CN114544778A - 一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备和方法 - Google Patents

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陶亚光
马伦
张宇鹏
宋高丽
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Abstract

本申请涉及公开了一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备和方法，在被测工件上设置第一压电晶片，用于激励临界折射纵波；在被测工件上设置第二压电晶片和第三压电晶片，用于接收临界折射纵波，第二压电晶片和第三压电晶片之间距离为L；设置示波器，用于获取第二压电晶片和第三压电晶片接受到的波形；通过示波器得出第二压电晶片和第三压电晶片之间的波的时间差t；根据t、L计算出被测工件上的临界折射纵波的传播速度v；根据预先建立的v和残余应力的关系式，计算被测工件中的残余应力。因此，可以通过临界折射纵波的速度来测量残余应力的大小，由于该探头可实现两个压电晶片接收，所以消除了耦合因素的影响，降低了检测误差。

Description

一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备和方法
技术领域
本申请属于残余应力检测技术领域，尤其是涉及一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备和方法。
背景技术
残余应力是当外界作用力去掉时保存在工件内部的自平衡的力。该应力状态会影响到工件的服役状态和疲劳寿命。薄壁零部件在机加工后往往存在较大的残余应力，将导致薄壁零部件发生较大的变形，无法保证加工的尺寸精度。当工作应力和残余拉应力相互叠加时，残余拉应力会大幅降低工件的抗拉强度和疲劳强度，进而导致工件失效破坏。而残余压应力通常会提高工件的疲劳寿命，有益于疲劳强度的提高。因此，在机械制造领域通过采用表面强化手段引入残余压应力，如喷丸、滚压、激光冲击等。
为了准确测量出残余应力状态，临界折射纵波方法不失为一种有效地选择，但是其检测精度受到耦合因素的较大影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了降低探头耦合因素的影响，本发明提出了一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，包括：
第一压电晶片，用于激励临界折射纵波；
第二压电晶片和第三压电晶片，用于接收临界折射纵波；
示波器，与第二压电晶片和第三压电晶片通过同一个接头连接，用于获取所述第二压电晶片和第三压电晶片之间接受到的波形曲线；
第一压电晶片、第二压电晶片、第三压电晶片的入射角相同。
优选地，本发明的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，还包括隔声块，用于将第一压电晶片与第二压电晶片、第三压电晶片隔开。
优选地，本发明的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，第二压电晶片和第三压电晶片呈前后放置，相隔一定距离接收第一压电晶片产生的临界折射纵波。
一种用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，包括以下步骤：
在被测工件上设置第一压电晶片，用于激励临界折射纵波；在被测工件上设置第二压电晶片和第三压电晶片，用于接收临界折射纵波，第二压电晶片和第三压电晶片之间距离为L；调整第一压电晶片、第二压电晶片、第三压电晶片的入射角相同；设置示波器，用于获取所述第二压电晶片和第三压电晶片接受到的波形；
通过所述示波器接受到的波形曲线，得出第二压电晶片和第三压电晶片之间的波的时间差t；根据t、L计算出被测工件上的临界折射纵波的传播速度v；
根据预先建立的v和残余应力的关系式，计算被测工件中的残余应力。
优选地，本发明的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，设置隔声块，用于将第一压电晶片与第二压电晶片、第三压电晶片隔开。
优选地，本发明的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，第二压电晶片和第三压电晶片呈前后放置，相隔一定距离接收第一压电晶片产生的临界折射纵波。
优选地，本发明的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，L的确定步骤为：
使用一个残余应力为零的标准试块进行测量，标准试块上的临界折射纵波速度v0已知，通过示波器接受到的波形曲线，得出第二压电晶片和第三压电晶片之间的波的时间差t0，然后通过标准试块标定第二压电晶片和第三压电晶片之间的距离L，L＝v0t0。
优选地，本发明的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，通过示波器得到上的第二压电晶片和第三压电晶片的时域信号，利用互相关算法得到第二压电晶片和第三压电晶片之间的所述时间差t0。
优选地，本发明的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，预先建立的v和残余应力的关系式的步骤为：使用多个不同应力的标准试块进行多组测量，标准试块的残余应力已知，根据多组测量结果，建立起临界折射纵波传播速度与应力的关系式。
本发明的有益效果是：
通过一个压电晶片激励，两个压电晶片接收，去除了探头耦合因素的影响，提高了检测精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备结构示意图。
图中的附图标记为：
1 第一压电晶片
2 第二压电晶片
3 第三压电晶片
4 隔声块
5 第一接头
6 第二接头。
具体实施方式
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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例
本实施例提供一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，如图1所示，包括：
第一压电晶片1，用于激励临界折射纵波，连接第一接头5；
第二压电晶片2和第三压电晶片3，用于接收临界折射纵波，连接第二接头6；
