CN116754117A - 一种环类、板类残余应力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环类、板类残余应力检测方法，涉及应力检测技术领域，包括以下步骤：步骤一：准备0.5‑25MHz检测探头和残余应力超声检测仪，检测构件残余应力的分布和大小；步骤二：检测前，将被测构件的待测区域表面轻度修磨光整，标记好检测位置及序号；步骤三：制备与待测区域曲率相吻合的楔块，连接超声检测仪中的换能器和温度传感器；本发明通过超声纵波及横波波速随应力变化的原理检测出薄壁环类、板类零部件内部残余应力数值，采用超声临界折射纵波沿表层传播的特性，检测金属材料内部切向残余应力，通过多点位的检测，获得曲轴区域内部残余应力的分布状态，实现薄壁环类、板类零部件构件内部残余应力的原位检测。
Description
技术领域
本发明涉及应力检测技术领域，尤其涉及一种环类、板类残余应力检测方法。
背景技术
面向尖端武器发展的重大需求，通过轻合金代替钢铁、镍基合金减重从而提升武器性能是武器高性能化的一个重要发展方向，武器中需要用到薄壁环类、板类零部件，这些部件在生产制造过程中具有室温难加工、去材量大、存在弱刚度区域等特点，致使从坯料至后续加工后构件中残余应力分布不均匀、存在应力集中现象，进而导致加工变形严重，成品率低，更重要的是，在服役过程中，薄壁环类、板类零部件中滞留的残余应力在趋衡效应的作用下会诱使构件发生二次变形，这将直接导致武器发射的失败，甚至安全隐患；
对残余应力分布的认识不足导致了难以对该类薄壁构件加工变形规律和保形能力进行定量分析，成为该类构件保持加工精度和快速大批量生产的瓶颈，因此，本发明提出一种环类、板类残余应力检测方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种环类、板类残余应力检测方法，该环类、板类残余应力检测方法实现薄壁环类、板类零部件构件内部残余应力的原位检测，得到薄壁环类、板类零部件管内部残余应力梯度分布、残余应力的数值大小和方向，确定其内部残余应力变形分布规律。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种环类、板类残余应力检测方法，包括以下步骤：
步骤一：准备0.5-25MHz检测探头和残余应力超声检测仪，检测构件残余应力的分布和大小；
步骤二：检测前，将被测构件的待测区域表面轻度修磨光整，标记好检测位置及序号；
步骤三：制备与待测区域曲率相吻合的楔块，连接超声检测仪中换能器和温度传感器；
步骤四：设定抗干扰滤波带宽、超声激励电压、超声收发增益、应力系数、环境温度参数；
步骤五：测试前，当温度过低时，按照仪器操作规程预热5-10min，经调试，待测量温度显示及换能器耦合稳定后，开始进行残余应力检测；
步骤六：确定待测构件材料残余应力的基准数值，在开始检测前进行零应力标定，准备零应力试块用作标定；
步骤七：在换能器上均匀涂抹适量的耦合剂，再将换能器平稳地放置在待测构件表面，并确保探头表面与被检测构件表面稳固紧密耦合，进行检测；
步骤八：通过精确测量超声波的传播速度或声时，检测出被测工件内部的应力状态，采用超声临界折射纵波沿表层传播的特性，检测金属材料内部切向残余应力，接着进行多点位的检测，获得曲轴区域内部残余应力的分布状态。
进一步改进在于：残余应力超声检测仪的检测探头由收/发超声换能器和声楔块组成，超声换能器用于电能与声能相互转换，发超声换能器在工作过程中将电能通过机械振动转换成声能，收超声换能器则将声能转换成电能，过程是相逆的。
进一步改进在于：检测时，考虑声波入射时的法向深度，法线方向发生变化，由于声波实际的入射角偏离计算值，所以经过角度的补偿使声波入射产生临界折射纵波。
进一步改进在于：所述步骤一中，准备设备后，先根据现场实际情况确定探头中心频率和换能器间距。
进一步改进在于：所述步骤二中，将被测构件的待测区域表面用砂轮机或砂纸轻度修磨光整，当检测构件表面光整则忽略修磨。
