CN112097973A - 一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法及其应用，通过在相同误差条件或相似测试条件下比较声速的变化，进而得到残余应力在建筑陶瓷板内的分布情况，通过对应点的超声应力消除器输出高频的超声波，可以实现建筑陶瓷板的内应力消除；不受建筑陶瓷板尺寸的限制，超声换能器矩阵尺寸和密度灵活可调整，适合各种尺寸建筑陶瓷板的内应力测量和逐点消除；可根据应力分布图选择，避免切割裂的问题本发明的方法，快速简单，测量时间短，应力消除速度快，节能，不影响现有建筑陶瓷板的生产，通过采用高温的超声波探头，可实现在线检测内应力，从而有利于生产工艺的实时调整。

Description

一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法及其应用

技术领域

本发明涉及建筑陶瓷技术领域，特别涉及一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法及其应用。

背景技术

大规格建筑陶瓷板，俗称建陶大板，是一种由陶土、矿石等多种无机非金属材料，经大吨位压机成型、高温煅烧等生产工艺制成的面积不小于1.62㎡的板状陶瓷制品。建陶大板有900×1800mm、2400×1200mm、3200×1600mm、3600×1600mm，甚至更大的规格。建陶大板、薄板、岩板，具有低吸水率、规格大、厚度薄以及节能降耗、清洁环保、轻质高强等众多绿色建材属性。

据不完全统计，到2020年7月，国内已经有40-60条建陶岩板、大板投产，到2021年将达到100条以上的生产线。建陶大板、岩板作为一种新的板材，除了原有的建筑装饰领域之外，在新的领域包括建筑装配化等也有很大的应用空间。但是在急剧扩张的岩板生产线背后，掩盖不了目前建筑陶瓷板加工应用所面临的难题：建筑陶瓷板的韧性差，搬运、切割、加工过程中的破损率高，在安装、铺贴等后续过程中，也常常出现边角破损等情况。据不完全统计，有的陶瓷板生产企业，其产品的加工破损率高达20～40％。目前，陶瓷大板与泛家居结合的趋势下，建筑陶瓷板已经跨界作为橱柜、电器等面板材料使用。如何减少在加工过程中的破损，成为建陶企业面临的共性问题。

建筑陶瓷板在制造过程中引起的内应力，被认为是导致其切割开裂的关键原因。但是，目前对建筑陶瓷板内应力的测量，没有成熟和可行的方法。

现有应力测量技术中，XRD测量法可用于陶瓷类材料应力测量。XRD测量应力的基本原理为：当试样内部存在应力时，晶体的晶格间距会产生改变，导致X射线衍射角改变，结合布拉格衍射方程与弹性力学公式，可以得到应变与X射线入射角、衍射角的关系公式，从而得到应力σ关系。

X射线应力测量法是用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角ψ照射试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin²ψ的斜率，便可算出应力

但是不管是采用照相法、衍射仪法还是应力仪法，都受到试样尺寸的限制。对于尺寸达到数米的建陶大板，现有的设备难以实现板内应力的逐点测量，也就无法获得内应力的分布情况。而且XRD测量法需要多次改变X射线入射角，使得该方法测量过程复杂，并且因为X射线衍射峰峰强较弱，且易受外界干扰，使得测量精度不准确。

盲孔法也被广泛应用于金属材料残余应力检测。需要在工件的被测部位贴上应变计，通过在应变计中心打盲孔引起残余应力的释放，由残余应力测试仪将这种释放量测出并通过计算得出该部位的残余应力大小和方向。由于陶瓷材料自身的脆性，打孔往往导致开裂，该方法并不适合。同时打孔也会对建陶板产生损坏。

超声波法利用声的双折射现象，即一个各向同性固态介质在应力的作用下具有声弹性。在有应力的情况下，由于应力的方向和大小的不同，使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化，即应力的存在引起了各向异性，从而使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化。当应力为平面应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时，超声波便只分解为两个方向的超声波。通过测定由于应力的影响而引起的声双折射，超声频谱变化以及声音传播速度的变化便能计算出试件上的残余应力。

现有的超声波应力检测，都是针对小型的金属工件，小范围的测量应力，如焊接缝附件的残余应力。对于大规格的建筑陶瓷板的内应力检测，尤其是在线检测建筑陶瓷板烧成过程中的内应力，尚未有相关的报道。

