CN111595938A - 构件残余应力梯度无损检测装置 - Google Patents

构件残余应力梯度无损检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN111595938A
CN111595938A CN201910672400.XA CN201910672400A CN111595938A CN 111595938 A CN111595938 A CN 111595938A CN 201910672400 A CN201910672400 A CN 201910672400A CN 111595938 A CN111595938 A CN 111595938A
Authority
CN
China
Prior art keywords
transmitting
receiving
transducer
channel
communicating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910672400.XA
Other languages
English (en)
Inventor
徐春广
尹鹏
李志向
卢钰仁
宋剑峰
宋文渊
栗双怡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201910672400.XA priority Critical patent/CN111595938A/zh
Priority to US16/897,414 priority patent/US11226246B2/en
Publication of CN111595938A publication Critical patent/CN111595938A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/043Analysing solids in the interior, e.g. by shear waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/25Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons
    • G01L1/255Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons using acoustic waves, or acoustic emission
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067Mechanical properties
    • B81B3/0072For controlling internal stress or strain in moving or flexible elements, e.g. stress compensating layers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/07Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/262Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by electronic orientation or focusing, e.g. with phased arrays
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/28Details, e.g. general constructional or apparatus details providing acoustic coupling, e.g. water
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/011Velocity or travel time
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023Solids
    • G01N2291/0234Metals, e.g. steel
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02872Pressure
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/0289Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042Wave modes
    • G01N2291/0421Longitudinal waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10Number of transducers
