CN116735721A - 一种用于超声检测的柔性耦合楔块及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声检测的柔性耦合楔块。本发明柔性耦合楔块的楔块基体为变形行为具有力学阈值敏感性的动态交联高分子材料，且该力学阈值可以通过添加功能组分实现调控以满足不同检测需求。楔块具有形状可变性，其在外力作用下可以与任意不规则结构相贴合或补形，撤去外力后可保持所发生的形变，从而实现复杂工况下的超声检测；本发明还提供了柔性耦合楔块的应用方法，当柔性耦合楔块与超声探头贴合时，其在外力作用下发生变形与被测工件的表面复杂结构相匹配，撤去外力后，柔性耦合楔块保持自身形变，稳定超声探头与被测工件的距离。本发明在一定程度上解决了复杂表面原位超声检测难题，极大程度拓宽了复杂形状工件的检测方法。

Description

一种用于超声检测的柔性耦合楔块及其应用方法

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域的一种用于超声检测的材料和方法，具体为一种用于超声检测的柔性耦合楔块及其应用方法。

背景技术

无损检测技术在质量控制中扮演着十分重要的角色，是一门在对被测对象不造成破坏的前提下能够定征其内部机械性能及材料状态的应用学科。利用相关仪器识别材料内部缺陷引发的声、热、电等反应，可对缺陷的相关信息做出一定的评价和判断。现阶段，无损检测已经是工业领域不可获取的一部分，正发挥着越来越大的作用。

超声无损检测技术是最常用的无损检测方法之一，可通过超声信号往返与缺陷的时间来确定缺陷的大小及方位，通过测量回波信号的幅值大小确定缺陷尺度；有着测量范围广、测量准确性高、使用方便、无毒无害等特点，普遍应用于多种材料和设备的检测。

现阶段尽管超声检测技术已经取得了显著的进步，但现有的技术，面对复杂结构如任意不规则表面、小倾角和大曲率表面结构的原位超声检测仍然是一项具有挑战性的任务。

发明内容

针对以上提到的相关技术问题，本发明提出了一种能够与复杂表面耦合的柔性耦合楔块及其使用方法，用于与任意表面的保形接触，同时它可以与现有的相控阵探头无缝兼容，而无需进行其他技术修改。

本发明解决了复杂表面超声检测难题，克服了现有技术通过水浸检测要将原件拆除且需要水槽等一系列复杂配套设施的技术问题，本发明能够使用柔性楔块可以进行原位检测，不需水浸，极大程度拓宽了复杂形状工件的检测方法。

为实现上述目的，提供技术方案如下：

一、一种用于超声检测的柔性耦合楔块：

所述柔性耦合楔块是由楔块基体制备获得，所述楔块基体由动态交联高分子材料构成。

通常内部缺陷的超声检测都是依靠水作为介质进行检测，是将工件放置下水下，通过超声探头以水传递进行检测。

而本发明却是主要以动态交联高分子材料为介质，将工件和柔性耦合楔块均置于非水环境中，直接用超声探头以柔性耦合楔块作为传递介质对工件进行内部缺陷的检测。

所述动态交联高分子材料由一种或多种声衰特性不明显的材料构成，例如聚乙烯醇、聚硅氧烷、聚硼酸酯等。

所述动态交联高分子材料的声衰减率较低，信号幅值不易减弱，信号高频成分不易被吸收。所述的声衰特性不明显是指动态交联高分子材料的声阻抗与水接近，有效传递超声检测的声能至被测工件中，且不会产生除了超声检测以外影响检测的其他杂波。

更进一步地，所述动态交联高分子材料采用包括但不限于聚乙烯醇、聚硅氧烷、聚硼酸酯等。

所述动态交联高分子材料的网络结构中含有动态交联位点，使得网络结构的交联密度能够动态变化，这使得动态交联高分子材料能够发生塑形变形。

所述柔性耦合楔块进一步在楔块基体上添加功能组分进行调控获得，所述功能组分主要包括用于增大外力特征阈值的流动性减弱剂；

所述的流动性减弱剂包括但不限于纤维材料、二维片层材料和颗粒粉末填料等，纤维材料例如棉纤维、聚酯纤维，二维片层材料例如蒙脱土，碳纳米管，颗粒粉末颗粒例如氧化锌、氧化铝等。