由于对建筑陶瓷板内应力的分布情况不清，因此如何有效的针对不同区域实现相应的应力消除，更是无从谈起。

因此，如何提供一种可以检测建筑陶瓷板的内应力，并针对建陶板不同区域内应力实现对应消除，成为目前建筑陶瓷板领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法及其应用，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

本发明的技术原理是采用超声波对比法测量建筑陶瓷板内残余应力变化。由于不涉及具体测量值的误差问题，只是在相同误差条件或相似测试条件下比较声速的变化，进而得到残余应力在建筑陶瓷板内的分布情况。通过对应点的超声应力消除器输出高频的超声波，可以实现建筑陶瓷板的内应力消除。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，所述方法包括以下步骤：

S1，将超声应力探测器和超声应力消除器成对的安装在间距可调整的多个金属导轨的每个金属导轨上，相互平行的金属导轨之间构建成具有一定数量和间距排布的超声换能器矩阵；超声应力探测器和超声应力消除器分别由相应的伺服电机控制，可独自沿着X坐标、Y坐标、Z坐标三个方向运动；

S2，将距离建筑陶瓷板的四个角最近的4个超声应力探测器在伺服电机的驱动下，接触建筑陶瓷板，通过发射和接收超声波信号，将接收到的超声波信号输入信号处理系统转换得到建筑陶瓷板外边缘四个角的应力值，将其中的最小值作为参考点；

S3，通过伺服电机驱动所有的超声应力探测器接触建筑陶瓷板，同时测定各超声应力探测器所对应的建筑陶瓷板的超声波信号，将接收到的超声波信号输入信号处理系统，获得各超声应力探测器相对于参考点的应力值作为应力相对值；

S4，将各测量点的坐标和应力相对值作为建筑陶瓷板的应力分布图，将应力分布图实时显示在屏幕上；

S5，通过伺服电机驱动超声应力消除器接触建筑陶瓷板，超声应力消除器施加超声波振动对各个超声应力消除器与建筑陶瓷板的接触点所在区域实行超声应力消除处理；

S6，超声应力探测器实时监测建筑陶瓷板各个接触点的应力值变化情况，当监测到当各个接触点的内应力达到预设值时，将超声应力探测器和超声应力消除器在伺服电机驱动下离开建筑陶瓷板，从而完成应力测量和消除动作。

进一步地，所述信号处理系统用于输入超声波信号并将超声波信号转换为应力值，可以参见参考文献：王寅观，魏墨盒，邵良华，刘辉章。用于残余应力分析的超声波测量仪[J].同济大学学报,1990,18(1):57-64。

可选的，用于探测内应力的超声应力探测器探头可以是单晶探头、双晶探头、水浸探头、复合探头、高温探头等中的一种或两种以上的组合。

进一步地，超声应力探测器为接触式双晶探头。

进一步，超声应力探测器探头优选为复合探头，即产生超声波纵波和横波的压电晶片制作在同一个探头中，在测点上同时可以进行同一耦合条件下的不同纵波和横波的声速测量。

可选的，超声应力探测器探头和超声应力消除器探头优选为耐高温探头，实现对建筑陶瓷板烧成过程中的内应力在线检测和实时消除，其中，耐高温探头为双晶耐高温探头。

可选的，单个超声应力消除器的功率范围为10W～2000W，频率为18～50KHz

可选的，超声换能器矩阵的探头间距为10mm～1000mm。

一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，可用于同时检测和消除建筑陶瓷板烧成出窑后的内应力。

一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，采用耐高温的超声波应力检测探头和超声波应力消除器时，可用于建筑陶瓷板在烧成过程中的在线内应力检测，并实时消除内应力。

本发明的有益效果为：1.本发明提出的方法不受建筑陶瓷板尺寸的限制，超声应力检测器和超声应力消除器构成的矩阵的尺寸和密度灵活可调整，适合各种尺寸建筑陶瓷板的内应力测量和逐点消除；2.本方法可以获得内应力在建筑陶瓷板内的分布图，直观表现出应力集中点，对后续切割等加工，提供了指导，可根据应力分布图选择，避免切割裂的问题。3.本发明的技术方案快速简单，测量时间短，应力消除速度快，节能，不影响现有建筑陶瓷板的生产，通过采用高温的超声波探头，可实现在线检测内应力，从而有利于生产工艺的实时调整。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1为超声换能器矩阵排布俯视图示意；

