CN111623913B - 一种铝合金残余应力无损检测方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铝合金残余应力无损检测方法，涉及无损检测技术领域，通过分别制备平行和垂直铝合金主变形方向的近零残余应力样品，对样品进行不同退火处理，建立样品的退货状态‑电导率数据库以及建立第一应力‑声时差数据库和第二应力‑声时差数据库，然后对实际待进行残余应力无损检测的铝合金进行电导率检测，并在退火状态‑电导率数据库中获得相应的退火状态，将退火状态输入第一应力‑声时差数据库和第二应力‑声时差数据库获取相应的应力‑声时差曲线，采集铝合金被检测位置平行和垂直铝合金主变形方向的声时差数据，最后将采集的声时差数据带入应力‑声时差曲线以获得相应的残余应力。本发明能够实现高精度、可重复的无损检测。

Description

一种铝合金残余应力无损检测方法及设备
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种铝合金残余应力无损检测方法及设备。
背景技术
铝合金由于密度小、比强度高、断裂韧性高、耐蚀性能好、耐损伤容限高等优点，广泛应用于航空、航天领域。铝合金材料在坯料生产、零件加工和服役过程中，由于温度场、力场等外界因素可能产生不同类型、不同程度的残余应力。残余应力是导致形位公差、机加工变形和材料服役过程材料脆性断裂的主要原因，引起工程界的广泛重视。使用无损检测方法快速、便捷地测量铝合金材料的残余应力是制定低残余应力制造和服役方案的基础。目前应用于残余应力检测的无损检测方法有超声波法、X射线法、硬X射线方法、中子射线法。X射线法虽然也能在无损的条件下进行残余应力检测，但其穿透深度较浅，只能检测表面微米级的范围，而且需要对材料表面进行特殊处理才能进行检测。硬X射线方法和中子射线法虽然穿透能力强，但是需要使用大型设备进行检测，且由于这些射线的当量对人体健康达到危害的等级，需要对相关人员进行妥当的保护，现场工程化应用不够便捷。超声波残余应力检测方法对人体无害，且检测速度快、检测可重复性高、操作简单，是一种拥有巨大工程应用潜力的残余应力检测方法。
现有的超声波残余应力检测技术应用最广泛的是超声临界折射纵波检测技术。该技术利用超声波在金属中传播的声弹性原理进行残余应力检测。当一束纵波从耦合剂入射至金属时，在界面上会发生折射现象，折射出一束纵波和一束横波。根据斯涅耳定律，当入射角等于第一临界角时，折射出的纵波将会沿着金属表面传播。该纵波即是临界折射纵波。根据经典的7个“声弹性-应力”方程式和大量实验数据表明：纵波声速的变化速率对同方向的应力的变化速率最敏感，是表征残余应力的优选波型。纵波声速的变化速率对垂直超声波传播方向的应力变化速率敏感度远低于平行超声波传播方向的应力变化速率。因此，改变临界折射纵波的传播方向，可以有效地表征不同方向的残余应力。
铝合金在加工过程，特别是在焊接过程中，由于受到焊接热场的影响，残余应力分布和铝合金组织会发生显著的变化。焊接接头可以分成焊缝区、熔合区、热影响区、基材区。在热影响区受焊接热的温度和持续时间的影响程度不同，铝合金微观组织可能会经历“位错迁移-多边形化-形成亚晶(回复组织)-再结晶(等轴晶)-晶粒长大”的过程。使用呈梯度的热处理方案对多个铝合金基材分别进行热处理，可以获得热影响区的组织受焊接热影响的呈梯度变化的组织。
现有技术使用超声临界折射纵波在金属中传播的速度来表征金属表面的残余应力。一般情况下，与接近零残余应力的试块相比，金属表面呈压应力时，临界折射纵波的传播速度提高。反之，当金属表面呈拉应力时，临界折射纵波的传播速度降低。应用临界折射纵波声速变化检测残余应力的具有代表性的发明专利包括：CN201210106043-《一种基于表面超声波测定薄镀层残余应力的方法》、CN201310533626-《一种铝合金预拉伸板残余应力水浸超声检测方法》、CN201310662035-《一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置》。通过改变耦合方式产生的基于临界折射纵波残余应力检测原理的新方法有：CN201510600460-《一种超声水浸无损评价残余应力的方法》、CN201710056226-《一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法》。
为了检测曲表面的残余应力，还在平表面临界折射纵波检测技术的基础上进行了一系列改进，其中具有代表性的发明专利包括：CN201510801844-《一种可调节声束角及测试区域的超声波应力检测设备》、CN201610007332-《一种大曲率构件表层残余应力短声程超声无损探头》、CN201610009044-《一种扭转残余应力超声无损检测方法》。
但是，实际工程应用时由于铝合金材料经历的加工方法和服役历史不同，会产生金属微观组织上的差异。而微观组织的差异也会导致超声临界折射纵波声速的差异，从而影响临界折射纵波残余应力检测方法的准确性。因此，技术人员尝试采用了多种方法对材料组织导致的声速变化进行数据补偿，从而获得更精确的残余应力检测结果。其中，包括CN201610200334-《一种可修正析出相量差异影响的超声波残余应力测试方法》、CN201610201042-《一种可修正晶粒度差异影响的超声波残余应力测试方法》、CN201610201073-《一种超声波残余应力测试方法及设备》、CN201610343184-《一种可修正微观组织差异影响的超声波残余应力测量方法》。这些发明专利利用超声波在金属传播过程中的衰减量来表征组织的差异，通过大量的实验来寻找晶粒度、组织析出相对临界折射纵波声速的影响规律，从而实现对工程上使用临界折射纵波测量获得的数据进行修正(补偿)。