实际应用中可根据具体地变形需求和外力阈值的关系调整流动性减弱剂的质量。通常情况下，表面结构越复杂或是曲率越大，则添加少量流动性减弱剂。

通过调控添加的功能组分的物质选择和加入量进而调整控制塑性流动的外力阈值进而调控柔性耦合楔块的变形行为。即柔性耦合楔块的力学阈值可根据不同工况下不同检测对象的要求，通过在动态交联高分子材料添加不同物质和不同量的功能组分进行调节。

楔块基体的动态交联高分子材料和功能组分之间是通过物理作用相互作用而调控柔性耦合楔块的整体性能。

所述楔块基体和功能组分之间的质量配比一般保证所述功能组分的质量分数不超过基体质量的5%，保证所述制备完成的柔性耦合楔块具备一定的屈服应力。

所述功能组分可根据实际检测所需的时间选取，当检测时间较长时，由于纤维材料可实现稳定的网格状结构，可选择纤维材料为组分；当检测时间较短或只采集少量数据时，可选择颗粒或二维片层材料作为功能组分。

原本所述动态交联高分子材料制备的楔块基体具有在外力作用下的变形能力，但其不具有保形能力，即在外力撤去后，材料无法稳定保持上一步中发生的变形。

本发明通过在楔块基体中添加功能组分，使得楔块的变形行为具有力学阈值敏感性，进而本发明能够实现了以下的功能：

在大于特定阈值的外力作用下，楔块具有塑形能力，能够发生变形从而与任意不规则表面进行贴合或补形；

在撤去外力后，楔块具有保形能力，使得在前面外力作用下发生的变形能够被稳定保持，从而稳定超声探头与被测工件的相对位置，满足无损检测的需要。

本发明的柔性耦合楔块在不影响超声传导的前提下，所述楔块能够应用于复杂表面结构工件的原位超声检测。

将楔块基体和功能组分进行物理上的混合制备获得柔性耦合楔块。

具体是将楔块基体和功能组分充分混合，待充分分散后置于液压机中进行压缩除泡，随后静置一段时间获得。

本发明的柔性耦合楔块在复杂表面结构工件的原位超声检测中应用。

本发明所述的超声检测是检测工件内部的缺陷。

所述的结构工件中的复杂表面是指搭配耦合剂的超声探头无法原位检测的区域，如任意不规则表面、小倾角和大曲率表面结构等。

小倾角是指倾角小于90°以下；

大曲率是指曲率大于2以上。

具体的复杂表面可以例如为燕尾槽结构、深沟槽结构、拱形结构、阵列凹槽结构等。

二、柔性耦合楔块的超声检测应用方法，所述方法包括：

1)对柔性耦合楔块施加大于用于控制塑性流动的特定外力阈值的外力，使得柔性耦合楔块塑性变形，柔性耦合楔块的表面贴合匹配具有复杂表面的被测工件的表面；

2)撤去外力，柔性耦合楔块具有保形能力，柔性耦合楔块保持形状不变，柔性耦合楔块保持步骤1)中的变形，能够稳定超声探头与被测工件之间的相对位置，使用超声探头贴近柔性耦合楔块进行超声无损检测。

所述步骤1)具体为：

将柔性耦合楔块放置在被测工件复杂表面的表面上，超声探头向柔性耦合楔块和被测工件的法向靠近移动，待超声探头与柔性耦合楔块接触后再继续对施加大于用于控制塑性流动的特定外力阈值的外力，使柔性耦合楔块边变形边充分接触填充于被测工件的复杂表面，同时超声探头与被测工件之间被柔性耦合楔块间隔开保持距离。

所述用于控制塑性流动的外力阈值通过在柔性耦合楔块中添加功能组分进行调控，即使得柔性耦合楔块具有力学阈值敏感性。

通过添加功能填料（调整种类及含量），可调控楔块的变形行为的力学阈值敏感性，以满足不同的检测需求。

在进行步骤2)之后，所述柔性耦合楔块进一步再继续施加力使其变形从被测工件的表面中取出，进而再重复步骤1)-步骤2)的过程用于另一个或者下一次被测工件表面的超声检测。