图2为超声换能器矩阵排布正视图示意；

图3为测量建筑陶瓷板内应力以确定内应力参考点的正视图示意；

图4为测量和消除建筑陶瓷板内应力正视图示意。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合图1、图2、图3和图4来阐述根据本发明的实施方式的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法。

如图1所示，图1为超声换能器矩阵排布俯视图示意，图1中的1是超声应力探测器；2是超声应力消除器；3是用于安装超声换能器探头的金属导轨，起到支撑和调节距离的作用。

如图2所示，图2为超声换能器矩阵排布正视图示意，图2中的1是超声应力探测器；2是超声应力消除器；3是用于安装超声换能器探头的金属导轨；4是超声应力探测器的伺服电机；5是超声应力消除器的伺服电机。

如图3所示，图3为测量建筑陶瓷板内应力以确定内应力参考点的正视图示意。图3中的1是超声应力探测器；2是超声应力消除器；3是用于安装超声换能器探头的金属导轨；4是超声应力探测器的伺服电机；5是超声应力消除器的伺服电机；6是建筑陶瓷板。A和B分布式位于超声换能器矩阵四个角上的超声探测器，在伺服电机的驱动下与建筑陶瓷板接触，测量其内应力。

如图4所示，图4为测量和消除建筑陶瓷板内应力正视图示意。图4中的1是超声应力探测器；2是超声应力消除器；3是用于安装超声换能器探头的金属导轨；4是超声应力探测器的伺服电机；5是超声应力消除器的伺服电机；6是建筑陶瓷板；7是信号处理系统；8是用于应力值显示的屏幕。

实施例1：

一种快速测量建筑陶瓷板内应力的技术方案，具体包括以下步骤：

S1，将超声应力探测器1和超声应力消除器2成对的安装在间距可调整的多个金属导轨3上，相互平行的金属导轨3之间构建成具有一定数量和间距排布的超声换能器矩阵；超声应力探测器和超声应力消除器分别由相应的伺服电机控制，可独自沿着X坐标、Y坐标、Z坐标三个方向运动；

S2，将距离建筑陶瓷板6的四个角最近的4个超声应力探测器1在伺服电机4的驱动下，接触建筑陶瓷板6，通过发射和接收超声波信号，将接收到的超声波信号输入信号处理系统7转换得到建筑陶瓷板外边缘四个角的应力值，将其中的最小值作为参考点；

S3，通过伺服电机4驱动所有的超声应力探测器1接触建筑陶瓷板6，同时测定各超声应力探测器所对应的建筑陶瓷板6的超声波信号，将接收到的超声波信号输入信号处理系统7，获得各超声应力探测器1相对于参考点的应力值作为应力相对值；

S4，将各测量点的坐标和应力相对值作为建筑陶瓷板6的应力分布图，将应力分布图实时显示在屏幕上；

S5，通过伺服电机5驱动超声应力消除器2接触建筑陶瓷板，超声应力消除器2施加超声波振动对各个接触点所在区域实行超声应力消除处理；

S6，超声应力探测器1实时监测建筑陶瓷板各个接触点的应力值变化情况，当监测到当各个接触点的内应力达到预设值时，将超声应力探测器1和超声应力消除器2在伺服电机5驱动下离开建筑陶瓷板6，从而完成应力测量和消除动作。

可选的，用于探测内应力的超声应力探测器1的探头可以是单晶探头、双晶探头、水浸探头、复合探头、高温探头等中的一种或两种以上的组合。

进一步，超声应力探测器1探头优选为复合探头，即产生超声波纵波和横波的压电晶片制作在同一个探头中，在测点上同时可以进行同一耦合条件下的不同纵波和横波的声速测量。

可选的，超声应力探测器1探头和超声应力消除器探头优选为耐高温探头，实现对建陶大板烧成过程中的内应力在线检测和实时消除。

可选的，单个超声应力消除器2的功率范围为10W～2000W，频率为18～50KHz

可选的，超声换能器矩阵的探头间距为10mm～1000mm，进一步的优选为20mm～300mm。

一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，可用于同时检测和消除建筑陶瓷板烧成出窑后的内应力。

一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，采用耐高温的超声波应力检测探头和超声波应力消除器时，可用于建筑陶瓷板在烧成过程中的在线内应力检测，并实时内应力消除。