现有技术使用的超声波衰减量测量修正(补偿)技术除了受微观组织影响，还受被检测表面质量、探头压紧力大小等因素影响，导致修正(补偿)的效果受到影响，难以满足人们日益高标准的需求。基于此，一种新的铝合金残余应力无损检测方法成为需求。
发明内容
针对以上不足，本发明提供一种铝合金残余应力无损检测方法，能够实现高精度、可重复的无损检测。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝合金残余应力无损检测方法，包括以下步骤：
S1、制备平行铝合金主变形方向A的近零残余应力样品，共n+1组，分别命名为A0，A1，A2，A3，......，An-1，An；
S2、制备不同退火状态的样品，将步骤S1中制备的近零残余应力样品A0，A1，A2，A3，......，An-1，An按照以下制度进行退火：Ax样品的保温温度为T0，热处理保温时间为x*t0，t0为自定义单位时间，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，n-1，n，热处理结束后的样品命名为A0’，A1’，A2’，A3’，......，An-1’，An’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn；
S3、建立退火状态-电导率数据库，使用涡流电导率仪对步骤S2制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，Gn-1，Gn，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库；
S4、对步骤S2制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第一应力-声时差数据库，对A0’，A1’，A2’，A3’，......，An-1’，An’样品分别进行0～αMPa等差拉伸力加载，其中α为对应样品的屈服极限，获得对应A0’，A1’，A2’，A3’，......，An-1’，An’的共n+1条应力-声时差曲线，命名为A0”，A1”，A2”，A3”，......，An-1”，An”；
S5、制备垂直铝合金主变形方向B的近零残余应力样品，共n+1组，分别命名为B0，B1，B2，B3，......，Bn-1，Bn；
S6、制备不同退火状态的样品，将步骤S5中制备的近零残余应力样品B0，B1，B2，B3，......，Bn-1，Bn按照以下制度进行退火：Bx样品的保温温度为T0，热处理保温时间为x*t0，t0为自定义单位时间，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，n-1，n，热处理结束后的样品命名为B0’，B1’，B2’，B3’，......，Bn-1’，Bn ’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn；
S7、使用涡流电导率仪对步骤S6制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，Gn-1，Gn，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库；
S8、对步骤S6制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第二应力-声时差数据库，对B0’，B1’，B2’，B3’，......，Bn-1’，Bn’样品分别进行0～αMPa等差拉伸力加载，其中α为对应样品的屈服极限，获得对应B0’，B1’，B2’，B3’，......，Bn-1’，Bn’的共n+1条应力-声时差曲线，命名为B0”，B1”，B2”，B3”，......，Bn-1”，Bn”；
S9、使用涡流电导率检测仪器对待进行残余应力无损检测的铝合金进行电导率检测，并将检测到的电导率值输入退火状态-电导率数据库中获得相应的退火状态，命名为P检x，当进行残余应力无损检测的铝合金测得的电导率值处于退火状态-电导率数据库中两个电导率值之间时采用插值法获得P检x；
S10、将步骤S9获得的P检x分别输入第一应力-声时差数据库和第二应力-声时差数据库，并调取对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线和垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线，对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Ax应力-声时差曲线，对应垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Bx应力-声时差曲线；
S11、使用超声临界折射纵波采集铝合金被检测位置平行铝合金主变形方向的声时差数据A-Δtx和垂直铝合金主变形方向的声时差数据B-Δtx；
