CN116952424A - 一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置及方法，装置包括吸附装置，用于将整个测量装置吸附在被检件上；探头支架，用于安装探头；压力驱动装置，用于驱动探头与被检件表面逐渐贴合；压力传感器，用于反馈压力驱动装置的压紧力，并将反馈值传输至电脑端；电脑端，用于控制压力驱动装置的工作，可通过设定压力值以控制压力驱动装置的压紧力，再根据超声探头的反馈信号，计算该压紧力下的残余应力值，并进行修正。通过上述装置的测试方法能够适用于多种大型曲面焊接构件的残余应力测量，通过确保探头与检测面贴合、可控自动调节检测时压紧力、基于声程变化的残余应力修正的方法来实现。

Description

一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置及方法

技术领域

本发明属于基于超声波法的焊接残余应力检测技术领域，特别涉及一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置及方法。

背景技术

随着航天技术的不断发展，焊接结构件的应用日益增加，但焊接的局部快速加热、冷却特性，极易在构件中产生较高的残余应力，影响构件在服役过程中的强度和整体稳定性，因此，准确测量焊接构件的残余应力对其安全服役至关重要。

目前，残余应力检测方法根据其对构件的破坏程度差异可分为破坏性的机械法(小孔法、裂纹柔度法等)和无损性的物理法(超声波法、X射线法、磁测法等)。其中，机械法是通过去除被测构件部分区域材料，释放被去除区域的应力，测量因应力释放导致构件产生的应变，计算出残余应力的大小。物理法是采用X射线、超声波等信号，检测由于外加应力导致的晶格畸变及传播声速的变化，从而计算残余应力值。相比机械残余应力测试方法，物理法不会对构件产生任何损伤，在大型精密航天设备制造及服役过程中的应力检测方面具有独特优势。超声波法具有穿透能力强、操作简单、无辐射等优点，克服了X射线测量深度浅、操作复杂等缺点，已得到广泛应用。针对钢等磁性材料，超声波探头主要采用磁吸方式将其固定在被检件表面，而钛合金、铝合金、复材等无磁性材料无法使用该方法固定探头，尤其是对于复杂曲面焊接构件，造成检测困难。此外，探头与被检件之间压紧力的大小会对超声波传播距离产生影响，造成应力测试误差，因此单纯依靠手压探头方式无法精准控制测试压紧力，进而无法对其应力测量值进行修正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于航天曲面焊接构件的高可靠性残余应力测量装置及方法，以解决现有技术中超声波残余应力检测普遍存在曲面难以贴合、检测结果可靠性差等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性残余应力测量装置，包括：

吸附装置，用于将整个测量装置吸附在被检件上；

探头支架，用于安装超声波探头；

压力驱动装置，用于驱动探头与被检件表面逐渐贴合；

压力传感器，用于反馈压力驱动装置的压紧力，并将反馈值传输至电脑端；

电脑端，用于控制压力驱动装置的工作，可通过设定压力值以控制压力驱动装置的压紧力，再根据超声波探头的反馈信号，计算该压紧力下的残余应力值，并进行修正。

一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性残余应力测量方法，包括：

将含有探头的应力测量装置固定在被检件表面并按初始设定值施加压紧力；

通过压力传感器和探头分别采集压紧力和超声纵波反射信号；

当探头与被检件表面的压紧力达到预设值时，读取探头反馈的超声波信号，计算该压紧力下的残余应力值，并进行修正。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明能够适用于大型曲面焊接构件残余应力的检测，利用摇摆式真空吸盘将装置固定于被检件，且利用透声橡胶确保探头与被检件表面贴合，可适用不同曲率构件。

(2)本发明能够实现大型曲面焊接构件残余应力的精准检测，通过步进电机的受控运动来引发压紧螺杆、探头支架、定位螺杆之间的联动，实现探头与被检件之间压紧力的自动调节，确保电脑端在既定压紧力条件下计算构件应力值，并对其测试值进行修正，得到相同声程下的残余应力测量值，便于实施不同位置残余应力的比较。

(3)本发明装置大量使用连接件固连，加工装配难度低，生产成本低，且装卸方便，，满足实际应用需求，对于促进超声波法残余应力检测在航天焊接构件的应用和推广具有重要意义。

