中存在压缩残余应力，反之，存在拉伸残余应力，在材料特性确定条件下，临界折射纵波波速变化量dV与残余应力变化量dσ之间的关系如下：

式中：

dσ—残余应力的改变量(MPa)；

dV—临界折射纵波传播速度的改变量(m/s)；

V0—零应力条件下临界折射纵波的传播速度(m/s)；

k—声弹性系数(ns/m2)；

当临界折射纵波传播距离L确定之后，被测介质内的声速变化可以用声时变化等

效代替，如下式：

式中：

dt是临界折射传播声时的变化量(s)；

t₀是零应力条件下临界折射纵波传播固定距离所需要的时间(s)；

令应力常数k＝2/kt₀其中t₀是零应力条件下纵波传播过，这时应力变化与超声波传播声时变化成近似线性关系，即Δσ＝KΔt。

3、应力常数K值的计算

制作与齿轮材料相同的拉伸和压缩试样，使用电子拉压试验机、超声脉冲收发仪、示波器进行K值的标定。具体步骤如下：

在齿轮材料的屈服极限内，使用拉伸试验机对拉压试件进行拉压，每隔一定的应力值(本方法采用每隔50MPa)，记录示波器中显示的时间差t_i和拉伸试验机显示的应力值σ_i。通过最小二乘法来进行曲线拟合，计算应力常数K值。

4、钢结构焊接残余应力检测

首先测出两楔块间的声程记为S，则在零应力状态下超声纵波在两楔块间的传播时间为t₀＝S/V_齿，应力状态下超声纵波在焊接后钢结构中的声速为V_i，则钢结构的应力大小如下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明不限定于圆管与圆管的焊接，只要是存在圆管，即可在圆管一侧使用本发明进行残余应力的检测。

另外，本发明以圆管的相贯线焊接残余应力区域的检测为例进行了说明，本发明也可以不限定于圆管，只要是在某一方向上具有一定的曲率，即可在该方向上适用本发明。

Claims (8)

1.一种焊接残余应力的无损检测方法，采用超声检测探头在接触待测工件的被检测部位的状态下进行检测，其特征在于：在对圆柱形表面的相贯线焊缝的焊接残余应力进行检测时，针对所述相贯线焊缝的同一位置，检测圆柱形的轴向和周向的残余应力中的一种应力，作为主应力。

2.根据权利要求1所述的焊接残余应力的无损检测方法，其特征在于：

还检测圆柱形的轴向和周向的残余应力中的另一种应力，然后再对该两种应力进行矢量求和获得主应力。

3.根据权利要求1或2所述的焊接残余应力的无损检测方法，其特征在于：

在所述相贯线焊缝上沿其走向选取多个位置，针对所述多个位置中的各个位置求得所述主应力后，根据求得的多个所述主应力得到所述相贯线焊缝的应力分布状态。

4.根据权利要求3所述的焊接残余应力的无损检测方法，其特征在于：

在检测焊接残余应力前先进行零应力标定，记录零应力波形。

5.根据权利要求1所述的焊接残余应力的无损检测方法，其特征在于：

所述超声检测探头包括超声楔块和分别安装在所述超声楔块的两端的发射换能器、接收换能器，所述超声楔块具有接触所述待测工件的接触部，所述接触部的用于接触所述待测工件的表面具有与所述待测工件贴合的曲率。

6.根据权利要求5所述的焊接残余应力的无损检测方法，其特征在于：

超声波在所述超声楔块中传播的速度比在所述待测工件中传播的速度慢。

7.一种在权利要求1的无损检测方法中采用的超声检测探头，其特征在于：

所述超声检测探头包括超声楔块和分别安装在所述超声楔块的两端的发射换能器、接收换能器，所述超声楔块具有接触所述待测工件的接触部，所述接触部的用于接触所述待测工件的表面具有与圆柱形的所述待测工件的表面相同的曲率。

8.根据权利要求7所述的超声检测探头，其特征在于：

所述超声楔块为哑铃状对称型结构，所述曲率沿所述超声楔块的长度方向或宽度方向形成。