CN115144112A - 一种残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

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韩志雄
桂琳琳
殷德奖
赵亚军
信章春
朱义
李木源
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Abstract

本发明公开了一种残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质，方法包括：获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波分别对应的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受残余应力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波分别对应的第三声时和第四声时；基于预设的拉伸法，确定声弹性系数；基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力。本发明解决了现有技术中采用传统的机械法、应变片法及X射线衍射法检测工件残余应力时会对工件造成损伤或对工件表面处理要求高的技术问题。

Description

一种残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及工业测量技术领域，具体涉及一种残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
残余应力主要产生在焊接、轧制、铸造、机械加工、表面处理、热处理的过程中。它主要影响金属结构件的疲劳寿命、耐腐蚀性、结构稳定性、造成脆性断裂及变形等。目前常用的残余应力检测方法主要包括机械法和物理法，机械法是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，由测量其应变的变化来求出残余应力，但是机械法会对工件造成一定的损伤或破坏；常用的物理法包括应变片法和X射线衍射法等，采用这两种物理法检测残余应力时不会对工件造成损伤或破坏，但是在检测前均需要对工件的表面进行处理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质，解决现有技术中采用传统的机械法、应变片法及X射线衍射法检测工件残余应力时会对工件造成损伤或对工件表面处理要求高的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种残余应力检测方法，包括：
获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波分别对应的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受残余应力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波分别对应的第三声时和第四声时；
获取声弹性系数；
基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；
根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力。
在一些实施例中，所述第三声时为第三超声波振动方向与构件所受的残余应力平行时第三超声波在构件中的传播时长，所述第一声时为第一超声波的振动方向与第三超声波的振动方向一致时的传播时长；所述第四声时为第四超声波振动方向与构件所受的残余应力垂直时第四超声波在构件中的传播时长，所述第二声时为第二超声波的振动方向与第四超声波的振动方向一致时的传播时长。
在一些实施例中，所述获取声弹性系数，包括：
基于预设的拉伸法，获取构件所受的实验残余应力，获取构件处于实验残余应力时第五超声波和第六超声波分别对应的第五声时和第六声时；
根据所述第五声时和第六声时的时差，确定第三传播时差；
根据所述实验残余应力对所述第三传播时差和第一传播时差之间的时差的影响程度，确定超声波时差；
根据所述实验残余应力和超声波时差之间的线性关系，确定声弹性系数。
在一些实施例中，所述根据所述实验残余应力和超声波时差之间的线性关系，确定声弹性系数之前还包括：
采用预设的线性回归法，确定拉力值和超声波时差的定量关系。
在一些实施例中，所述根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力，包括：
根据残余应力对第二传播时差和第一传播时差之间的时差的影响程度，确定第二超声波时差；
根据所述第二超声波时差和声弹性系数之间的线性关系，确定构件的残余应力。
在一些实施例中，所述第一传播时差为：
Figure BDA0003710334080000031
其中，
Figure BDA0003710334080000032
表示第一声时，
Figure BDA0003710334080000033
表示第二声时，T0表示第一脉冲往返时程。
在一些实施例中，所述第二超声波时差、声弹性系数和残余应力之间的线性关系为：σ＝K(Tσ-T0),
其中，σ表示残余应力，K表示声弹性系数，Tσ表示第二传播时差，T0表示第一传播时差。
第二方面，本发明还提供了一种残余应力检测装置，包括：
声时获取模块，用于获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波的第三声时和第四声时；
声弹性系数获取模块，用于基于预设的拉伸法，确定声弹性系数；
传播时差获取模块，用于基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；
残余应力确定模块，用于根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的残余应力检测方法中的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的残余应力检测方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质，首先获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波的第三声时和第四声时；随后基于预设的拉伸法，确定声弹性系数；随后基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；最后根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力；本发明提供的残余应力检测方法实现了无损检测，并且不需要额外对应检构件进行表面预处理。
附图说明
图1是本发明提供的残余应力检测方法的一实施例的流程图；
图2是本发明提供的残余应力检测方法中，步骤S102一流程示意图；
图3是本发明提供的残余应力检测方法中，步骤S104一流程示意图；
