CN117870952A - 梯度应力加载装置以及残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准方法 - Google Patents

Abstract

一种梯度应力加载装置，用于在拉压机上对试样进行应力加载，其特征在于，包括：上固定台，固定连接在拉压机的上压台下端；压头，固定连接在上固定台的下端面上，并向下延伸至试样处，压头与试样在对称的两个接触位置线接触；下固定台，固定连接在拉压机的下压台上端；试样支撑槽，呈长方形槽体，长方形槽体中间位置开有镂空的U型缺口，在靠近长方形槽体两端对称位置处，分别水平开有两对贯穿长方形槽体的螺栓孔；两个塞打螺栓，分别通过两螺栓孔伸入并穿过长方形槽体，试样放置在长方形槽体中，试样的两端架在两塞打螺栓上；检测楔块，设置在试样中间位置的正下方，检测楔块的上表面与试样接触，检测楔块上设置有宽频探头。

Description

梯度应力加载装置以及残余应力宽频谐波检测仪的标定与校 准方法

技术领域

本申请涉及残余应力超声无损检测领域，特别涉及一种梯度应力加载装置以及使用梯度应力加载装置的残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准方法。

背景技术

残余应力广泛存在于各种机械构件全生命周期内，在服役过程中了解其内部应力梯度是非常重要的。残余应力无损检测方法中的超声检测法，具有检测迅速、检测精度高、携带便携等工程优势，已经广泛应用在航天、航空、兵器、铁路等重大领域。

残余应力宽频谐波检测仪其主要检测原理为声弹性理论和临界折射纵波理论，根据研究可得，超声波的频率可影响临界折射纵波的传播深度，根据此特性，可以改变不同的激励频率进而测得不同深度的应力梯度分布。根据宽频超声检测仪测得应力值为相对值，与真是应力值之间存在一定的偏差，得到构件内部真实残余应力分布具有重要的意义。因此，在利用超声宽频谐波检测法进行残余应力应力梯度检测的过程中，检测系统需要可产生应力梯度的装置来进行校准与标定，验证检测分辨力。

根据文献调研，国内外应力梯度试样研究较少，存在不足。专利(徐春广等.残余应力梯度分布定值试块[P].中国专利:CN108287038B，2020-09-22.)提供了一种残余应力梯度加载试块，该试块呈U型，在开口处使用螺栓施加力，在顶部可产生应力梯度分布。但是，该试块产生的梯度水平方向不均匀，同一深度下，应力数值不相等，并且在深度方向，线性度不好，在对残余应力宽频谐波检测仪标定与校准时，会产生较大的误差，不能较为精确的校准仪器。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种梯度应力加载装置，可检测距离测试表面不同深度处加载出的不同应力值，为残余应力宽频谐波检测仪进行拉伸残余应力的校准和标定。其具体结构包括：上固定台，固定连接在所述拉压机的上压台下端；压头，固定连接在所述上固定台的下端面上，并向下延伸至所述试样处，所述压头与所述试样在对称的两个接触位置线接触；下固定台，固定连接在所述拉压机的下压台上端；试样支撑槽，呈长方形槽体，所述长方形槽体的尺寸大于所述压头的尺寸，所述长方形槽体中间位置开有镂空的U型缺口，所述U型缺口的宽度大于所述压头的长度，在靠近所述长方形槽体两端对称位置处，分别水平开有两对贯穿所述长方形槽体的螺栓孔；两个塞打螺栓，分别通过两所述螺栓孔伸入并穿过所述长方形槽体，所述试样放置在所述长方形槽体中，所述试样的两端架在两所述塞打螺栓上，所述试样的中心位置与所述长方形槽体的中心位置对齐；检测楔块，设置在所述试样中间位置的正下方，所述检测楔块的上表面与所述试样接触，所述检测楔块的长度小于两所述接触位置的距离，所述检测楔块上设置有宽频探头，所述宽频探头与残余应力宽频谐波检测仪电连接。