    • G01N2291/106Number of transducers one or more transducer arrays

Abstract

本申请涉及残余应力无损检测技术领域,尤其涉及一种构件残余应力梯度无损检测装置。该无损检测装置包括多组对称设置的发射换能器和接收换能器,越靠近对称轴的发射换能器的激励频率越大;与多组发射换能器和接收换能器耦合连接的声楔块,声楔块的发射连通区和接收连通区内分别穿过其顶面朝向其底面倾斜设有多组发射通道和接收通道,各发射换能器与各发射通道一一对应耦合连接,各接收换能器与各接收通道一一对应耦合连接,发射连通区及接收连通区底面压紧于被检测构件的表面;与发射换能器及接收换能器电连接的计算处理模块。该无损检测装置解决了无法同时检测构件不同渗透深度的残余应力值的问题。

Description

构件残余应力梯度无损检测装置
技术领域
本申请涉及残余应力无损检测技术领域,尤其涉及一种构件残余应力梯度无损检测装置。
背景技术
在对金属构件、复合材料构件的服役性能研究过程中,发现残余应力对其在强度、疲劳寿命和尺寸稳定性等服役性能方面具有较大影响,故关于对构件残余应力的检测方面的研究也十分重要。残余应力的检测分为无损检测、微损伤检测和有损伤检测三种,有损伤检测和微损伤检测都会或多或少的对被检测构件造成致命、难以恢复的损伤,而无损检测却可以做到在检测过程中不对被检测构件造成损害,具体可以采用超声波无损检测法,超声波无损检测法是利用声弹性理论来构件内部残余应力的,其基本原理是构件内的残余应力影响超声声波传播速度,如果是压缩残余应力,超声波速度会变快,如果是拉伸残余应力,超声波速度会变慢,根据此原理可以测得构件内的残余应力值。
然后,目前,在超声波无损检测法的应用中,还没有可以同时检测同一构件不同渗透深度的残余应力值的装置及方法,也无法同时获得同一构件不同梯度层的残余应力值的变化,就无法监测到构件内部的残余应力沿深度方向分布的变化情况,无法对构件内部残余应力的平衡状态进行监测和分析。
发明内容
本申请提供了一种构件残余应力梯度无损检测装置,以解决无法同时检测构件不同渗透深度的残余应力值的问题。
本申请所提供的一种构件残余应力梯度无损检测装置,包括:
多组发射换能器和接收换能器,彼此对称设置的一个所述发射换能器和一个所述接收换能器为一组,各组的对称轴重合,不同组的所述发射换能器的激励频率不同,越靠近所述对称轴的所述发射换能器的激励频率越大;
与多组所述发射换能器和所述接收换能器耦合连接的声楔块,
所述声楔块分为结构对称的发射连通区和接收连通区两部分,所述发射连通区和所述接收连通区内分别穿过其顶面朝向其底面倾斜设有多组顶面开口、底面封口的圆柱形的发射通道和接收通道,各所述发射通道的底面与所述发射连通区的底面的夹角和各所述接收通道的底面与所述接收连通区的夹角均为第一临界角,彼此对称设置的一个所述发射通道和一个所述接收通道为一组,多个所述发射换能器的发射端与多个所述发射通道的顶部一一对应耦合连接,多个所述接收换能器的接收端与多个所述接收通道的顶部一一对应耦合连接,
所述发射连通区及所述接收连通区的底面压紧于被检测构件的表面,二者接触面布满耦合剂;以及
与多组所述发射换能器及所述接收换能器电连接的计算处理模块,用于获取残余应力参数及计算残余应力大小。
与现有技术相比,本申请提供了多组不同激励频率的发射换能器和接收换能器,及与之一一对应耦合连接的声楔块的多组倾斜设置的发射通道和接收通道,可以同时得到该被检测构件不同渗透深度对应的残余应力大小,具体的,每组的发射换能器的发射端发射超声纵波穿过发射通道以第一临界角从声楔块底面入射到被检测构件表面产生超声临界折射纵波并进入到其内部一定的渗透深度,再穿过声楔块底面及通过接收通道被该组的接收换能器接收到,同时与该组的发射换能器及接受换能器电连接的计算处理模块获取到对应的残余应力参数,进而计算得到该被检测构件对应的渗透深度的残余应力大小,再进一步计算得出各梯度的残余应力大小。由于激励频率不同,超声纵波进入到被检测构件内部的渗透深度不同,具体的激励频率越大,渗透深度越小,本申请所提供的多组发射换能器和接收换能器及多组发射通道和接收通道可以同时分别获取被检测构件内部的不同渗透深度的残余应力,进而可以获取被检测构件内部不同梯度的残余应力。本申请所提供的构件残余应力梯度无损检测装置解决了无法同时检测构件不同渗透深度的残余应力值的问题。
进一步的,所述发射连通区底面所在的平面与所述接收连通区底面所在的平面位于同一平面上;或
所述发射连通区底面所在的平面与所述接收连通区底面所在的平面有角度的相交设置。
这样可以用于检测表面为平直结构的被检测构件或表面为平面但有拐角的被检测构件,且可以保证发射连通区及接收连通区的底面与被检测构件的表面压紧、贴合,保证检测结果的可靠性。
进一步的,各所述发射通道的延长线与所述发射连通区底面相交的区域,以及各所述接收通道的延长线与所述接收连通区底面相交的区域均设置为凸台结构,所述凸台结构的底面压紧于所述被检测构件的表面。