附图说明

图1是本发明装置的三维示意图；

图2是本发明装置的气路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1、图2，本实施例的一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性残余应力测量装置，包括步进电机1、横板2、吸盘支架3、真空吸盘4、探头支架5、压力传感器6、探头7、滚花螺钉8、巡检仪9、电脑10、电机控制器11、弹簧12、定位螺杆13、金属垫片14、螺柱15、压紧螺杆16；

所述步进电机1与横板2固连，所述横板2与吸盘支架3固连，所述吸盘支架3与真空吸盘4固连，所述横板2与探头支架5借助两个定位螺杆13连接，所述探头支架5下方设有探头7，所述压力传感器6的上下两端分别与金属垫片14、探头支架5固连；

为了控制检测时被检件承受的压紧力一定，所述横板2分别设有与电机安装螺柱15、压紧螺杆16配合的螺纹槽，所述电机安装螺柱15用于固定步进电机1，所述压紧螺杆16的上端通过螺纹与步进电机1旋转轴连接，下端设有金属垫片14。通过步进电机的受控运动来引发压紧螺杆、探头支架、定位螺杆之间的联动，实现探头与被检件之间压紧力的自动调节，确保电脑端在既定的压紧力条件下计算构件应力值Δσ。

为了提高压力传感器的使用寿命，在压力传感器的一端设有金属垫片，通过垫片向压力传感器传送压力，有效防止压力传感器表面损伤。

进一步的，为了确保步进电机1始终能够带动压紧螺杆16运动，压紧螺杆16设有一定长度的螺纹槽，且开有键槽，当探头7与被检件表面充分贴合时，步进电机1的旋转轴仍有部分位于压紧螺杆16的螺纹槽内。

为了便于超声波探头装卸，所述探头支架5两侧设有螺纹孔，所述探头7借助两侧的滚花螺钉8旋紧固定在探头支架5内，使用完后拧松滚花螺钉可实现探头自动脱落。

为了便于固定定位螺杆13，避免晃动，在横板2上设有沉孔，所述的定位螺杆13上缠绕着弹簧12；当弹簧12处于自由状态时，可用于固定定位螺杆13，此时，所述探头7底面低于真空吸盘4的底面。当探头支架5未向下运动时，定位螺杆13在弹簧力12的作用下悬挂在横板上。

不同于传统的残余应力测量装置，本发明装置引入步进电机1，通过步进电机1的受控运动来引发压紧螺杆16、探头支架5、定位螺杆13之间的联动，实现探头7与被检件之间压紧力的自动调节，便于修正应力测量值，有效提高应力测量可靠性。

本发明所述真空吸盘4通过PU管与微型真空泵连接，并借助三通球阀控制进出气，完成该装置在被检件表面的压紧与卸载；所述真空吸盘4可全方位倾斜30°，结合透声橡胶，用于将本应力测量装置固定在各类曲面焊接构件表面，显著拓宽了超声波残余应力检测的应用范围。为了加强本装置在被检件表面的固定效果，提高检测精度，一方面，使用可任意方向旋转30°的摇摆式真空吸盘，能够适用不同曲率构件；另一方面，通过微型真空泵抽取吸盘及连接管内的空气，借助大气压将本装置固定在被检件表面，且真空吸盘呈对称分布，固定效果牢固可靠。

为了保证本装置的强度，吸盘支架均设有加强筋。

将该应力测量装置组装完毕，连接好电路、气路，使用方法如下：

S1：通过真空吸盘4将所述应力测量装置固定在被检件表面；

S2：向电脑端10写入电机运动控制程序并运行，随后通过向电机控制器11发出指令以控制步进电机1旋转；

S3：随着步进电机正向旋转，压紧螺杆16逐步向下运动，与金属垫片14接触，并借助定位螺杆13带动探头支架5向下运动，探头7端面通过透声橡胶与被检件表面逐渐贴合，同时向压力传感器6反馈该压紧力，该反馈值将通过巡检仪9传输至电脑端10；