S12、将A-Δtx代入Ax应力-声时差曲线获得残余应力A-σx，将B-Δtx代入Bx应力-声时差曲线获得残余应力B-σx。
值得注意的是，由于使用涡流电导率仪测量出来的电导率值仅与退火制度有关，而与取样方向无关，平行铝合金主变形方向的A组样品与垂直铝合金主变形方向的B组样品可以共用一个退火状态-电导率数据库，以便于数据的存储、调用和查阅等。
进一步地，制备近零残余应力样品的方法为去应力退火、振动时效、高能超声波声束、机械拉伸、拉弯矫直中的一种方法或几种方法复合进行残余应力的消减。
进一步地，当为焊后铝合金残余应力无损检测时，n个退火制度制备的铝合金组织应与n个至焊缝不同距离位置的铝合金组织相对应，其中，An’的组织与焊缝热影响区最靠近焊缝的位置的组织相同，A0’的组织与基材区的组织相同。
进一步地，涡流电导率仪使用试块标称值范围能够覆盖被检测铝合金材料的电导率数值的2～4块电导率试块进行校准，校准间隔时间≤15min。
进一步地，电导率试块为4块，第1块的电导率数值为16.5±3.0％IACS；第2块的电导率数值为29.5±3.0％IACS；第3块的电导率数值为41.0±3.0％IACS，第4块的电导率数值为59.5±3.0％IACS。
进一步地，n+1组平行铝合金主变形方向的近零残余应力样品中，每组有3～10个平行样品，相应的测试结果取算术平均值；n+1组垂直铝合金主变形方向的近零残余应力样品中，每组有3～10个平行样品，相应的测试结果取算术平均值。
进一步地，使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立应力-声时差数据库的拉伸力加载的范围为0～350MPa；拉伸力加载值为Y*N MPa，其中，N为自然数，Y的数值范围为5～30；在加载不同拉伸力于样品时，临界折射纵波探头在有充分耦合的条件下贴合在样品表面上。
进一步地，使用涡流电导率仪对样品进行电导率检测时，探头、仪器、试块处于同一温度条件下。
进一步地，探头、仪器、试块的温度差异≤±0.2℃；当温度存在差异时，使用温度补偿进行数据修正，当温度差异＞1.0℃时，将三者置于同一环境等待三者温度差异≤1℃时，再进行检测和数据修正。
本发明还提供一种实现上述铝合金残余应力无损检测方法的超声波残余应力检测设备，包括有机玻璃楔块以及相应位于所述机玻璃楔块的顶面两侧的超声波发射探头和超声波接收探头，所述有机玻璃楔块的底部在对应所述超声波发射探头和超声波接收探头的位置处一体成型地设置有凸台，所述凸台的外周上设有胶环，所述胶环与凸台之间具有间隙，所述有机玻璃楔块的底部开设有凹槽，所述凹槽上盖设有密封板以形成一条通道，通道连通所述胶环与凸台之间的间隙，所述有机玻璃楔块自顶部开设有连通所述凹槽的通孔，所述通孔的顶端敞口处连接有软管，所述软管的另一端连接有水泵。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明使用涡流电导率检测技术对铝合金被检测件与铝合金参考试块的组织差异进行修正(补偿)，并充分考虑铝合金金属流线对残余应力检测精度的影响而采用了独特的应力标定方法，从而提高了残余应力无损检测的准确性和可重复性；本发明采用涡流电导率检测技术对铝合金的组织进行检测，通过实验寻找出的对应规律，实现对声速直接测量获得的残余应力数据进行修正补偿；涡流电导率检测技术在合金组织差异表征上已经广泛的应用，检测灵敏度高，稳定性好；与现有技术采用超声波衰减量表征铝合金组织差异相比，涡流电导率检测方法在表征铝合金组织差异上具有更大的工程数据量和理论依据支持，在工程应用时具有更优秀的准确性和可重复性；
2、本发明充分考虑到即使在残余应力水平完全相同的条件下，超声波传播方向平行于晶粒延长方向的声速和超声波传播方向垂直于晶粒延长方向的声速存在显著差异，因此，本发明根据铝合金材料的成形特点，从平行主变形方向(金属流线方向)和垂直主变形方向两个方向分别取样制备样品，分别标定平行主变形方向和垂直主变形方向的零残余应力；本发明从技术上充分考虑了铝合金在压力加工后晶粒形状对不同方向传播的超声临界纵波声速的影响，使残余应力检测的准确度进一步提高；
3、现有技术制作应力-声时差曲线时，每个合金仅使用退火状态的试样制备一条曲线；而本发明充分考虑了诸如焊接等过程高温对铝合金组织的影响，创新性地使用退火热处理制备N个模拟热影响区不同位置的样品，制作N条应力-声时差曲线，从而获得更准确的残余应力检测结果；
4、本发明在铝合金焊缝的残余应力无损检测领域应用有独特优势，当铝合金材料焊接过程中，如MIG焊、TIG焊、搅拌摩擦焊，都不可避免地对焊缝附近的铝合金材料产生退火效应，这种退火效应改变铝合金材料的弹性模量和泊松比等物理性质，因此对基于“声弹性原理”的超声临界折射纵波技术测量的残余应力值有显著的影响；本发明采用基于涡流电导率检测方法可以有效地识别焊缝周围的热影响区的退火状态；
5、本发明提供的实现铝合金残余应力无损检测方法的超声波残余应力检测设备，通过水泵和软管持续将耦合剂输送到机玻璃楔块底部，以维持机玻璃楔块与待检测铝合金的良好耦合，解决了传统的人工添加耦合剂的方式时长因为探头移动或耦合剂流动导致探头所在区域的耦合剂不足而导致检测精度下降的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为超声波残余应力检测设备的使用示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本优选的实施例提供一种铝合金残余应力无损检测方法，包括以下步骤：