由于声楔块底面与被检测构件的接触面积较大时,就须涂抹较多的耦合剂,而较多的耦合剂所引起的耦合问题所导致的测量误差又比较严重,故须尽量减小声楔块底面与被检测构件的接触面积,故前述设置为凸台结构的做法可以在不减小入射超声纵波声束能量的前提下,而减小声楔块底面与被检测构件的接触面积,这样不仅可以提高耦合可靠性,还可以很大程度上减小被检测构件变形引入的误差问题。
更进一步的,所述凸台结构的底面为曲面。
这样可以用于检测表面为曲面结构的被检测构件,且可以保证发射连通区及接收连通区的底面与被检测构件的表面压紧、贴合,保证检测结果的可靠性。
进一步的,各所述发射通道及各所述接收通道的上部内侧壁设有环形螺纹,分别与其对应的所述发射换能器的发射端及所述接收换能器的接收端螺纹连接。
这样可以进一步实现各发射通道与各发射换能器之间的良好耦合以及各接收通道与各接收换能器之间的良好耦合。
更进一步的,各所述发射通道及各所述接收通道的下部内设有用于填充甘油的空腔。
一方面增强密封性,另一方面,甘油对超声纵波的透声性能优于空气对超声纵波的透声性能,可以提高超声纵波的透声性能,过滤掉其他超声横波等,使更多及能量更强的超声纵波通过该密封的充满甘油的空腔入射到被检测构件的表面及内部中,得到更准确的检测结果。
更进一步的,所述空腔的侧壁设有通气孔及设有封闭所述通气孔的密封件。
这样当空腔内注满甘油后,将发射换能器及接收换能器挤压耦合连接进发射通道及接收通道的过程中,部分溢出来的甘油可以从空腔的侧壁的通气孔流出,这样可以保证空腔内充满甘油,保证其密封性,及有效避免注油不充分而引起的空气泡,进而有效防止超声纵波通过空气传播,使其透声性能大打折扣的情况发生。
进一步的,距离所述对称轴最近的一组所述发射通道和所述接收通道之间设有一贯通所述声楔块顶面及底面的隔离腔,所述隔离腔的中心轴与所述对称轴重合,所述隔离腔内填充满磁铁材料。
充满磁铁材料的隔离腔可以起到很好的隔声作用,保证检测结果的准确性,有效防止第一接收换能器直接最短距离直线接收到送声楔块内部传递过来的声波信号,而导致接收到错误的被检测构件的残余应力参数,致使检测结果错误。
进一步的,至少一组所述发射通道的底面中点到所述接收通道的底面中点的距离为15mm-35mm。
该数据经过多次实验校正,可以使超声纵波的信号强度和应力分辨率达到较优效果,达到很好的的统一。
进一步的,所述声楔块采用有机玻璃材料制成。
这种有机玻璃材料易于加工,具有良好的机械性能,可以满足声楔块、的不同形状的加工要求;其衰减系数较合适,即对于通过它而进入被检测构件的声能衰减不甚严重,由有机玻璃材料制成的声楔块的另一个优点是与被检测构件的声耦合性好,通过适当的耦合剂,便能方便、稳定地实现声耦合。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的,并不能限制本申请。
附图说明
图1为本申请第一种实施例所提供的无损检测装置的第一发射换能器和第一接收换能器的使用状态图;
图2为本申请第一种实施例所提供的无损检测装置的第二发射换能器和第二接收换能器的使用状态图;
图3为本申请第一种实施例所提供的无损检测装置的第三发射换能器和第三接收换能器的使用状态图;
图4为本申请第二种实施例所提供的无损检测装置的第一发射换能器和第一接收换能器的使用状态图;
图5为本申请第二种实施例所提供的无损检测装置的第二发射换能器和第二接收换能器的使用状态图;
图6为本申请第二种实施例所提供的无损检测装置的第三发射换能器和第三接收换能器的使用状态图;
图7为本申请第三种实施例所提供的无损检测装置的第一发射换能器和第一接收换能器的使用状态图;
图8为本申请第三种实施例所提供的无损检测装置的第二发射换能器和第二接收换能器的使用状态图;
图9为本申请第三种实施例所提供的无损检测装置的第三发射换能器和第三接收换能器的使用状态图;
图10为本申请第四种实施例所提供的无损检测装置的使用状态图;
图11为本申请第五种实施例所提供的无损检测装置的使用状态图。
附图标记:
11-第一发射换能器;
12-第二发射换能器;
13-第三发射换能器;
21-第一接收换能器;
22-第二接收换能器;
23-第三接收换能器;
30-声楔块;
31-发射连通区;
311-第一发射通道;
312-第二发射通道;
313-第三发射通道;
32-接收连通区;
321-第一接收通道;
322-第二接收通道;
323-第三接收通道;
33-凸台结构;
34-隔离腔;
2-被检测构件。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
如图1-11所示,本申请实施例提供了一种构件残余应力梯度无损检测装置(以下简称无损检测装置),包括多组发射换能器和接收换能器,该发射换能器和具体可以是一种超声波换能器,超声波换能器是将输入的电功率转换为机械功率(即超声波)再传递出去,而自身消耗很少一部分功率的设备,该发射换能器具体可以是一种可以发射超声纵波的超声波换能器,该接收换能器具体可以是一种能够接收超声临界折射纵波并转换为电信号的超声波换能器。彼此对称设置的一个发射换能器和一个接收换能器为一组,各组的对称轴重合,不同组的发射换能器的激励频率不同,越靠近对称轴的发射换能器的激励频率越大,以具体包括三组发射换能器和接收换能器为例,进行具体说明,沿远离对称轴的一个方向可依次设有第一发射换能器11、第二发射换能器12和第三发射换能器13,沿远离对称轴的另一方向可依次设有第一接收换能器21、第二接收换能器22和第三接收换能器23,该第一发射换能器11的激励频率大于该第二发射换能器12的激励频率,该第二发射换能器12的激励频率大于该第三发射换能器13的激励频率,具体的,该第一发射换能器11的激励频率可以为10MHz,该第二发射换能器12的激励频率可以为5MHz,该第三发射换能器13的激励频率可以为2.5MHz。