采用上述具体结构，梯度应力加载装置通过上固定台与拉压机的上压台固定连接，并通过下固定台与拉压机的下固定台固定连接。压头收到拉压机上固定台的下压力对试样进行压迫。试样固定在试样支撑槽中，能够在测试时更好的固定试样。塞打螺栓支撑着试样靠近两端的两个支撑线，用以控制试样的受力宽度。检测楔块设置在试样的正下方并相互接触，在试样受力时，检测楔块能够检测到试样的受力情况，使用宽频探头去检测内部拉伸残余应力，改变不同的频率即可测得不同深度的应力值。

作为一个可能的实现方式，所述长方形槽体的所述螺栓孔上方开设有两对销孔，两对所述销孔处于所述试样的上方，两销钉通过所述销孔贯穿所述长方形槽体。

采用上述可能的实现方式，试样上方设有一对销钉，能够阻挡试样，防止试样在受压时发生弹飞，对设备及实验人员造成伤害。

作为一个可能的实现方式，所述压头下端面上，且平行于所述压头下端面的两侧边设置有两个半圆柱状凸起形成所述两个接触位置线接触，两所述半圆柱凸起的位置以所述压头下端面的中心点相对称。

作为一个可能的实现方式，所述上固定台为底部封闭的第一套筒，所述第一套筒的尺寸与所述上压台的尺寸相配合，所述上固定台套在所述上压台上并用螺栓固定。

作为一个可能的实现方式，所述下固定台为顶部封闭的第二套筒，所述第二套筒的尺寸与所述下压台的尺寸相配合，所述下固定台套在所述下压台上。

作为一个可能的实现方式，所述检测楔块呈倒梯形，所述检测楔块下端面上分别靠近左右两端面处设置有向上倾斜的斜面，两所述斜面上分别设置有所述宽频探头。

作为一个可能的实现方式，所述检测楔块与所述样品的接触面涂抹有耦合剂。

作为一个可能的实现方式，所述螺栓孔为腰型孔，所述腰型孔的上下两边为直线，所述腰型孔的左右两边为圆弧边，所述塞打螺栓能够在所述螺栓孔中沿水平方向调节，以调整试样的受力间距。

作为一个可能的实现方式，其特征在于，所述试样的表面粗糙度小于1.6um，加工精度为I T5级；所述试样在进行测试前，使用高能声束去除其内部残余应力。

一种残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准方法，其特征在于，使用如上文所述的梯度应力加载装置对所述试样进行应力加载，通过改变超声波检测频率，测得所述试样中不同深度的应力值，然后与所述试样模拟仿真时得到的应力值进行对比，完成残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准，所述方法具体包括：将试块安装在梯度应力加载装置上；对试块施加应力，并使用残余应力宽频谐波检测仪检测试块不同深度的应力值；将得到的试块应力值与通过软件计算得出的应力值一一进行比较，并对残余应力宽频谐波检测仪进行校准。

附图说明

下面参照附图来进一步说明本申请的各个技术特征和它们之间的关系。附图为示例性的，一些技术特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本申请所属技术领域中惯用的且对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征，或是额外示出了对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征，也就是说，附图所示的各个技术特征的组合并不用于限制本申请。另外，在本申请全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：

图1为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置的装配图；

图2为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置的剖面图；

图3为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置对试样施加压力时的试样受力分析图；

图4为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置对试样施加压力时的试样仿真应力云图；

图5为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置对试样施加压力时距离试样下表面深度1.5mm处的路径云图；

图6为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置对试样施加压力时距离试样下表面深度1.5mm处的路径应力分布图；

图7为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置对试样施加压力时的试样中间截面应力分布云图；

图8为本申请实施例涉及的梯度应力加载装置对试样施加压力时的试样沿深度方向应力分布图。

附图标记说明：10-上固定台；11-第一套筒；20-压头；21-半圆柱凸起；30-销钉；40-试样支撑槽；41-U型缺口；42-螺栓孔；50-试样；60-塞打螺栓；70-检测楔块；71-宽频探头；80-下固定台；81第二套筒。

具体实施方式

下面，参照附图对本申请的具体实施方式进行详细的说明。

本申请提供一种梯度应力加载装置，安装在拉压机上，用于对试样50施加梯度应力。如图1、2所示，本申请实施例涉及的梯度应力加载装置具体结构包括：上固定台10、压头20、试样支撑槽40、塞打螺栓60、检测楔块70以及下固定台80。