实施例2：

一种快速测量建筑陶瓷板内应力的技术方案及其应用，具体包括以下步骤：

S1.超声应力探测器1和超声应力消除器2，成对安装在间距可调整的金属导轨3上，8条相互平行的金属导轨构上每条均有16个双晶探头超声应力探测器和16个超声应力消除器(型号LM-20。)，建成具有16对X8对的超声矩阵。每一对超声探头之间相互间隔为200mm，而同一对超声应力检测器探头和超声应力消除器之间的间隔距离2mm，每个超声应力探测器1和超声应力消除器2都分别有相应的伺服电机4和5控制，可独自沿着X、Y、Z三个方向运动；

S2.将超声换能器矩阵安置于出窑后的3200mm*1600mm的建筑陶瓷板上，用水润湿探头和建陶板的接触面，保持探头矩阵离建陶板的外边缘四周边距均为100mm。用靠近建筑陶瓷板外边缘角四个点A、B、C、D的超声应力检测探头发射和接收超声波信号，输入信号处理系统7，获得四个点对应的建筑陶瓷板的应力值分别为15.8MPa，5.9MPa，14.0MPa和11.4MPa判定其中的最小值为B点，并以其作为参考点，对应的应力值5.9MPa作为参考应力值；

S3.伺服电机4驱动所有的超声应力探测器1下降，接触建筑陶瓷板6，同时测定16X8超声换能器矩阵各点的超声波信号，并输入信号处理系统7，获得建筑陶瓷板各测量点相对于参考点B的应力相对值σ_R；

S4.根据各测量点的坐标(x，y)和应力相对值σ_R，作为得到的建筑陶瓷板的应力分布图，实时显示在屏幕8上，参见表1和表2；

S5.伺服电机驱动5所有的超声应力消除器2下降，接触建筑陶瓷板6，根据各点对应的超声探测器所测出的应力相对值(σ_R)，施加超声波振动，对该区域实行超声应力消除处理；

S6.超声应力探测器1实时测量建筑陶瓷板该点应力的相对值变化情况，反馈给信号处理系统7，信号处理系统发出反馈指令决定该点超声应力消除器2的处理功率和时间。

S7.当各点的内应力达到预设值(≤3MPa)要求后，超声应力探测器1和超声应力消除器2在伺服电机驱动下离开建筑陶瓷板，完成应力测量和消除动作。超声应力消除后建筑陶瓷板各点的应力值参见表3和表4。

表1.超声应力测量矩阵测得建筑陶瓷板应力消除前各点相对于参考点的应力相对值σ_R(100mm-1500mm)

表2.超声应力测量矩阵测得建筑陶瓷板应力消除前各点相对于参考点的应力相对值σ_R(1700mm-3100mm)

表3.超声应力测量矩阵测得建筑陶瓷板经过超声应力消除后内各点相对于参考点的应力相对值σ_R(100mm-1500mm)

表4.超声应力测量矩阵测得建筑陶瓷板经过超声应力消除后内各点相对于参考点的应力相对值σ_R(1700mm-3100mm)

实施例3：

一种快速测量建筑陶瓷板内应力的技术方案及其应用，具体包括以下步骤：

S1.将耐高温的超声应力探测器1和耐高温的超声应力消除器2，成对安装在间距可调整的金属导轨3上，4条相互平行的金属导轨构上每条均有8个超声应力探测器和8个超声应力消除器，建成具有8对X4对的矩阵，每一对超声探头之间相互间隔为400mm，而同一对超声应力检测器探头和超声应力消除器之间的间隔距离2mm，每个超声应力探测器1和超声应力消除器2都分别有相应的伺服电机4和5控制，可独自沿着X、Y、Z三个方向运动；

S2.将超声换能器矩阵安置在辊道窑冷却带段的3200mm*1600mm的建筑陶瓷板上(温度为240℃)，保持探头矩阵离建陶板的外边缘四周边距均为100mm。用靠近建筑陶瓷板外边缘角四个点A、B、C、D的超声应力检测探头发射和接收超声波信号，输入信号处理系统7，获得四个点对应的建筑陶瓷板的应力值分别为26.5MPa，9.9MPa，2.3MPa和16.4MPa判定其中的最小值为C点，并以其作为参考点，对应的应力值2.3MPa作为参考应力值；