由此，所述柔性耦合楔块能够进一步再继续施加力使其变形，即可重复利用，直到其力学特性或声学特性无法满足检测要求。

本发明的柔性耦合楔块基体为动态交联高分子材料，且通过添加功能组分可以调控楔块变形行为以满足不同检测需求，楔块具有形状可变性，可使其与任意不规则结构相贴合或补形，从而实现复杂工况下的超声检测。

本发明还提供了上述用于超声检测的柔性耦合楔块的应用方法：当柔性耦合楔块与超声探头贴合时，其在外力作用下发生变形与被测工件的表面复杂结构相匹配，撤去外力后，柔性耦合楔块可保持自身形变，从而稳定超声探头与被测工件的距离，满足原位超声无损检测需要。

本发明的有益效果是：

由于现阶段检测复杂表面结构工件的方法一般均采用水浸法，必须先拆除原有结构件，无法实现原位检测；同时市面上常规的水囊等辅助物品均无法适配小倾角和大曲率等表面结构。本发明方案下进行超声检测材料成本低，力学流变性能优异，对声波传导没有影响，且可以重复使用，将大大填补复杂工件的原位检测技术的空白，提高复杂表面下缺陷的检测能力。

附图说明

图1为本发明所述动态交联高分子材料的屈服应力图。

图2为本发明所述动态非共价交联高分子结构式。

图3为本发明所述流动性增强/减弱剂微观结构示意图。

图4为本发明所述柔性耦合楔块的制备流程图。

图5为本发明所述柔性耦合楔块参与超声检测的过程示意图。

图6为实施例一中所用柔性耦合楔块的屈服应力图。

图7为实施例中被测工件区域示意图。

图8为实施例一中被测工件缺陷的超声检测全矩阵成像图。

图9为实施例二中所用柔性耦合楔块的屈服应力图。

图10为实施例二中被测工件缺陷的超声检测全矩阵成像图。

图11为实施例三中所用柔性耦合楔块的屈服应力图。

图12为实施例三中被测工件缺陷的超声检测全矩阵成像图。

图13为实施例四中所用柔性耦合楔块的屈服应力图。

图14为实施例四中被测工件缺陷的超声检测全矩阵成像图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明要求的保护的范围并不局限于。

本发明一方面利用动态交联高分子材料基体的可调变形行为。楔块在大于特定阈值的外力作用下具有形状可塑性，可使其与任意不规则结构相贴合或补形，在外力撤去后具有保持形状的能力，从而稳定探头与被测件的相对位置，从而实现复杂工况下的超声检测。

另一方面，本发明通过在动态交联高分子材料的楔块基体中进一步添加功能组分，使得楔块的变形行为具有力学阈值敏感性，在不具有压力或是较低压力的情况下具备保形能力。

力学阈值敏感性具体为：

如图1所示，当施加的外力的大小大于力学阈值时（屈服应力），材料应变率快速升高，具有塑形变形行为，具有良好的塑形能力；当撤去外力或是施加外力小于力学阈值时，材料应变率较小，材料具有弹性变形行为，具有良好的保形能力。

如图4所示制备流程图，首先在高分子材料基材中填充功能组分，用于调整所述柔性耦合楔块的特征力学阈值满足检测场景的要求。接着可对混合物进行冷压除泡或静置一段时间。混合物气泡消除后可对混合体进行一定的声学特性检测，记录声速、声衰等参数，符合设计要求即可完成制备。

具体实施中，如图2所示，所述动态共价交联高分子网络通常选用以氢键相互作用作为交联位点的聚硅氧烷和聚乙烯醇等。

具体实施中，如图3所示，所述流动性减弱剂一般使用纤维材料或二维片层材料，分散均匀的纤维混合物在高分子材料主体内部形成新的网格结构，楔块的流动性能减弱，塑形能力减弱，保形能力增强，即使材料发生塑性流动的力学特征阈值增大。