其中，如图1、2所示，上固定台10与拉压机的上压台固定连接。上固定台10为底部封闭的第一套筒11，第一套筒11的尺寸与上压台的尺寸相配合，上固定台10套在上压台上并用螺栓固定。

其中，如图1、2所示，压头20固定连接在上固定台10的下端面上，并向下延伸至试样50处，压头20与试样50在对称的两个接触位置线接触。压头20下端面上，且平行于压头20下端面的两侧边设置有两个半圆柱状凸起形成两个接触位置线接触，两半圆柱凸起21的位置以压头20下端面的中心点相对称。

其中，如图1、2所示，试样支撑槽40呈长方形槽体，长方形槽体的尺寸大于压头20的尺寸，长方形槽体中间位置开有镂空的U型缺口41，U型缺口41的宽度大于压头20的长度，在靠近长方形槽体两端对称位置处，分别水平开有两对贯穿长方形槽体的螺栓孔42。长方形槽体的螺栓孔42上方开设有两对销孔，两对销孔处于试样50的上方，两销钉30通过销孔贯穿长方形槽体。

其中，如图1、2所示，塞打螺栓60为两个，分别通过两螺栓孔42伸入并穿过长方形槽体，试样50放置在长方形槽体中，试样50的两端架在两塞打螺栓60上，试样50的中心位置与长方形槽体的中心位置对齐。

在本实施例中，螺栓孔42为腰型孔，腰型孔的上下两边为直线，腰型孔的左右两边为圆弧边，塞打螺栓60能够在螺栓孔42中沿水平方向调节，以调整试样50的受力间距。试样50的受力间距为100mm至150mm，当调整好两个塞打螺栓60后，使用螺母将两塞打螺栓60固定。

其中，如图1、2所示，检测楔块70设置在试样50中间位置的正下方，检测楔块70的上表面与试样50接触，检测楔块70的长度小于两接触位置的距离，检测楔块70上设置有宽频探头71，宽频探头71与残余应力宽频谐波检测仪电连接。检测楔块70呈倒梯形，检测楔块70下端面上分别靠近左右两端面处设置有向上倾斜的斜面，两斜面上分别设置有宽频探头71。调控楔块70的中间垂直截面应在试样50的中间垂直截面的正下方。

在本实施例中，检测楔块70与样品的接触面涂抹有耦合剂。耦合剂能够更好的传导电磁波，能够提高宽频探头71的探测精度。

在本实施例中，可以用胶带、扎带等辅助固定工具将检测楔块70与试样50固定，以防止在测试过程中调控楔块70与试样50发生移位。

其中，如图1、2所示，下固定台80固定连接在拉压机的下压台上端。下固定台80为顶部封闭的第二套筒81，第二套筒81的尺寸与下压台的尺寸相配合，下固定台80套在下压台上。

在本实施例中，试样50的尺寸截面为10～25mm的正方形，长度范围为100～200mm，具体数值可根据应力标定需求确定。

在本实施例中，试样50加工时的尺寸误差会影响检测结果。为尽量降低与理论值对比时的误差，试样的尺寸加工精度应为I T5级以上。

在本实施例中，试样50的表面不能存在划痕、凹陷等缺陷，且其表面粗糙度小于1.6um。

在本实施例中，试样50在进行测试前，应提前使用高能声束去除其内部残余应力，从而降低残余应力产生的误差。

在本实施例中，试样50的材料应与被测材料一致，如被测材料为钢，则试样50的材料也为同牌号钢。

下面，对本申请实施例涉及的梯度应力加载装置的使用方法进行介绍。

步骤一，将上固定台安装到上压台上；将下压台安装到下压台上。

步骤二，将试样50与检测楔块70相互固定并放入试样支撑槽40内的U型缺口41处。并调整其位置，使二者组合体位于防试样支撑槽40的中间。

步骤三，根据试样50所需要的受压距离调整两塞打螺栓60的位置，并使用螺栓将两塞打螺栓60固定。

步骤四，将两销钉插入到试样支撑槽40中。

步骤五，控制拉压机带动压头20对试样50进行挤压。

相应的，本申请还提供一种残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准方法，具体方法为使用梯度应力加载装置对试样50进行应力加载，通过改变超声波检测频率，测得试样50中不同深度的应力值，然后与试样50的模拟仿真应力值进行对比，完成残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准。