进一步改进在于：所述步骤六中，在开始检测前进行零应力标定或调用对应构件的零应力参数，在零应力试块上进行零应力标定，检测过程中根据有无应力是声波传播时差求得原材料中残余应力的绝对数值大小。
进一步改进在于：所述步骤八中，具体检测为：当超声纵波以第一临界角斜入射到被检测构件表面时，依据Snell定律，在被检测材料内部产生和接收超声临界折射纵波，依据声弹性原理，材料中的残余应力影响超声波传播速度，当残余应力方向与纵波方向一致时，拉伸应力使超声波传播速度变慢或传播时间T延长，压缩应力使超声波传播速度加快或传播时间T缩短，因此，已知零应力σ0的材料内超声传播时间T0，就可以根据时间差求出被检测材料中的残余应力σ，数学关系式如下，
σ-σ0＝K(T-T0)或△σ＝K△T(1)
其中，K定义为应力系数，△σ和△T分别为残余应力的变化量和传播时间的变化量；σ为负值表示压缩残余应力，正值表示拉伸残余应力；
同时针对被测构件不同深度的残余应力进行准确测量，LCR波在被测介质中的渗透深度与超声换能器激励脉冲频率有关，当间隔一定频率改变激励和接收换能器的主频，检测深度发生改变，以通常采用的检测超声换能器中心频率0.5～25MHz为例，LCR波渗透深度与中心频率满足如下关系为：
D＝α×f-1.21 (2)
s
式中：
D—渗透深度(mm)；
f—超声换能器中心频率(MHz)；
αs—渗透深度修正系数，无量纲。
进一步改进在于：所述步骤八中，检测过程完成并显示检测的残余应力数值，正值(+)表示拉伸残余应力，负值(-)表示压缩残余应力。
本发明的有益效果为：
1、本发明针对薄壁环类、板类零部件残余应力，利用超声检测技术，通过超声纵波及横波波速随应力变化的原理检测出薄壁环类、板类零部件内部残余应力数值，采用超声临界折射纵波沿表层传播的特性，检测金属材料内部切向残余应力，通过多点位的检测，获得曲轴区域内部残余应力的分布状态，实现薄壁环类、板类零部件构件内部残余应力的原位检测，得到薄壁环类、板类零部件管内部残余应力梯度分布、残余应力的数值大小和方向，确定其内部残余应力变形分布规律，进而为开展消除和均衡残余应力的高能声束调控技术研究奠定基础。
2、本发明可广泛应用于航空航天、油气管道和兵器国防行业，支持多个型号装备及零部件的生产制造过程中，为理论和技术研究奠定了坚实的技术基础。
附图说明
图1为本发明的轴向残余应力检测示意图；
图2为本发明的周向残余应力检测示意图；
图3为本发明的超声临界折射纵波检测方法零应力试块尺寸示意图；
图4为本发明的超声体波检测方法零应力试块示意图；
图5为本发明的残余应力调控过程流程示意图；
图6为本发明的残余应力调控下降曲线示意图；
图7为本发明的拉伸试块示意图；
图8为本发明的铝合金PT结构示意图；
图9为本发明的铝合金PT结构正背面监测点位示意图；
图10为本发明的铝合金PT结构侧面监测点位示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例一
根据图1、2所示，本实施例提出了一种环类、板类残余应力检测方法，包括以下步骤：
步骤一：准备0.5-25MHz检测探头和残余应力超声检测仪，检测构件残余应力的分布和大小，先根据现场实际情况确定探头中心频率和换能器间距；
步骤二：检测前，将被测构件的待测区域表面用砂轮机或砂纸轻度修磨光整，标记好检测位置及序号；当检测构件表面光整则忽略修磨；
步骤三：制备与待测区域曲率相吻合的楔块，连接超声检测仪中换能器和温度传感器；
步骤四：设定抗干扰滤波带宽、超声激励电压、超声收发增益、应力系数、环境温度参数；
步骤五：测试前，当温度过低时，按照仪器操作规程预热5-10min，经调试，待测量温度显示及换能器耦合稳定后，开始进行残余应力检测；
步骤六：确定待测构件材料残余应力的基准数值，在开始检测前进行零应力标定或调用对应构件的零应力参数，准备零应力试块用作标定，在零应力试块上进行零应力标定，检测过程中根据有无应力是声波传播时差求得原材料中残余应力的绝对数值大小；