S1、制备平行铝合金主变形方向A的近零残余应力样品，共20组，分别命名为A0，A1，A2，A3，......，A18，A19；每组样品的数量为5个平行样品，最终结果为平行样品测试结果的算术平均值。样品形状为哑铃形，样品厚度为20mm，总长度为240mm，过渡弧半径为40mm；近零残余应力样品采用先进行振动时效方法，再进行去应力退火的方法进行消减残余应力。
S2、制备不同退火状态的样品，将步骤S1中制备的近零残余应力样品A0，A1，A2，A3，......，A18，A19按照以下制度进行退火：Ax样品的保温温度为300℃，热处理保温时间为x*t0小时，t0选定为1小时，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，18，19，热处理结束后的样品命名为A0’，A1’，A2’，A3’，......，A18’，A19’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，P18，P19；其中，热处理制度为保温温度300℃，保温时间19h的A19样品可以用于模拟靠近焊缝位置的热处理组织，未做热处理的A0样品(保温时间为0h)可以用于模拟远离焊缝的基材组织。
S3、建立退火状态-电导率数据库，使用涡流电导率仪对步骤S2制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，P18，P19的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，G18，G19，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库。本优选的实施例中退火状态-电导率数据库的铝合金电导率值覆盖范围为18～62％IACS，因此，选用4块电导率试块进行校准，校准间隔时间为15min，试块电导率值分别为：第1块的电导率数值为16.0％IACS；第2块的电导率数值为29.0％IACS；第3块的电导率数值为40.0％IACS；第4块的电导率数值为62.5％IACS。探头、仪器、试块温度差异为0.1℃。
S4、对步骤S2制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第一应力-声时差数据库，对A0’，A1’，A2’，A3’，......，A18’，A19’样品分别进行0～240MPa等差拉伸力加载，拉伸加载力间隔为20MPa，即分别加载0MPa，20MPa，40MPa，60MPa，...，220MPa，240MPa的拉伸力，获得对应A0’，A1’，A2’，A3’，......，A18’，A19’的共20条应力-声时差曲线，命名为A0”，A1”，A2”，A3”，......，A18”，A19”。
S5、制备垂直铝合金主变形方向B的近零残余应力样品，共20组，分别命名为B0，B1，B2，B3，......，B18，B19；每组样品的数量为5个平行样品，最终结果为平行样品测试结果的算术平均值。样品形状为哑铃形，样品厚度为20mm，总长度为240mm，过渡弧半径为40mm；近零残余应力样品采用先进行振动时效方法，再进行去应力退火的方法进行消减残余应力。
S6、制备不同退火状态的样品，将步骤S5中制备的近零残余应力样品B0，B1，B2，B3，......，B18，B19按照以下制度进行退火：Bx样品的保温温度为300℃，热处理保温时间为x*t0小时，t0选定为1小时，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，18，19，热处理结束后的样品命名为B0’，B1’，B2’，B3’，......，B18’，B19’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，P18，P19；其中，热处理制度为保温温度300℃，保温时间19h的B19样品可以用于模拟靠近焊缝位置的热处理组织，未做热处理的B0样品(保温时间为0h)可以用于模拟远离焊缝的基材组织。
S7、使用涡流电导率仪对步骤S6制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，P18，P19的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，G18，G19，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库。本优选的实施例中退火状态-电导率数据库的铝合金电导率值覆盖范围为18～62％IACS，因此，选用4块电导率试块进行校准，校准间隔时间为15min，试块电导率值分别为：第1块的电导率数值为16.0％IACS；第2块的电导率数值为29.0％IACS；第3块的电导率数值为40.0％IACS；第4块的电导率数值为62.5％IACS。探头、仪器、试块温度差异为0.1℃。