本申请实施例所提供的无损检测装置还包括与前述的多组发射换能器和接收换能器耦合连接的声楔块30,为了在被检测构件2中可以得到良好的波形和足够的声能,该声楔块30的材料的声阻抗要与被检测构件2的声阻抗匹配,并且应有较低的声衰减率,且纵波在其中传播的声速应低于在被检测构件2中的纵波声速;再有,该声楔块30的材料还应具有良好的机械性能,以满足声楔块30的不同形状的加工要求;基于此,该声楔块30可以采用有机玻璃制作,有机玻璃的化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯,是由甲基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物。这种材料易于加工,其衰减系数较合适,即对于通过它而进入被检测构件2的声能衰减不甚严重,由有机玻璃材料制成的声楔块30的另一个优点是与被检测构件2的声耦合性好,通过适当的耦合剂,便能方便、稳定地实现声耦合。
前述的声楔块30可以分为结构对称的发射连通区31和接收连通区32两部分,该发射连通区31和该接收连通区32内分别穿过其顶面朝向其底面倾斜设有多组顶面开口、底面封口的圆柱形的发射通道和接收通道,该圆柱形的发射通道和接收通道的顶面与底面平行,各发射通道的底面与发射连通区的底面的夹角和各接收通道的底面与接收连通区的夹角均为第一临界角,彼此对称设置的一个发射通道和一个接收通道为一组,各发射通道及各接收通道的长度可以均相等或者,各发射通道的底面到发射连通区31的距离及各接收通道的底面到接收连通区32的距离均相等,从而可保证声程L不变,进而保证超声纵波的声衰减相同;优选的,该长度可以为25mm±10mm,即15mm-35mm之间,该数据经过多次实验校正,可以使超声纵波的信号强度和应力分辨率达到较优效果,达到很好的的统一。
前述的多个发射换能器的发射端与多个发射通道的顶部一一对应耦合连接,多个接收换能器的接收端与多个接收通道的顶部一一对应耦合连接。具体的,可以包括三组发射通道和接收通道为例,进行具体说明,于发射连通区31内沿远离对称轴的方向可依次设有第一发射通道311、第二发射通道312和第三发射通道313,于接收连通区32内沿远离对称轴的方向可依次设有第一接收通道321、第二接收通道322和第三接收通道323。该发射连通区31及该接收连通区32的底面压紧于被检测构件2的表面,且二者接触面布满耦合剂,优选的,各发射通道的延长线与发射连通区底面相交的区域,以及各接收通道的延长线与接收连通区底面相交的区域均设置为凸台结构33,该凸台结构33的底面可以均匀涂满耦合剂,该底面压紧于被检测构件2的表面。由于声楔块30底面与被检测构件2的接触面积较大时,须涂抹较多的耦合剂,而较多的耦合剂所引起的耦合问题所导致的测量误差又比较严重,故须尽量减小声楔块30底面与被检测构件2的接触面积,故设置为凸台结构33的做法可以在不减小入射超声纵波声束能量的前提下,而减小声楔块30底面与被检测构件2的接触面积,这样不仅可以提高耦合可靠性,还可以很大程度上减小被检测构件2变形引入的误差问题。
本申请实施例所提供的无损检测装置还包括与前述的多组发射换能器及接收换能器电连接的计算处理模块,该计算处理模块用于获取残余应力参数(具体可以是超声传播时间参数)及计算残余应力大小。具体的,根据Snell定律,本申请实施例所提供的无损检测装置的每组的发射换能器的发射端发射超声纵波穿过声楔块30中对应的发射通道以第一临界角从声楔块30底面入射到被检测构件2表面产生超声临界折射纵波(LCR波)并进入到其内部一定的渗透深度,再穿过声楔块30底面及通过接收通道被该组的接收换能器接收到,同时与该组的发射换能器及接受换能器电连接的前述的计算处理模块可获取到对应的残余应力参数,具体可以是超声传播时间参数,进而计算可以得到该被检测构件2对应的渗透深度的残余应力大小,多组发射换能器和接收换能器及多组发射通道和接收通道可以同时分别获取被检测构件2内部的不同渗透深度的残余应力,进而可以获取被检测构件2内部不同梯度的残余应力。
具体的,首先,根据声弹性原理,即被检测构件2中的残余应力会影响超声纵波传播速度,当残余应力方向与超声纵波方向一致时,拉伸应力会使超声纵波传播速度v变慢或者传播时间t延长,压缩应力会使超声纵波传播速度v加快或者传播时间t缩短。那么,当每组的发射换能器与该组的接收换能器之间的距离不变的情况下,或者声程L不变的情况下,先测得零应力试块的超声传播时间t0,再测得被检测构件2的超声传播时间t,然后根据二者的时间差就可以计算出被检测构件2的残余应力值σ,对应计算公式(1)为