S3.伺服电机4驱动所有的超声应力探测器1下降，接触建筑陶瓷板6，同时测定8X4超声换能器矩阵各点的超声波信号，并输入信号处理系统7，获得建筑陶瓷板各测量点相对于参考点C的应力相对值σ_R；

S4.根据各测量点的坐标(x，y)和应力相对值σ_R，作为得到的建筑陶瓷板的应力分布图，实时显示在屏幕8上，参见表5；

S5.伺服电机驱动5所有的超声应力消除器2下降，接触建筑陶瓷板6，根据各点对应的超声探测器所测出的应力相对值(σ_R)，施加超声波振动，对该区域实行超声应力消除处理；

S6.超声应力探测器1实时测量建筑陶瓷板该点应力的相对值变化情况，反馈给信号处理系统7，信号处理系统通过比较判定，发出反馈指令决定该点超声应力消除器2的处理功率和时间。

S7.当各点的内应力达到预设值(≤2MPa)要求后，超声应力探测器1和超声应力消除器2在伺服电机驱动下离开建筑陶瓷板，完成应力测量和消除动作。超声应力消除后建筑陶瓷板各点的应力值参见表6.

表5.超声应力测量矩阵测得建筑陶瓷板应力消除前各点相对于参考点的应力相对值σ_R

表6.超声应力测量矩阵测得建筑陶瓷板经过超声应力消除后内各点相对于参考点的应力相对值σ_R

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (8)

1.一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，将超声应力探测器和超声应力消除器成对的安装在间距可调整的多个金属导轨的每个金属导轨上，相互平行的金属导轨之间构建成具有一定数量和间距排布的超声换能器矩阵；

S2，将距离建筑陶瓷板的四个角最近的4个超声应力探测器在伺服电机的驱动下，接触建筑陶瓷板，通过发射和接收超声波信号，将接收到的超声波信号输入信号处理系统转换得到建筑陶瓷板外边缘四个角的应力值，将其中的最小值作为参考点；

S3，通过伺服电机驱动所有的超声应力探测器接触建筑陶瓷板，同时测定各超声应力探测器所对应的建筑陶瓷板的超声波信号，将接收到的超声波信号输入信号处理系统，获得各超声应力探测器相对于参考点的应力值作为应力相对值；

S4，将各测量点的坐标和应力相对值作为建筑陶瓷板的应力分布图，将应力分布图实时显示在屏幕上；

S5，通过伺服电机驱动超声应力消除器接触建筑陶瓷板，超声应力消除器施加超声波振动对各个超声应力消除器与建筑陶瓷板的接触点所在区域实行超声应力消除处理；

S6，超声应力探测器实时监测建筑陶瓷板各个接触点的应力值变化情况，当监测到当各个接触点的内应力达到预设值时，将超声应力探测器和超声应力消除器在伺服电机驱动下离开建筑陶瓷板，从而完成应力测量和消除动作。

2.根据权利要求1所述的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，用于探测内应力的超声应力探测器探头是单晶探头、双晶探头、水浸探头、复合探头、高温探头中的一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，超声应力探测器探头为复合探头，即产生超声波纵波和横波的压电晶片制作在同一个探头中，在测点上同时进行同一耦合条件下的不同纵波和横波的声速测量。

4.根据权利要求1所述的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，超声应力探测器探头和超声应力消除器探头为耐高温探头，用于实现对建筑陶瓷板烧成过程中的内应力在线检测和实时消除，其中，耐高温探头为双晶耐高温探头。

5.根据权利要求1所述的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，单个超声应力消除器的功率范围为10W～2000W，频率为18～50KHz。

6.根据权利要求1所述的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，超声换能器矩阵的探头间距为10mm～1000mm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法的应用，用于同时检测和消除建筑陶瓷板烧成出窑后的内应力。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种测量和消除建筑陶瓷板内应力的方法的应用，采用耐高温的超声波应力检测探头和超声波应力消除器时，用于建筑陶瓷板在烧成过程中的在线内应力检测，并实时消除内应力。

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