S8、对步骤S6制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第二应力-声时差数据库，对B0’，B1’，B2’，B3’，......，B18’，B19’样品分别进行0～240MPa等差拉伸力加载，拉伸加载力间隔为20MPa，即分别加载0MPa，20MPa，40MPa，60MPa，...，220MPa，240MPa的拉伸力，获得对应B0’，B1’，B2’，B3’，......，B18’，B19’的共20条应力-声时差曲线，命名为B0”，B1”，B2”，B3”，......，B18”，B19”。
以上为前期准备工作，以完成平行铝合金主变形方向A的近零残余应力样品和垂直铝合金主变形方向B的近零残余应力样品的退火状态-电导率数据库，以及相应的第一应力-声时差数据库和第二应力-声时差数据库。
S9、使用涡流电导率检测仪器对实际待进行残余应力无损检测的铝合金进行电导率检测，并将检测到的电导率值输入退火状态-电导率数据库中获得相应的退火状态，命名为P检x，当进行残余应力无损检测的铝合金测得的电导率值处于退火状态-电导率数据库中两个电导率值之间时采用插值法获得P检x；其中，本优选的实施例的待进行残余应力无损检测的铝合金电导率值范围为26～29％IACS，因此，选用3块电导率试块进行校准，校准间隔时间为15min，试块电导率值分别为：第1块的电导率数值为16.0％IACS；第2块的电导率数值为29.0％IACS；第3块的电导率数值为40.0％IACS；探头、仪器、试块温度差异为0.15℃。
S10、将步骤S9获得的P检x分别输入第一应力-声时差数据库和第二应力-声时差数据库，并调取对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线和垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线，对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Ax应力-声时差曲线，对应垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Bx应力-声时差曲线。
S11、使用超声临界折射纵波采集铝合金被检测位置平行铝合金主变形方向的声时差数据A-Δtx和垂直铝合金主变形方向的声时差数据B-Δtx。
S12、将A-Δtx代入Ax应力-声时差曲线获得残余应力A-σx，将B-Δtx代入Bx应力-声时差曲线获得残余应力B-σx。
通过上述步骤，实现铝合金的残余应力无损检测。
实现本实施例的铝合金残余应力无损检测方法的超声波残余应力检测设备，包括有信号激发模块11、信号接收模块12、控制模块15、数据库模块14、信号处理模块13、显示模块16、机玻璃楔块3以及相应位于机玻璃楔块3的顶面两侧的超声波发射探头1和超声波接收探头10，超声波发射探头1和超声波接收探头10通过固体粘接方式与有机玻璃楔块3连接，其中，显示模块16与控制模块15相连接，控制模块15分别与数据库模块14和信号处理模块13相连接，数据库模块14与信号处理模块13相连接，信号处理模块13分别与信号激发模块11和信号接收模块12相连接，超声波发射探头1通过探头线2与信号激发模块11相连接，超声波接收探头10通过探头线2与信号接收模块12相连接，有机玻璃楔块3的底部在对应超声波发射探头1和超声波接收探头10的位置处一体成型地设置有凸台19，凸台19的外周上设有胶环6，胶环6的顶部与有机玻璃楔块3的底部相连接，胶环6与凸台19之间具有间隙，有机玻璃楔块3的底部开设有凹槽20，凹槽20上盖设有密封板9以形成一条通道，通道连通胶环6与凸台19之间的间隙，有机玻璃楔块3自顶部开设有连通凹槽20的通孔18，通孔18的顶端敞口处通过接头7连接有软管4，软管4的另一端连接有水泵17，水泵17连通有用以存储耦合剂5的容器21。
实施时，耦合剂5填充在容器21内，有机玻璃楔块3放置在待检测的铝合金8的表面上，此时凸台19和胶环6的底部与铝合金8相接触，启动水泵17，耦合剂5在水泵17的作用下，顺着软管4经过接头7进入通孔18，然后继续进入凹槽20，并通过凹槽20与密封板9形成的通道分别进入两侧的胶环6与凸台19之间的间隙内，耦合剂5在胶环6的引导下，均匀地浸润凸台19与铝合金8的接触面；同时，信号激发模块11激励超声波发射探头1发生超声波纵波，超声波纵波在有机玻璃楔块3与铝合金8的界面发生折射和波型转换，产生一束沿着铝合金8表面传播的临界折射纵波，该临界折射纵波被超声波接收探头10接收后，超声波模拟信号进入信号接收模块12产生数字信号，数字信号进入信号处理模块13，控制模块15控制数据库模块14对信号处理模块13的数据进行处理，并把结果显示在显示模块16上。
其中，在步骤S3、步骤S4、步骤S7、步骤S8、步骤S9、步骤S10、步骤S11和步骤S12均用到了超声波残余应力检测设备。
本发明的超声波残余应力检测设备通过水泵和软管持续将耦合剂输送到机玻璃楔块底部，以维持机玻璃楔块与待检测铝合金的良好耦合，解决了传统的人工添加耦合剂的方式时长因为探头移动或耦合剂流动导致探头所在区域的耦合剂不足而导致检测精度下降的问题。与现有技术相比，本发明的耦合剂自动供给系统具有提高检测精度和减轻操作人员的工作强度等优点。
在其他优选的实施例中，超声波发射探头1和超声波接收探头10与有机玻璃楔块3的结合可以通过液体耦合方式代替固体粘接方式。
实施例2
本优选的实施例提供一种铝合金残余应力无损检测方法，包括以下步骤：