σ-σ0=K(t-t0) (1)
其中,σ为被检测构件的残余应力值;σ0为零应力试块的应力值,即为0;t为被检测构件的超声传播时间t;t0为零应力试块的超声传播时间,K为应力系数,与被检测构件的材料及发射换能器与接收换能器之间的距离有关,可通过拉伸试验标定获得。
前述零应力试块需要采用与被检测构件2的金相组织状态和表面粗糙度相同的材料,该零应力试块的超声传播时间t0可以通过超声波记录检测仪获得。前述实施例所提到的计算处理模块就是通过上述原理设计的,将零应力试块的超声传播时间t0输入到该计算处理模块中,就可以得出被检测构件2的各位置的残余应力值了。
按目前常用的超声换能器的中心频率(即激励频率)f=0.5~25MHz为例,LCR波渗透深度D与中心频率f满足如下计算公式(2):
D=αs×f-0.96 (2)
其中,D为渗透深度(mm);f为超声换能器中心频率(MHz);αs为渗透深度修正系数,无量纲,例如经过试验得到,钢:5.90;铝:6.40;铜:4.81。
根据上述的计算公式(1)及计算公式(2),和第一发射换能器11、第二发射换能器12和第三发射换能器13的中心频率f1、f2和f3以及各组对应的超声传播时间t1、t2和t3,可分别得出各组的残余应力值σ1、σ2和σ3及各组的渗透深度D1、D2和D3。再通过进一步计算就可以确定垂直于材料表面方向的各梯度D1、D1-2和D2-3对应的各残余应力梯度σ1、σ1-2和σ2-3了。
其中,D1-2深度的残余应力σ1-2的计算公式(3-1)可以为:
Figure BDA0002142142480000091
由于一般情况下,声程L和换能器晶片直径d不变,因此式(3-1)可简化为:
Figure BDA0002142142480000101
同理,D2-3深度的残余应力σ2-3的计算公式(3-3)可以为:
Figure BDA0002142142480000102
以此类推,若有发射换能器的中心频率从大到小为f1、f2…fn,则对应的检测深度分别为D1、D2…Dn。任意深度梯度Di-j处的残余应力σi-j的计算公式为:
Figure BDA0002142142480000103
与现有技术相比,本申请实施例提供了多组不同激励频率的发射换能器和接收换能器,及与之一一对应耦合连接的声楔块的多组倾斜设置的发射通道和接收通道,可以同时得到该被检测构件2不同渗透深度对应的残余应力大小以及不同渗透深度梯度的残余应力大小。由于激励频率不同,超声纵波进入到被检测构件内部的渗透深度不同,具体的激励频率越大,渗透深度越小,多组发射换能器和接收换能器及多组发射通道和接收通道可以同时分别获取被检测构件内部的不同渗透深度的残余应力,进而可以获取被检测构件内部不同梯度的残余应力。本申请实施例所提供的无损检测装置解决了无法同时检测构件不同渗透深度的残余应力值的问题,还能够同时检测构件不同渗透深度梯度的残余应力值。
如图1-3所示,为本申请所提供的第一种实施例,该发射连通区31的底面所在的平面与该接收连通区32底面所在的平面位于同一平面上,这样可以用于检测表面为平直结构的被检测构件2,且可以保证发射连通区31及接收连通区32的底面与被检测构件2的表面压紧、贴合,保证检测结果的可靠性。
该发射连通区31的底面所在的平面与该接收连通区32底面所在的平面也可以有角度的相交设置。如图4-6所示,为本申请所提供的第二种实施例,该发射连通区31的底面所在的平面与该接收连通区32底面所在的平面相交的角度为90度,这样可以用于检测表面为平面但有垂直拐角的被检测构件2,且可以保证发射连通区31及接收连通区32的底面与被检测构件2的表面压紧、贴合,保证检测结果的可靠性。如图7-9所示,为本申请所提供的第三种实施例,该发射连通区31的底面所在的平面与该接收连通区32底面所在的平面相交的角度为钝角,这样可以用于检测表面为平面但有钝角拐角的被检测构件2,且可以保证发射连通区31及接收连通区32的底面与被检测构件2的表面压紧、贴合,保证检测结果的可靠性。
该声楔块30的底面也可以为曲面,也就是前述的凸台结构33的底面可以为曲面。这样可以用于检测表面为曲面结构的被检测构件2,且可以保证发射连通区31及接收连通区32的底面与被检测构件2的表面压紧、贴合,保证检测结果的可靠性。如图10所示,为本申请所提供的第四种实施例,该被检测构件2的表面为上凸曲面,如图11所示,为本申请所提供的第五种实施例,该被检测构件2的表面为上下凹曲面。
通过前述的五种实施例可知,本申请所提供的声楔块30的底面结构可以根据被检测构件2的表面的结构特点来对应制作,以保证声楔块30的底面与被检测构件2的表面压紧、贴合,保证检测结果的可靠性。
为了实现各发射通道与各发射换能器之间的良好耦合以及各接收通道与各接收换能器之间的良好耦合,可以在各发射通道及各接收通道的上部内侧壁设有环形螺纹,分别与对应的发射换能器的发射端及接收换能器的接收端螺纹连接。