步骤七：在换能器上均匀涂抹适量的耦合剂，再将换能器平稳地放置在待测构件表面，并确保探头表面与被检测构件表面稳固紧密耦合，进行检测；
步骤八：通过精确测量超声波的传播速度或声时，检测出被测工件内部的应力状态，采用超声临界折射纵波沿表层传播的特性，检测金属材料内部切向残余应力，接着进行多点位的检测，获得曲轴区域内部残余应力的分布状态。
具体检测为：当超声纵波以第一临界角斜入射到被检测构件表面时，依据Snell定律，在被检测材料内部产生和接收超声临界折射纵波，依据声弹性原理，材料中的残余应力影响超声波传播速度，当残余应力方向与纵波方向一致时，拉伸应力使超声波传播速度变慢或传播时间T延长，压缩应力使超声波传播速度加快或传播时间T缩短，因此，已知零应力σ0的材料内超声传播时间T0，就可以根据时间差求出被检测材料中的残余应力σ，数学关系式如下，
σ-σ0＝K(T-T0)或△σ＝K△T(1)
其中，K定义为应力系数，△σ和△T分别为残余应力的变化量和传播时间的变化量；σ为负值表示压缩残余应力，正值表示拉伸残余应力；
同时针对被测构件不同深度的残余应力进行准确测量，LCR波在被测介质中的渗透深度与超声换能器激励脉冲频率有关，当间隔一定频率改变激励和接收换能器的主频，检测深度发生改变，以通常采用的检测超声换能器中心频率0.5～25MHz为例，LCR波渗透深度与中心频率满足如下关系为：
D＝α×f-1.21 (2)
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式中：
D—渗透深度(mm)；
f—超声换能器中心频率(MHz)；
αs—渗透深度修正系数，无量纲。
检测过程完成并显示检测的残余应力数值，正值(+)表示拉伸残余应力，负值(-)表示压缩残余应力。
超声波传播速度受应力状态的影响，当被测构件中存在压应力时，超声波传播速度加快；当被测构件中存在拉应力时，超声波传播速度减慢，以零应力试块的声速为基准，通过精确测量超声波的传播速度或声时，即可检测出被测工件内部的应力状态。采用超声临界折射纵波(简称LCR波)沿表层传播的特性，可以原位实时的无损检测金属材料内部切向残余应力，通过多点位的检测，可以获得曲轴区域内部残余应力的分布状态；
检测设备采用自主研发的残余应力超声无损检测系统，可准确实现对热处理构件残余应力梯度快速无损检测，准确判断和评估出材料残余应力的大小及拉压状态，该系统对检测表面质量无特殊要求，对人体和环境无害，检测过程智能化，人机交互界面友好，可存储输出检测报告，现场操作方便简单；
残余应力超声无损检测仪的检测探头由收/发超声换能器和声楔块组成，超声换能器用于电能与声能相互转换，发超声换能器在工作过程中将电能通过机械振动转换成声能，收超声换能器则将声能转换成电能，过程是相逆的。临界折射纵波法残余应力超声检测到的是激励换能器与接收换能器之间区域的平均残余应力。针对检测对象为铝合金的特点，残余应力检测时要考虑声波入射时的法向深度，法线方向发生变化，声波实际的入射角往往偏离计算值较多，经过角度的补偿使声波入射产生临界折射纵波。
本检测设备采用纵波换能器，中心频率0.5-25MHz。本次检测所用传感器为一发一收模式，由声楔块与超声换能器组成。检测区域长度(L)为临界折射纵波的激励和接收的声程(通常大于5mm～400mm)，宽度(W)为换能器声束宽度(通常为5mm～30mm)，深度(D)由换能器频率决定，如图1、2，探头中心频率4MHz，换能器间距为30mm。
实施例二
根据图3、4、5、6所示，准备零应力试块用作标定，残余应力检测系统能够对被检测构件可靠性做出客观评价，必须要保证试块的可靠性，所以提出了使用高能声束来制备零残余应力试块的技术方法，试块主要可以分为平面、曲面和柱状这三类。具体制备方法如下：
制备试块的选取应与相应被检工件或材料化学成分相同或相似的材料，且其声学特性应与被检工件或材料相同或接近，同时，需要先对其标定区域进行无损检测，例如，采用超声、射线、磁粉或渗透等无损检测的方法根据其相应的技术标准进行检测。