若该压紧力未达到预设值(F)，则继续控制步进电机正向旋转，带动压紧螺杆16向下运动，直至达到预设值；

若该压紧力超过预设值(F)，则控制步进电机反向旋转，并带动压紧螺杆16反向运动，直至达到预设值；

S4：当探头7与被检件表面的压紧力达到预设值时，在电脑端10读取探头7反馈的超声波信号，基于残余应力测试值(Δσ)与声时差(Δt)之间的关系(Δσ＝K×Δt)，通过变换得到该压紧力下的应力测试值(Δσ)，再进行测试值修正。

已知测试材料的零应力系数(K)以及在零应力状态下的密度(ρ₀)、Lame常数(λ、μ)、声速透声橡胶的初始高度(H₀)、横截面积(A)、弹性模量(E)，该测试环境下的第一临界折射角(θ)、超声纵波传播声程(l₀)，基于声程变化的测试值修正方法包括以下步骤：

在声速一定的情况下，传播路程(l)与传播时间(t)成正比，因此对传播声程的补偿(Δl)相当于对传播时间的补偿；

鉴于压紧力(F)对超声纵波在被测材料中传播路程(l)的影响需要对传播声程进行补偿以确保获得均是在l₀情况下测得的残余应力值；

将基于声程变化的应力修正公式写入换算程序中，可获得在压紧力(F)、声程仍保持l₀情况下的残余应力测量值(Δσ')。

将上述修正公式写入换算程序中，可用于比较任意压紧力(F)下的在不同位置的残余应力值(Δσ')，若F不同、残余应力真实值相同，则可得到相同的应力测试值，消除了压紧力引起的声程变化的影响。

本发明方法步骤简单，能够实现所述装置在曲面焊接构件上的高可靠性残余应力测量。

Claims (9)

1.一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置，其特征在于，包括：

吸附装置，用于将整个测量装置吸附在被检件上；

探头支架，用于安装超声波探头；

压力驱动装置，用于驱动探头与被检件表面逐渐贴合；

压力传感器，用于反馈压力驱动装置的压紧力，并将反馈值传输至电脑端；

电脑端，用于控制压力驱动装置的工作，可通过设定压力值以控制压力驱动装置的压紧力，再根据超声波探头的反馈信号，计算该压紧力下的残余应力值，并进行修正。

2.根据权利要求1所述的用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置，其特征在于，修正公式为：

其中Δσ'为修正后的应力测试值，Δσ为未修正的应力测试值，F为压紧力，l₀为超声纵波传播声程，A为透声橡胶的横截面积，E为透声橡胶的弹性模量，H₀为透声橡胶的初始高度，θ为相应测试环境下的第一临界折射角，K为被检件材料的零应力系数，ρ₀为被检件材料的在零应力状态下的密度；λ、μ为被检件材料在零应力状态下的Lame常数。

3.根据权利要求1所述的用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置，其特征在于，所述探头支架通过定位螺杆与横板滑动连接，定位螺杆上设有弹簧，定位螺杆在弹簧力的作用下悬挂在横板上。

4.根据权利要求1所述的用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置，其特征在于，所述压力驱动装置包括固定在横板上的步进电机，与步进电机相连的压紧螺杆。

5.根据权利要求1所述的用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置，其特征在于，所述压力传感器设置在探头支架与压力驱动装置之间。

6.根据权利要求4所述的用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置，其特征在于，所述压力传感器与压力驱动装置之间设有垫片。

7.根据权利要求1所述的用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量装置，其特征在于，所述吸附装置采用吸盘。

8.一种用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量方法，其特征在于，包括：

将含有探头的应力测量装置固定在被检件表面并按初始设定值施加压紧力；

通过压力传感器和探头分别采集压紧力和超声波信号；

当探头与被检件表面的压紧力达到预设值时，读取探头反馈的超声波信号，计算该压紧力下的残余应力值，并进行修正。

9.根据权利要求8所述的用于航天曲面焊接构件的高可靠性应力测量方法，其特征在于，修正公式为：

其中Δσ'为修正后的应力测试值，Δσ为未修正的应力测试值，F为压紧力，l₀为超声纵波传播声程，A为透声橡胶的横截面积，E为透声橡胶的弹性模量，H₀为透声橡胶的初始高度，θ为相应测试环境下的第一临界折射角，K为被检件材料的零应力系数，ρ₀为被检件材料的在零应力状态下的密度；λ、μ为被检件材料在零应力状态下的Lame常数。