S1、制备平行铝合金主变形方向A的近零残余应力样品，共16组，分别命名为A0，A1，A2，A3，......，A14，A15；每组样品的数量为5个平行样品，最终结果为平行样品测试结果的算术平均值。样品形状为哑铃形，样品厚度为25mm，总长度为250mm，过渡弧半径为45mm；近零残余应力样品采用先进行机械拉伸方法消减残余应力，再进行高能超声波声束消减残余应力。
S2、制备不同退火状态的样品，将步骤S1中制备的近零残余应力样品A0，A1，A2，A3，......，A14，A15按照以下制度进行退火：Ax样品的保温温度为320℃，热处理保温时间为x*t0小时，t0选定为1小时，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，14，15，热处理结束后的样品命名为A0 ’，A1 ’，A2 ’，A3 ’，......，A14 ’，A15 ’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，P14，P15；其中，热处理制度为保温温度320℃，保温时间15h的A15样品可以用于模拟靠近焊缝位置的热处理组织，未做热处理的A0样品(保温时间为0h)可以用于模拟远离焊缝的基材组织。
S3、建立退火状态-电导率数据库，使用涡流电导率仪对步骤S2制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，P14，P15的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，G14，G15，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库。本优选的实施例中退火状态-电导率数据库的铝合金电导率值覆盖范围为19～60％IACS，因此，选用4块电导率试块进行校准，校准间隔时间为12min，试块电导率值分别为：第1块的电导率数值为18.0％IACS；第2块的电导率数值为29.5％IACS；第3块的电导率数值为39.5％IACS；第4块的电导率数值为60.5％IACS。探头、仪器、试块温度差异为0.15℃。
S4、对步骤S2制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第一应力-声时差数据库，对A0’，A1’，A2’，A3’，......，A14’，A15’样品分别进行0～200MPa等差拉伸力加载，拉伸加载力间隔为25MPa，即分别加载0MPa，25MPa，50MPa，75MPa，...，175MPa，200MPa的拉伸力，获得对应A0’，A1’，A2’，A3’，......，A14’，A15’的共20条应力-声时差曲线，命名为A0”，A1”，A2”，A3”，......，A14”，A15”。
S5、制备垂直铝合金主变形方向B的近零残余应力样品，共16组，分别命名为B0，B1，B2，B3，......，B14，B14；每组样品的数量为5个平行样品，最终结果为平行样品测试结果的算术平均值。样品形状为哑铃形，样品厚度为25mm，总长度为250mm，过渡弧半径为45mm；近零残余应力样品采用先进行机械拉伸方法消减残余应力，再进行高能超声波声束消减残余应力。
S6、制备不同退火状态的样品，将步骤S5中制备的近零残余应力样品B0，B1，B2，B3，......，B14，B15按照以下制度进行退火：Bx样品的保温温度为320℃，热处理保温时间为x*t0小时，t0选定为1小时，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，14，15，热处理结束后的样品命名为B0’，B1’，B2’，B3’，......，B14’，B15’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，P14，P15；其中，热处理制度为保温温度320℃，保温时间15h的B15样品可以用于模拟靠近焊缝位置的热处理组织，未做热处理的B0样品(保温时间为0h)可以用于模拟远离焊缝的基材组织。
S7、使用涡流电导率仪对步骤S6制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，P14，P15的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，G14，G15，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库。本优选的实施例中退火状态-电导率数据库的铝合金电导率值覆盖范围为19～60％IACS，因此，选用4块电导率试块进行校准，校准间隔时间为12min，试块电导率值分别为：第1块的电导率数值为18.0％IACS；第2块的电导率数值为29.5％IACS；第3块的电导率数值为39.5％IACS；第4块的电导率数值为60.5％IACS。探头、仪器、试块温度差异为0.15℃。
S8、对步骤S6制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第二应力-声时差数据库，对B0’，B1’，B2’，B3’，......，B14’，B15’样品分别进行0～200MPa等差拉伸力加载，拉伸加载力间隔为25MPa，即分别加载0MPa，25MPa，50MPa，75MPa，...，175MPa，200MPa的拉伸力，获得对应B0’，B1’，B2’，B3’，......，B14’，B15’的共16条应力-声时差曲线，命名为B0”，B1”，B2”，B3”，......，B14”，B15”。