切向残余应力的超声临界折射纵波检测方法的零应力试块尺寸示意图如图3所示，试块尺寸为L×L×H(L＝100～200mm，H＝3.0～30.0mm)。试块长(L)和宽(L)是根据超声临界折射纵波探头尺寸确定的，通常为探头的长度的3倍以上，试块的厚度(H)则根据超声临界折射纵波检测频率或波长确定的，通常为波长的3倍以上或与被检测构件厚度一致，例如，对于纵波声速为4700m/s的普通碳钢，当检测频率为1.0-10.0MHz时，试块厚度约为3.0-30.0mm。
法向残余应力的超声体波检测方法零应力试块尺寸示意图如图4示，试块尺寸为D×H(直径D为5.0-20.0mm，H＝5.0～50.0mm)。试块直径(D)是根据超声体波探头直径确定的，通常为探头直径的1.5倍左右，试块长度(H)则根据超声纵波和横波检测频率或波长确定的，通常为波长的5～10倍以上或与被检测构件长度或厚度一致，例如，对于纵波声速为4700m/s或横波速度为3300m/s的普通碳钢，当检测频率为1.0-10.0MHz时，试块长度为2.5-25.0mm。
试块表面不得有划痕、凹坑、毛刺等缺陷，试块标定区域表面粗糙度Ra≤12μm。试块标定区域内部不得有任何缺陷，可采用超声、射线、磁粉或渗透等无损检测的方法、根据其相应的技术标准进行无损检测。
人工或自动调整大功率驱动输入信号的频率、振幅参数，调整功率电源功率参数和作用时间，开始调控。调控过程中，实时监测残余应力变化情况，也可以在调控后再进行残余应力的检测。
通常制备过程是一个反复调控、检测的过程(图5为其流程图)。试块的每一次调控，都会使得残余应力下降一部分，最后使得应力调控结果趋于平稳状态(如图6所示)，经过多次检测后，试块中驻留的残余应力保持在±30MPa之内，则认为试块的内部残余应力达到相对零应力。
实施例三
D406A钢试块的应力检测
拿到应力试块后，如图7所示。试验选取三种不同试块，分别对这几种不同试块进行拉伸应力检测。在对试块进行拉伸应力检测前，首先对其进行拉伸断裂试验获取材料屈服范围大于400MPa。先对试块进行预拉伸，之后对试块进行拉伸。拉伸过程中记录下单次检测应力值。检测点从100MPa开始，每隔30MPa去一次检测点，一直测到280MPa。
实施例四
铝、钛合金复合板板类构件应力测试
在该种板类构件均匀选区20个点位，通过应力检测探头对20个点位进行残余应力检测，在检测过程中，应力检测探头的频率为2.5MHz、5MHz、7.5MHz三种档位，并对20个点位进行横向、纵向两个方向的残余应力检测，并形成6组实验数据。
实施例五
铝合金PT结构，如图8
具体检测如下所示，构件平面检测区域分为正面，背面及侧面，其中侧面包含A面、B面、C面、D面，共计6个检测区域。正面及背面检测10个点位，如图9所示，各侧面检测8个点位，如图10所示。
本发明针对薄壁环类、板类零部件残余应力，利用超声检测技术，通过超声纵波及横波波速随应力变化的原理检测出薄壁环类、板类零部件内部残余应力数值，采用超声临界折射纵波沿表层传播的特性，检测金属材料内部切向残余应力，通过多点位的检测，获得曲轴区域内部残余应力的分布状态，实现薄壁环类、板类零部件构件内部残余应力的原位检测，得到薄壁环类、板类零部件管内部残余应力梯度分布、残余应力的数值大小和方向，确定其内部残余应力变形分布规律，进而为开展消除和均衡残余应力的高能声束调控技术研究奠定基础。本发明可广泛应用于航空航天、油气管道和兵器国防行业，支持多个型号装备及零部件的生产制造过程中，为理论和技术研究奠定了坚实的技术基础。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：准备0.5-25MHz检测探头和残余应力超声检测仪，检测构件残余应力的分布和大小；
步骤二：检测前，将被测构件的待测区域表面轻度修磨光整，标记好检测位置及序号；
步骤三：制备与待测区域曲率相吻合的楔块，连接超声检测仪中的换能器和温度传感器；