图4是本发明提供的残余应力检测装置的一实施例的示意图；
图5是本发明提供的电子设备一实施例的运行环境示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，残余应力是指消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力，残余应力主要产生在焊接、轧制、铸造、机械加工、表面处理、热处理的过程中，它主要影响金属结构件的疲劳寿命、耐腐蚀性、结构稳定性、造成脆性断裂及变形等，并且根据声弹性原理，使用超声波技术，能够测量金属中存在的残余应力，可间接对焊接、热处理工艺等起到生产指导作用。
本发明所涉及的残余应力检测方法、装置、设备或者计算机可读存储介质可用于样品和实际焊接结构件中残余应力的检测，也可用于焊接结构件热处理后和服役过程中所引起的残余应力变化。本发明所涉及的方法、装置、设备或者计算机可读存储介质既可以与上述系统集成在一起，也可以是相对独立的。
需要说明的是，本发明采用两种两种超声波同时射入构件中进行残余应力的检测，其中，超声波采用的是横波，横波的振动方向与传播方向垂直，因此能够保证两束超声波沿构件的同一个方向传播，采用控制变量的方法控制两束超声波的传播路径相等且能控制其中一束横波的振动方向与残余应力的方向一致，另一束横波的振动方向与残余应力的方向的垂直，以此确保两束横波中有且仅有一束横波受到残余应力的影响，通过残余应力对横波传播时长的影响程度，确定残余应力的大小。
本实施例提供了一种残余应力检测方法，图1是本发明实施例提供的残余应力检测方法的流程图，请参阅图1，残余应力检测方法包括：
S101、获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波分别对应的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受残余应力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波分别对应的第三声时和第四声时；
S102、获取声弹性系数；
S103、基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；
S104、根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力。
在步骤S101中，使用两束振动方向相互垂直，传播方向相同的超声波沿x方向入射到工件内部，当y方向存在应力时，会使得振动方向也为y方向的横波波速发生改变，而振动方向为z方向的横波波速几乎不变，因此，监控两束超声波波速的改变量，即可反映应力大小；采用两束超声波在构件无残余应力的情况下能够测得两个超声波传播声时，并且两个声时之间具有一定的差值，而在构件受残余应力的状态下，两个声时之间的差值会更大。
在步骤S102中，声弹性系数是与材料相关的物理量，每种材料有其对应的且固定的声弹性系数值，它的大小代表声时差和应力之间的敏感程度。
在步骤S103中，两束振动方向相互垂直的超声波射入同一构件中，构件在受残余应力及未受力状态下时，两束超声波的传播时长均具有一定的差值，当构件的某一方向受到残余应力的影响时，沿振动方向与残余应力方向一致的超声波的传播声时会受到影响，因此第三声时和第四声时之间的差值会更大，为了获得准确的残余应力的值，则需要获取第一声时和第二声时之间的第一传播时差以及第三声时和第四声时之间的第二传播时差。
在本实施例中，首先通过获取构件在未受到残余应力影响时两束超声波的第一传播时差，随后再获取构件在受到残余应力影响时的两束超声波的第二传播时差，通过确定第二传播时差和第一传播时差之间的差值关系，从而体现出残余应力对超声波传播声时的影响程度，进而确定构件中残余应力的大小；具体的，在本实施例中，通过对材料里超声波信号的多次反射测量，来测量弹性波的传播速度，能够使得检测结果更为准确。
在一些实施例中，所述第三声时为第三超声波振动方向与构件所受的残余应力平行时第三超声波在构件中的传播时长，所述第一声时为第一超声波的振动方向与第三超声波的振动方向一致时的传播时长；所述第四声时为第四超声波振动方向与构件所受的残余应力垂直时第四超声波在构件中的传播时长，所述第二声时为第二超声波的振动方向与第四超声波的振动方向一致时的传播时长。
在本实施例中，为了获取残余应力对超声波传播时长的影响程度，需要同时布置构件受力以及不受力情况下的超声检测，并且超声波的振动方向要与受力的方向一致或垂直，通过获取四个不同条件下超声波的传播声时，定量化分析残余应力对超声波传播声时的影响。
在一些实施例中，请参阅图2，图2为本发明实施例步骤S102的一流程示意图，所述获取声弹性系数，包括：
S201、基于预设的拉伸法，获取构件所受的实验残余应力，获取构件处于实验残余应力时第五超声波和第六超声波分别对应的第五声时和第六声时；
S202、获取构件处于拉力状态时第五超声波和第六超声波的第五声时和第六声时；
S203、根据所述实验残余应力对所述第三传播时差和第一传播时差之间的时差的影响程度，确定超声波时差；
S204、根据所述实验残余应力和超声波时差之间的线性关系，确定声弹性系数。
在本实施例中，拉伸试验是电子万能拉力机用来测试材料在静止状态承受荷重或受到缓慢增加负荷时的抵抗能力，通过获取当前状态下的残余应力值，以及对应状态下超声波传播的第五声时和第六声时确定两束超声波传播的第三传播时差，通过测得多组残余应力与对应的第三传播时差，确定构件对应的声弹性系数。
在一些实施例中，所述根据所述实验残余应力和超声波时差之间的线性关系，确定声弹性系数之前，还包括：
采用预设的线性回归法，确定拉力值和超声波时差的定量关系。
在本实施例中，通过采用预设的线性回归方法，对各个离散的拉力值和第三传播时差进行线性回归，且二者的关系可用一条近似的直线表示，通过获取直线的斜率确定材料的声弹性系数。
在一些实施例中，请参阅图3，图3为本实施例步骤S104的一流程示意图，所述根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力，包括：
S301、根据残余应力对第二传播时差和第一传播时差之间的时差的影响程度，确定第二超声波时差；
S302、根据所述第二超声波时差和声弹性系数之间的线性关系，确定构件的残余应力。
在本实施例中，第一传播时差的表达式为：
Figure BDA0003710334080000081
其中，
Figure BDA0003710334080000082
为第一声时，
Figure BDA0003710334080000083
为第二声时，T0表示第一传播时差；
第二传播时差的表达式为：
Figure BDA0003710334080000084
其中
Figure BDA0003710334080000085
表示第三声时，
Figure BDA0003710334080000086
表示第四声时，Tσ表示第二传播时差；
需要说明的是，为了消除构件材料的厚度对传播声时的影响，在确定不同振动方向的两束超声波的传播时差时，采用百分比的方法，即利用声时差比上声时和的方式确定构件单位厚度超声波的传播时差。