为了进一步的保证各发射通道和各接收通道的良好的密封效果,可以在其内填充满甘油,具体可以在各发射通道及各接收通道的下部内设有用于填充甘油的空腔。在发射通道及接收通道与发射换能器及接收换能器耦合连接之前,将甘油注入至该空腔内,并将其填满之后再将发射换能器及接收换能器挤压进发射通道及接收通道并与之耦合连接,这样可以使耦合连接的密封效果更好。一方面增强密封性,另一方面,甘油对超声纵波的透声性能优于空气对超声纵波的透声性能,可以提高超声纵波的透声性能,过滤掉其他超声横波等,使更多及能量更强的超声纵波通过该密封的充满甘油的空腔入射到被检测构件2的表面及内部中,得到更准确的检测结果。进一步的,该空腔的侧壁还可以设有通气孔及设有封闭该通气孔的密封件,这样当空腔内注满甘油后,将发射换能器及接收换能器挤压耦合连接进发射通道及接收通道的过程中,部分溢出来的甘油可以从空腔的侧壁的通气孔流出,这样可以保证空腔内充满甘油,保证其密封性,及有效避免注油不充分而引起的空气泡,进而有效防止超声纵波通过空气传播,使其透声性能大打折扣的情况发生。
再一种优选的实施例是,距离对称轴最近的一组发射通道和接收通道之间,也就是第一发射通道311与第一接收通道321之间可设有一贯通该声楔块30的顶面及底面的隔离腔34,该隔离腔34的中心轴与对称轴重合,该隔离腔34内可填充满磁铁材料。充满磁铁材料的隔离腔34可以起到很好的隔声作用,保证检测结果的准确性,有效防止第一接收换能器21直接最短距离直线接收到送声楔块30内部传递过来的声波信号,而导致接收到错误的被检测构件2的残余应力参数,致使检测结果错误。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种构件残余应力梯度无损检测装置,其特征在于,包括:
多组发射换能器和接收换能器,彼此对称设置的一个所述发射换能器和一个所述接收换能器为一组,各组的对称轴重合,不同组的所述发射换能器的激励频率不同,越靠近所述对称轴的所述发射换能器的激励频率越大;
与多组所述发射换能器和所述接收换能器耦合连接的声楔块,
所述声楔块分为结构对称的发射连通区和接收连通区两部分,所述发射连通区和所述接收连通区内分别穿过其顶面朝向其底面倾斜设有多组顶面开口、底面封口的圆柱形的发射通道和接收通道,各所述发射通道的底面与所述发射连通区的底面的夹角和各所述接收通道的底面与所述接收连通区的夹角均为第一临界角,彼此对称设置的一个所述发射通道和一个所述接收通道为一组,多个所述发射换能器的发射端与多个所述发射通道的顶部一一对应耦合连接,多个所述接收换能器的接收端与多个所述接收通道的顶部一一对应耦合连接,
所述发射连通区及所述接收连通区的底面压紧于被检测构件的表面,二者接触面布满耦合剂;以及
与多组所述发射换能器及所述接收换能器电连接的计算处理模块,用于获取残余应力参数及计算残余应力大小。
2.根据权利要求1所述的无损检测装置,其特征在于,
所述发射连通区底面所在的平面与所述接收连通区底面所在的平面位于同一平面上;或
所述发射连通区底面所在的平面与所述接收连通区底面所在的平面有角度的相交设置。
3.根据权利要求2所述无损检测装置,其特征在于,
各所述发射通道的延长线与所述发射连通区底面相交的区域,以及各所述接收通道的延长线与所述接收连通区底面相交的区域均设置为凸台结构,所述凸台结构的底面压紧于所述被检测构件的表面。
4.根据权利要求3所述的无损检测装置,其特征在于,
所述凸台结构的底面为曲面。
5.根据权利要求1所述的无损检测装置,其特征在于,
各所述发射通道及各所述接收通道的上部内侧壁设有环形螺纹,分别与其对应的所述发射换能器的发射端及所述接收换能器的接收端螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的无损检测装置,其特征在于,
各所述发射通道及各所述接收通道的下部内设有用于填充甘油的空腔。
7.根据权利要求6所述的无损检测装置,其特征在于,
所述空腔的侧壁设有通气孔及设有封闭所述通气孔的密封件。
8.根据权利要求1所述的无损检测装置,其特征在于,
距离所述对称轴最近的一组所述发射通道和所述接收通道之间设有一贯通所述声楔块顶面及底面的隔离腔,所述隔离腔的中心轴与所述对称轴重合,所述隔离腔内填充满磁铁材料。
9.根据权利要求1所述的无损检测装置,其特征在于,
至少一组所述发射通道的底面中点到所述接收通道的底面中点的距离为15mm-35mm。
10.根据权利要求1所述的无损检测装置,其特征在于,
所述声楔块采用有机玻璃材料制成。
CN201910672400.XA 2019-07-24 2019-07-24 构件残余应力梯度无损检测装置 Pending CN111595938A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910672400.XA CN111595938A (zh) 2019-07-24 2019-07-24 构件残余应力梯度无损检测装置
US16/897,414 US11226246B2 (en) 2019-07-24 2020-06-10 Non-destructive detecting device for component residual stress gradient