本发明柔性耦合楔块参与工件超声检测的应用过程如图5所示：

（1）选择检测位置，取适量柔性耦合楔块2放置在被测工件3的表面复杂结构上，超声探头1向被测工件3的法向靠近移动，待探头1与柔性耦合楔块2接触后（图5中虚线位置）施加一定外力，外力大于外力阈值，使柔性耦合楔块2在变形的同时逐渐填充复杂表面，同时将超声探头1的下表面与被测工件3的上表面被变形后的柔性耦合楔块2隔离而保持一定距离；

（2）待超声探头1与被测工件3相对位置稳定后，控制相关系统发射超声信号，并接收内部缺陷4的回波；

（3）撤去超声探头1，再施加一定外力或者不施加取出柔性耦合楔块2，至下一检测点重复（1）步操作。

本发明的实施例具体如下：

实施例一：制备方法：称取50 g聚乙烯醇和1.0 g棉纤维（聚乙烯醇质量的2%）于开炼机中进行开炼，待棉纤维在聚硅氧烷基体中充分分散后利用液压机进行压缩除泡，随后静置24h。测得材料声速为1090 m/s，声衰不明显。进一步的，利用流变测试检测其变形行为的力学敏感性，见图6，测得其屈服应力值为57.36Pa。

应用过程：将制备完成后的柔性耦合楔块取放置在表面结构为燕尾槽的待测工件上，如图7，其中槽顶宽5 mm，槽底宽15 mm，槽深5 mm。工件长150 mm，宽30 mm，高30 mm。距离燕尾槽底4 mm处有一直径为2 mm的通孔模拟待测缺陷。将超声相控阵探头与楔块表面相贴合，法向施加压力后使楔块填充燕尾槽内部，同时使探头下表面与待测工件上表面保持5mm间距。进一步的，撤去法向压力并使超声探头保持稳定。接着操作超声探头控制系统，发射并接收回波信号，即可完成既定检测任务。如图8，超声相控阵全矩阵成像可清晰呈现通孔缺陷轮廓。完成检测任务后，施加外力从燕尾槽中取出楔块可至下一检测点重复使用。

实施例二：

制备方法：称取50 g聚乙烯醇和1.0 g锌白（聚乙烯醇质量的2%）与开炼机中进行开炼，待锌白颗粒充分分散于聚乙烯醇后至于液压机中进行压缩除泡，随后静置24 小时。测得材料声速为1100 m/s，声衰不明显。进一步的，利用流变测试检测其变形行为的力学敏感性，见图9，测得其屈服应力值为25.9Pa。

应用过程：将制备完成后的柔性耦合楔块取少许放置在表面为燕尾槽的被测工件上，同实施例一。重复实施例一的操作，如图10，超声相控阵全矩阵成像可清晰呈现通孔缺陷轮廓。完成检测任务后，施加外力从燕尾槽中取出楔块可至下一检测点重复使用。

实施例三：

制备方法：称取50 g聚乙烯醇、1.0 g蒙脱土片层（聚乙烯醇质量的2%）材料，随后，室温下将聚乙烯醇放置在开炼机中，少量多次加入蒙脱土后混炼30分钟；待蒙脱土充分分散后将混合体放入液压机中冷压除泡。除泡完成后静置24 小时，测得材料声速为1120 m/s，声衰不明显。进一步的，检测其流变特性，见图11，测得其屈服应力值为85.31Pa。

应用过程：将制备完成后的柔性耦合楔块取少许放置在表面为燕尾槽的被测工件上，同实施例一。重复实施例一的操作，如图12，超声相控阵全矩阵成像可清晰呈现通孔缺陷轮廓。完成检测任务后，施加外力从燕尾槽中取出楔块可至下一检测点重复使用。

实施例四：

制备方法：直接称取50 g聚乙烯醇基体作为柔性楔块。测得材料声速为900 m/s，声衰不明显，进一步的，利用流变测试检测其变形行为的力学敏感性，见图13，测得其屈服应力为0.54Pa。

应用过程：将制备完成后的柔性耦合楔块放置在表面为燕尾槽的被测工件上，同实施例一。将超声相控阵探头与楔块表面相贴合，法向施加小于实施例一、二、三中的压力即可使楔块填充燕尾槽内部，同时使探头下表面与待测工件上表面保持5 mm间距。进一步的，夹持超声探头不动以保持稳定。接着操作超声探头控制系统，发射并接收回波信号，即可完成既定检测任务。如图14，超声相控阵全矩阵成像可清晰呈现通孔缺陷轮廓。完成检测任务后，施加外力从燕尾槽中取出楔块可至下一检测点重复使用。