步骤四：设定抗干扰滤波带宽、超声激励电压、超声收发增益、应力系数、环境温度参数；
步骤五：测试前，当温度过低时，按照仪器操作规程预热5-10min，经调试，待测量温度显示及换能器耦合稳定后，开始进行残余应力检测；
步骤六：确定待测构件材料残余应力的基准数值，在开始检测前进行零应力标定，准备零应力试块用作标定；
步骤七：在换能器上均匀涂抹适量的耦合剂，再将换能器平稳地放置在待测构件表面，并确保探头表面与被检测构件表面稳固紧密耦合，进行检测；
步骤八：通过精确测量超声波的传播速度或声时，检测出被测工件内部的应力状态，采用超声临界折射纵波沿表层传播的特性，检测金属材料内部切向残余应力，接着进行多点位的检测，获得曲轴区域内部残余应力的分布状态。
2.根据权利要求1所述的一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于：残余应力超声检测仪的检测探头由收/发超声换能器和声楔块组成，超声换能器用于电能与声能相互转换，发超声换能器在工作过程中将电能通过机械振动转换成声能，收超声换能器则将声能转换成电能，过程是相逆的。
3.根据权利要求2所述的一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于：检测时，考虑声波入射时的法向深度，法线方向发生变化，由于声波实际的入射角偏离计算值，所以经过角度的补偿使声波入射产生临界折射纵波。
4.根据权利要求3所述的一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于：所述步骤一中，准备设备后，先根据现场实际情况确定探头中心频率和换能器间距。
5.根据权利要求4所述的一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于：所述步骤二中，将被测构件的待测区域表面用砂轮机或砂纸轻度修磨光整，当检测构件表面光整则忽略修磨。
6.根据权利要求5所述的一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于：所述步骤六中，在开始检测前进行零应力标定或调用对应构件的零应力参数，在零应力试块上进行零应力标定，检测过程中根据有无应力是声波传播时差求得原材料中残余应力的绝对数值大小。
7.根据权利要求6所述的一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于：所述步骤八中，具体检测为：当超声纵波以第一临界角斜入射到被检测构件表面时，依据Snell定律，在被检测材料内部产生和接收超声临界折射纵波，依据声弹性原理，材料中的残余应力影响超声波传播速度，当残余应力方向与纵波方向一致时，拉伸应力使超声波传播速度变慢或传播时间T延长，压缩应力使超声波传播速度加快或传播时间T缩短，因此，已知零应力σ0的材料内超声传播时间T0，就可以根据时间差求出被检测材料中的残余应力σ，数学关系式如下，
σ-σ0＝K(T-T0)或△σ＝K△T (1)
其中，K定义为应力系数，△σ和△T分别为残余应力的变化量和传播时间的变化量；σ为负值表示压缩残余应力，正值表示拉伸残余应力；
同时针对被测构件不同深度的残余应力进行准确测量，LCR波在被测介质中的渗透深度与超声换能器激励脉冲频率有关，当间隔一定频率改变激励和接收换能器的主频，检测深度发生改变，以通常采用的检测超声换能器中心频率0.5～25MHz为例，LCR波渗透深度与中心频率满足如下关系为：
D＝αs×f-1.21 (2)
式中：
D—渗透深度(mm)；
f—超声换能器中心频率(MHz)；
αs—渗透深度修正系数，无量纲。
8.根据权利要求7所述的一种环类、板类残余应力检测方法，其特征在于：所述步骤八中，检测过程完成并显示检测的残余应力数值，正值(+)表示拉伸残余应力，负值(-)表示压缩残余应力。
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