以上为前期准备工作，以完成平行铝合金主变形方向A的近零残余应力样品和垂直铝合金主变形方向B的近零残余应力样品的退火状态-电导率数据库，以及相应的第一应力-声时差数据库和第二应力-声时差数据库。
S9、使用涡流电导率检测仪器对实际待进行残余应力无损检测的铝合金进行电导率检测，并将检测到的电导率值输入退火状态-电导率数据库中获得相应的退火状态，命名为P检x，当进行残余应力无损检测的铝合金测得的电导率值处于退火状态-电导率数据库中两个电导率值之间时采用插值法获得P检x；其中，本优选的实施例的待进行残余应力无损检测的铝合金电导率值范围为30～32％IACS，因此，选用3块电导率试块进行校准，校准间隔时间为12min，试块电导率值分别为：第1块的电导率数值为18.0％IACS；第2块的电导率数值为29.5％IACS；第3块的电导率数值为39.5％IACS；探头、仪器、试块温度差异为0.18℃。
S10、将步骤S9获得的P检x分别输入第一应力-声时差数据库和第二应力-声时差数据库，并调取对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线和垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线，对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Ax应力-声时差曲线，对应垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Bx应力-声时差曲线。
S11、使用超声临界折射纵波采集铝合金被检测位置平行铝合金主变形方向的声时差数据A-Δtx和垂直铝合金主变形方向的声时差数据B-Δtx。
S12、将A-Δtx代入Ax应力-声时差曲线获得残余应力A-σx，将B-Δtx代入Bx应力-声时差曲线获得残余应力B-σx。
通过上述步骤，实现铝合金的残余应力无损检测。
本优选的实施例中，用于实现本实施例的铝合金残余应力无损检测方法的超声波残余应力检测设备与实施例1的相同。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备平行铝合金主变形方向A的近零残余应力样品，共n+1组，分别命名为A0，A1，A2，A3，......，An-1，An；
S2、制备不同退火状态的样品，将步骤S1中制备的近零残余应力样品A0，A1，A2，A3，......，An-1，An按照以下制度进行退火：Ax样品的保温温度为T0，热处理保温时间为x*t0，t0为自定义单位时间，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，n-1，n，热处理结束后的样品命名为A0’，A1’，A2’，A3’，......，An-1’，An’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn；
S3、建立退火状态-电导率数据库，使用涡流电导率仪对步骤S2制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，Gn-1，Gn，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库；
S4、对步骤S2制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第一应力-声时差数据库，对A0’，A1’，A2’，A3’，......，An-1’，An’样品分别进行0～αMPa等差拉伸力加载，其中α为对应样品的屈服极限，获得对应A0’，A1’，A2’，A3’，......，An-1’，An’的共n+1条应力-声时差曲线，命名为A0”，A1”，A2”，A3”，......，An-1”，An”；
S5、制备垂直铝合金主变形方向B的近零残余应力样品，共n+1组，分别命名为B0，B1，B2，B3，......，Bn-1，Bn；
S6、制备不同退火状态的样品，将步骤S5中制备的近零残余应力样品B0，B1，B2，B3，......，Bn-1，Bn按照以下制度进行退火：Bx样品的保温温度为T0，热处理保温时间为x*t0，t0为自定义单位时间，x对应样品顺序号，其中x＝0，1，2，3，......，n-1，n，热处理结束后的样品命名为B0’，B1’，B2’，B3’，......，Bn-1’，Bn’，对应的合金退火状态Px分别为P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn；
S7、使用涡流电导率仪对步骤S6制备的合金退火状态P0，P1，P2，P3，......，Pn-1，Pn的样品进行电导率检测获得相应的电导率值Gx，Gx对应为G0，G1，G2，G3，......，Gn-1，Gn，并将Px-Gx关系曲线录入退火状态-电导率数据库；