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910672400.XA CN111595938A (zh) 2019-07-24 2019-07-24 构件残余应力梯度无损检测装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111595938A true CN111595938A (zh) 2020-08-28

Family

ID=72181215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910672400.XA Pending CN111595938A (zh) 2019-07-24 2019-07-24 构件残余应力梯度无损检测装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11226246B2 (zh)
CN (1) CN111595938A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112414601A (zh) * 2020-11-18 2021-02-26 北京理工大学 宽频超声换能器
WO2022088336A1 (zh) * 2020-10-29 2022-05-05 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种测量薄膜不同方向应力梯度的方法
CN114509196A (zh) * 2022-01-18 2022-05-17 北京理工大学 曲轴残余应力检测装置

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109307568B (zh) * 2018-11-16 2021-03-02 北京理工大学 焊接残余应力的无损检测方法及采用该方法的探头
CN116295987B (zh) * 2023-01-29 2023-10-24 哈尔滨工业大学 一种基于空气耦合超声的高空间分辨率应力动态测量方法
CN116105905B (zh) * 2023-02-03 2023-11-03 保利长大工程有限公司 基于桥梁冲击钻施工系统使用的施工平台应力验算系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103018325A (zh) * 2011-09-22 2013-04-03 北京理工大学 曲面钢板残余应力超声检测收发装置
CN105203638A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法
CN106679872A (zh) * 2017-01-25 2017-05-17 大连理工大学 一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法
CN106813819A (zh) * 2017-04-05 2017-06-09 西南交通大学 一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法
CN106872088A (zh) * 2017-03-09 2017-06-20 中国石油大学(华东) 适应不同曲面的超声应力检测探头装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4564286B2 (ja) * 2004-06-14 2010-10-20 株式会社東芝 3次元超音波画像化装置
CN103018326A (zh) * 2012-11-29 2013-04-03 北京理工大学 接触式超声无损检测直线自动扫查装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103018325A (zh) * 2011-09-22 2013-04-03 北京理工大学 曲面钢板残余应力超声检测收发装置
CN105203638A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于Lcr波法的钢构件绝对应力沿深度分布检测方法
CN106679872A (zh) * 2017-01-25 2017-05-17 大连理工大学 一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法
CN106872088A (zh) * 2017-03-09 2017-06-20 中国石油大学(华东) 适应不同曲面的超声应力检测探头装置
CN106813819A (zh) * 2017-04-05 2017-06-09 西南交通大学 一种超声波法测量曲面工件残余应力的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
宋文涛等: "超声法的残余应力场无损检测与表征", 《机械设计与制造》 *
潘学勤等: "基于超声技术的齿轮残余应力测量方法研究", 《兵工学报》 *