其中，所述第二超声波时差、声弹性系数和残余应力之间的线性关系为：σ＝K(Tσ-T0),
其中，σ表示残余应力，K表示声弹性系数，Tσ表示第二传播时差，T0表示第一传播时差。
基于上述残余应力检测方法，本发明实施例还相应的提供一种残余应力检测装置400，请参阅图4，该残余应力检测装置400包括声时获取模块410、声弹性系数获取模块420、传播时差获取模块430和残余应力确定模块。
声时获取模块410，用于获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波的第三声时和第四声时；
声弹性系数获取模块420，用于基于预设的拉伸法，确定声弹性系数；
传播时差获取模块430，用于基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；
残余应力确定模块440，用于根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力。
如图5所示，基于上述残余应力检测方法，本发明还相应提供了一种电子设备，该电子设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该电子设备包括处理器510、存储器520及显示器530。图5仅示出了电子设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
存储器520在一些实施例中可以是该电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。存储器520在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器520还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器520用于存储安装于电子设备的应用软件及各类数据，例如安装电子设备的程序代码等。存储器520还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器520上存储有残余应力检测程序540，该残余应力检测程序540可被处理器510所执行，从而实现本申请各实施例的残余应力检测方法。
处理器510在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器520中存储的程序代码或处理数据，例如执行残余应力检测方法等。
显示器530在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器530用于显示在所述残余应力检测设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备的部件510-530通过系统总线相互通信。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种残余应力检测方法，其特征在于，包括：
获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波分别对应的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受残余应力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波分别对应的第三声时和第四声时；
获取声弹性系数；
基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；
根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力。
2.根据权利要求1所述的残余应力检测方法，其特征在于，所述第三声时为第三超声波振动方向与构件所受的残余应力平行时第三超声波在构件中的传播时长，所述第一声时为第一超声波的振动方向与第三超声波的振动方向一致时的传播时长；所述第四声时为第四超声波振动方向与构件所受的残余应力垂直时第四超声波在构件中的传播时长，所述第二声时为第二超声波的振动方向与第四超声波的振动方向一致时的传播时长。
3.根据权利要求1所述的残余应力检测方法，其特征在于，所述获取声弹性系数，包括：
基于预设的拉伸法，获取构件所受的实验残余应力，获取构件处于实验残余应力时第五超声波和第六超声波分别对应的第五声时和第六声时；
根据所述第五声时和第六声时的时差，确定第三传播时差；
根据所述实验残余应力对所述第三传播时差和第一传播时差之间的时差的影响程度，确定超声波时差；
根据所述实验残余应力和超声波时差之间的线性关系，确定声弹性系数。
4.根据权利要求3所述的残余应力检测方法，其特征在于，所述根据所述实验残余应力和超声波时差之间的线性关系，确定声弹性系数之前还包括：
采用预设的线性回归法，确定拉力值和超声波时差的定量关系。
5.根据权利要求1所述的残余应力检测方法，其特征在于，所述根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力，包括：
根据残余应力对第二传播时差和第一传播时差之间的时差的影响程度，确定第二超声波时差；
根据所述第二超声波时差和声弹性系数之间的线性关系，确定构件的残余应力。
6.根据权利要求1所述的残余应力检测方法，其特征在于，所述第一传播时差为：
Figure FDA0003710334070000021
其中，
Figure FDA0003710334070000022
表示第一声时，
Figure FDA0003710334070000023
表示第二声时，T0表示第一脉冲往返时程。
7.根据权利要求5所述的残余应力检测方法，其特征在于，所述第二超声波时差、声弹性系数和残余应力之间的线性关系为：σ＝K(Tσ-T0),
其中，σ表示残余应力，K表示声弹性系数，Tσ表示第二传播时差，T0表示第一传播时差。
8.一种残余应力检测装置，其特征在于，包括：
声时获取模块，用于获取构件处于未受力状态时，振动方向相互垂直的第一超声波和第二超声波分别对应的第一声时和第二声时，以及获取构件处于受残余应力状态时振动方向相互垂直的第三超声波和第四超声波分别对应的第三声时和第四声时；
声弹性系数获取模块，用于获取声弹性系数；
传播时差获取模块，用于基于第一声时和第二声时之间的时差，确定第一传播时差，基于第三声时和第四声时之间的时差，确定第二传播时差；
残余应力确定模块，用于根据第一传播时差、第二传播时差和声弹性系数之间的相关性，确定构件的残余应力。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-7任意一项所述的残余应力检测方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-7任意一项所述的残余应力检测方法中的步骤。
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