S8、对步骤S6制备的不同退火状态的样品使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立第二应力-声时差数据库，对B0’，B1’，B2’，B3’，......，Bn-1’，Bn’样品分别进行0～αMPa等差拉伸力加载，其中α为对应样品的屈服极限，获得对应B0’，B1’，B2’，B3’，......，Bn-1’，Bn’的共n+1条应力-声时差曲线，命名为B0”，B1”，B2”，B3”，......，Bn-1”，Bn”；
S9、使用涡流电导率检测仪器对待进行残余应力无损检测的铝合金进行电导率检测，并将检测到的电导率值输入退火状态-电导率数据库中获得相应的退火状态，命名为P检x，当进行残余应力无损检测的铝合金测得的电导率值处于退火状态-电导率数据库中两个电导率值之间时采用插值法获得P检x；
S10、将步骤S9获得的P检x分别输入第一应力-声时差数据库和第二应力-声时差数据库，并调取对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线和垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线，对应平行铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Ax应力-声时差曲线，对应垂直铝合金主变形方向的应力-声时差曲线命名为Bx应力-声时差曲线；
S11、使用超声临界折射纵波采集铝合金被检测位置平行铝合金主变形方向的声时差数据A-Δtx和垂直铝合金主变形方向的声时差数据B-Δtx；
S12、将A-Δtx代入Ax应力-声时差曲线获得残余应力A-σx，将B-Δtx代入Bx应力-声时差曲线获得残余应力B-σx。
2.根据权利要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，制备近零残余应力样品的方法为去应力退火、振动时效、高能超声波声束、机械拉伸、拉弯矫直中的一种方法或几种方法复合进行残余应力的消减。
3.根据权利要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，当为焊后铝合金残余应力无损检测时，n个退火制度制备的铝合金组织应与n个至焊缝不同距离位置的铝合金组织相对应，其中，An’的组织与焊缝热影响区最靠近焊缝的位置的组织相同，A0’的组织与基材区的组织相同。
4.根据权利要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，涡流电导率仪使用试块标称值范围能够覆盖被检测铝合金材料的电导率数值的2～4块电导率试块进行校准，校准间隔时间≤15min。
5.根据权利要求4所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，电导率试块为4块，第1块的电导率数值为16.5±3.0％IACS；第2块的电导率数值为29.5±3.0％IACS；第3块的电导率数值为41.0±3.0％IACS，第4块的电导率数值为59.5±3.0％IACS。
6.根据权利要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，n+1组平行铝合金主变形方向的近零残余应力样品中，每组有3～10个平行样品，相应的测试结果取算术平均值；n+1组垂直铝合金主变形方向的近零残余应力样品中，每组有3～10个平行样品，相应的测试结果取算术平均值。
7.根据权利要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，使用力学拉伸机进行加载拉力标定，建立应力-声时差数据库的拉伸力加载的范围为0～350MPa；拉伸力加载值为Y*N MPa，其中，N为自然数，Y的数值范围为5～30；在加载不同拉伸力于样品时，临界折射纵波探头在有充分耦合的条件下贴合在样品表面上。
8.根据权利要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，使用涡流电导率仪对样品进行电导率检测时，探头、仪器、试块处于同一温度条件下。
9.根据权利要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法，其特征在于，探头、仪器、试块的温度差异≤±0.2℃；当温度存在差异时，使用温度补偿进行数据修正，当温度差异＞1.0℃时，将三者置于同一环境等待三者温度差异≤1℃时，再进行检测和数据修正。
10.实现权利 要求1所述的铝合金残余应力无损检测方法的超声波残余应力检测设备，包括有机玻璃楔块(3)以及相应位于所述有机 玻璃楔块(3)的顶面两侧的超声波发射探头(1)和超声波接收探头(10)，其特征在于，所述有机玻璃楔块(3)的底部在对应所述超声波发射探头(1)和超声波接收探头(10)的位置处一体成型地设置有凸台(19)，所述凸台(19)的外周上设有胶环(6)，所述胶环(6)与凸台(19)之间具有间隙，所述有机玻璃楔块(3)的底部开设有凹槽(20)，所述凹槽(20)上盖设有密封板(9)以形成一条通道，通道连通所述胶环(6)与凸台(19)之间的间隙，所述有机玻璃楔块(3)自顶部开设有连通所述凹槽(20)的通孔(18)，所述通孔(18)的顶端敞口处连接有软管(4)，所述软管(4)的另一端连接有水泵(17)。
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