贺文雄: "《焊接生产》", 31 August 2014, 哈尔滨工业大学出版社 *
铁路职工岗位培训教材编审委员会编著: "《铁路探伤工 钢轨探伤》", 30 September 2014, 中国铁道出版社 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022088336A1 (zh) * 2020-10-29 2022-05-05 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种测量薄膜不同方向应力梯度的方法
CN112414601A (zh) * 2020-11-18 2021-02-26 北京理工大学 宽频超声换能器
CN114509196A (zh) * 2022-01-18 2022-05-17 北京理工大学 曲轴残余应力检测装置

Also Published As

Publication number Publication date
US11226246B2 (en) 2022-01-18
US20210025769A1 (en) 2021-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111595938A (zh) 构件残余应力梯度无损检测装置
US8661904B2 (en) Method for investigating a structure for receiving and/or conducting a liquid or soft medium
Castaings et al. Single sided inspection of composite materials using air coupled ultrasound
US3512400A (en) Ultrasonic testing method
US4173139A (en) Ultrasonic reference standard and the methods of construction and use thereof
CN107478728B (zh) 一种复合绝缘子的无损检测方法
KR101878273B1 (ko) 초음파 탐침
WO2003081226A2 (en) Ultrasonic detection of porous medium characteristics
CN103983699A (zh) 一种柔性梳状声表面波相控阵换能器
CN102865279A (zh) 一种具有拉应力和缺陷自检测功能的螺栓
US9689846B2 (en) Device and method for determining properties of a medium
Cawley et al. The use of large ultrasonic transducers to improve transmission coefficient measurements on viscoelastic anisotropic plates
KR100844173B1 (ko) 과실의 물성 측정을 위한 초음파 탐촉자
US10794867B2 (en) System and method of diagnosing tube sensor integrity by analysis of excited stress waves
KR101191364B1 (ko) 비선형 평가 시스템 및 장치
CN210665625U (zh) 一种具有高灵敏度的双晶复合超声探头
JP7297293B2 (ja) 空中超音波検査装置
Huang et al. Stiffness measurement and defect detection in laminated composites by dry-coupled plate waves
KR20200075492A (ko) 표면파를 이용한 표면응력 추정 장치 및 그 방법
CN216792125U (zh) 超声波斜探头
GB2217952A (en) Piezo-electric transducer test apparatus
CN213658137U (zh) 一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置
Yan et al. Delamination defect detection using ultrasonic guided waves in advanced hybrid structural elements
CN1563973A (zh) 岩石力学试验纵横波测量换能器
CN114544778A (zh) 一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备和方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200828