示波器，与第二压电晶片2和第三压电晶片3连接，用于获取所述第二压电晶片2和第三压电晶片3之间接受到波的时间差；
第一压电晶片1、第二压电晶片2、第三压电晶片3的入射角相同。
利用去应力退火处理，消除304不锈钢内部的残余应力，得到一个无应力状态的标准试样。按照304不锈钢的材料参数：杨氏模量为193GPa，泊松比为0.29，密度为8000kg/m3，计算得到304不锈钢中纵波的传播速度为：5632m/s。根据snell定理：
Figure BDA0003480325520000051
其中2730m/s为楔块中的传播速度，θ为第一压电晶片1、第二压电晶片2、第三压电晶片3的入射角，计算得到入射角θ＝29.0°。由于激励用的第一压电晶片1和接收用的第二压电晶片2、第三压电晶片3的入射角相同，所以根据计算结果可设计制作出本实施例的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备。
将制作好的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备置于304不锈钢的标准试样上，得到第二压电晶片2、第三压电晶片3上的时域信号，利用互相关算法得到第二压电晶片2、第三压电晶片3信号的时间差t0。已知t0和临界折射纵波速度，那么就可以得到第二压电晶片2、第三压电晶片3之间的距离L。
现选定被测试件为304不锈钢，将本实施例的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备放置在不同应力条件下的试样上，就可以建立起临界折射纵波传播速度与应力的关系式。根据临界折射纵波传播速度与应力的关系式，就可以通过测量临界折射纵波的速度来测量待测工件的残余应力。
优选地，本实施例的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，还包括隔声块4，用于将第一压电晶片1与第二压电晶片2、第三压电晶片3隔开。为了减小楔块内部超声波的影响，使用隔声块4来隔离楔块内的超声波的影响。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，其特征在于，包括：
第一压电晶片(1)，用于激励临界折射纵波；
第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)，用于接收临界折射纵波；
示波器，与第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)通过同一个接头连接，用于获取所述第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)之间接受到的波形曲线；
第一压电晶片(1)、第二压电晶片(2)、第三压电晶片(3)的入射角相同。
2.根据权利要求1所述的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，其特征在于，还包括隔声块(4)，用于将第一压电晶片(1)与第二压电晶片(2)、第三压电晶片(3)隔开。
3.根据权利要求1所述的用于测量残余应力的临界折射纵波的设备，其特征在于，第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)呈前后放置，相隔一定距离接收第一压电晶片(1)产生的临界折射纵波。
4.一种用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在被测工件上设置第一压电晶片(1)，用于激励临界折射纵波；在被测工件上设置第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)，用于接收临界折射纵波，第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)之间距离为L；调整第一压电晶片(1)、第二压电晶片(2)、第三压电晶片(3)的入射角相同；设置示波器，用于获取所述第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)接受到的波形；
通过所述示波器接受到的波形曲线，得出第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)之间的波的时间差t；根据t、L计算出被测工件上的临界折射纵波的传播速度v；
根据预先建立的v和残余应力的关系式，计算被测工件中的残余应力。
5.根据权利要求4所述的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，其特征在于，设置隔声块(4)，用于将第一压电晶片(1)与第二压电晶片(2)、第三压电晶片(3)隔开。
6.根据权利要求5所述的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，其特征在于，第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)呈前后放置，相隔一定距离接收第一压电晶片(1)产生的临界折射纵波。
7.根据权利要求4-6任一项所述的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，其特征在于，L的确定步骤为：
使用一个残余应力为零的标准试块进行测量，标准试块上的临界折射纵波速度v0已知，通过示波器接受到的波形曲线，得出第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)之间的波的时间差t0，然后通过标准试块标定第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)之间的距离L，L＝v0 t0。
8.根据权利要求7所述的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，其特征在于，通过示波器得到上的第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)的时域信号，利用互相关算法得到第二压电晶片(2)和第三压电晶片(3)之间的所述时间差t0。
9.根据权利要求4-6任一项所述的用于测量残余应力的临界折射纵波的方法，其特征在于，预先建立的v和残余应力的关系式的步骤为：使用多个不同应力的标准试块进行多组测量，标准试块的残余应力已知，根据多组测量结果，建立起临界折射纵波传播速度与应力的关系式。
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