实施例五：

制备方法同实施例一

应用过程：将制备完成后的柔性耦合楔块取少许放置在表面为齿轮的被测工件上。重复实施例一的操作施加外力，超声相控阵全矩阵成像可清晰呈现缺陷轮廓。

完成齿轮检测任务后，不施加外力直接从齿轮表面上取下柔性耦合楔块，然后将柔性耦合楔块放置在表面为齿条的被测工件上，重复实施例一、二的操作施加外力，再次超声相控阵全矩阵成像可清晰呈现缺陷轮廓。

完成齿条检测任务后，不施加外力直接从齿条表面上取下柔性耦合楔块，然后将柔性耦合楔块放置在表面为燕尾槽的被测工件上，重复实施例一、二的操作施加外力，再次超声相控阵全矩阵成像可清晰呈现缺陷轮廓。

完成所有检测任务后，施加外力从燕尾槽中取出楔块，可下次重复使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

在实际检测中，如实施例四的仅使用基体材料的楔块由于屈服应力较小，有时会导致超声探头位置出现倾斜，稳定性稍差，影响成像效果；而其他实施例的填充纤维或二维片层材料的柔性楔块检测时稳定性更强，缺陷的成像效果更好。

Claims (10)

1.一种用于超声检测的柔性耦合楔块，其特征在于：

所述柔性耦合楔块是在楔块基体上添加功能组分获得，所述楔块基体由动态交联高分子材料构成；

所述功能组分主要包括流动性减弱剂；

所述的流动性减弱剂为纤维材料、二维片层材料和颗粒粉末填料中的一种或者多种。

2.根据权利要求1所述的一种用于超声检测的柔性耦合楔块，其特征在于：

所述动态交联高分子材料由一种或多种声衰特性不明显的材料构成。

3.根据权利要求1所述的一种用于超声检测的柔性耦合楔块，其特征在于：

所述的纤维材料采用棉纤维或者聚酯纤维，所述的二维片层材料采用蒙脱土或者碳纳米管，所述的颗粒粉末颗粒采用蒙氧化锌或者氧化铝。

4.根据权利要求3所述的一种用于超声检测的柔性耦合楔块，其特征在于：

通过调控添加的功能组分的物质选择和加入量进而调整控制塑性流动的外力阈值进而调控柔性耦合楔块的变形行为。

5.权利要求3-4任一所述柔性耦合楔块的制备方法，其特征在于：

将楔块基体和功能组分进行混合制备获得柔性耦合楔块。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

具体是将楔块基体和功能组分充分混合，待充分分散后进行压缩除泡，随后静置获得。

7.权利要求1-4任一所述柔性耦合楔块的应用，其特征在于：在结构工件的原位超声检测中的应用。

8.基于权利要求1-4任一所述柔性耦合楔块的超声检测方法，其特征在于，所述方法包括：

1)对柔性耦合楔块（2）施加大于外力阈值的外力，使得柔性耦合楔块（2）变形，柔性耦合楔块（2）的表面贴合匹配被测工件的表面；

2)撤去外力，柔性耦合楔块（2）保持形状不变，使用超声探头贴近柔性耦合楔块（2）进行超声无损检测。

9.根据权利要求8所述的超声检测方法，其特征在于，

所述步骤1)具体为：

将柔性耦合楔块（2）放置在被测工件（3）的表面上，超声探头（1）向柔性耦合楔块（2）和被测工件（3）的靠近移动，待超声探头（1）与柔性耦合楔块（2）接触后再继续对施加大于外力阈值的外力，使柔性耦合楔块（2）边变形边充分接触填充于被测工件（3）的表面；所述外力阈值通过在柔性耦合楔块中添加功能组分进行调控。

10.根据权利要求8所述的超声检测方法，其特征在于，

在进行步骤2)之后，所述柔性耦合楔块进一步再继续施加力使其变形从被测工件（3）的表面中取出，进而再重复步骤1)-步骤2)的过程用于另一个或者下一次被测工件（3）表面的超声检测。