在本实施例中，试样的模拟仿真应力值是通过软件对特定几何结构的试块受压时不同深度(不同路径)的应力进行分析计算得出。

控制拉压机对试样50进行压缩，试样50在接触到压头20时，试样50下的两个塞打螺栓60支撑试样50，压头20的两个半圆柱凸起21对试样50进行压缩。如图3所示，试样50在四点受力的状态下，中间区域会产生相等的弯矩，进而产生较为平滑线性的应力梯度。控制拉压机的压力，即可在试样50中加载出不同范围的应力梯度。

例如，拉压机施加10KN的压力，如图4所示，试样50被压头20压到的中间区域内(两半圆柱凸起21之间的试样50区域)，产生了水平均匀的应力层，为了进一步查看应力层的分布情况，提取平行于试样50检测表面(下表面)深度1.5mm的路径的应力值。如图6所示，将路径的应力值提取出绘制点线图，检测出试样50中部有一定长度的等值应力层(图6中距试样左端长度40mm左右位置至100mm位置处)，既判断出试样具有较好的均匀性。

如图7所示，在试样下表面处应力值最大，随着探测深度逐渐增加，应力会逐渐减小。在试样50的中间层应力为0。相应的，试样50中间到上表面则转变为压应力。如图7所示，试样50深度方向的应力层在统一深度下，宽度方向也是比较均匀的。沿深度方向提取应力值，绘制点线图，如图8所示，试样50沿深度方向的应力呈线性分布。现有技术中，当改变探测波频率时，临界折射纵波沿深度方向的传播深度往往是非线性的。但，根据上文所述，当试样50沿深度方向的应力分布为线性时，就便于实验人员提取到试样50特定深度的应力值。所得到的特定深度应力值可与模拟所得到的应力检测值进行对比，以完成残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准。

在本实施例中，试样50的模拟仿真应力值是通过软件Ansys Workbench(由Ansys公司开发的模拟防止软件)计算得到，在软件内的具体设置过程为：在静力学模块构建模型；将材料参数设置为同试验材料，例如结构钢；在压头上添加均布力10KN；试样网格划分选择六面体网格，如需提高精度，可设置更多的网格数；将销钉与试样之间的接触设置为摩擦接触。之后，进行仿真计算即可得到试样50的模拟仿真应力值。

残余应力宽频谐波检测仪的工作原理为变频梯度检测原理，该原理具体为：利用残余应力改变临界折射纵波声速的声弹性原理进行检测的，激发和接收的超声波为短时连续正弦波，发出窄带超声信号，波长更准确，可连续实现变频，频率间隔无限细分，切向残余应力梯度的检测深度更加密集，应力梯度检测更加精确，应力梯度间隔分辨率可以无限细分，通常用于透声类机械构件切向应力梯度分布状态的精密检测。频率细分可按检测深度梯度范围设定，例如1MHz，0.5MHz，0.2MHz，0.1MHz。

其中，超声探头是超声探测系统中的关键部件，其性能的好坏将对整个系统的性能产生直接影响。超声检测都是基于某一特定频带范围的，每一个探头都有一个中心频率，该探头在对应中心频率下其性能是最好的。在梯度检测中，通常使用单频探头发送固定频率检测该频率深度的残余应力，检测不同深度时需要更换探头，较为繁琐。为实现连续变频，设计宽频探头，从而得到超声探头在某一频带范围内的连续无限细分值，将对应力梯度连续变频超声谐波检测带来极大的便捷。

使用宽频谐波对试块50检测的原理为声弹性原理,即试样50中的残余应力会影响超声纵波传播速度。当残余应力方向与超声纵波方向一致时,拉伸应力会使超声纵波传播速度v变慢或者传播时间t延长那么,当变频发射换能器与该组的接收换能器之间的距离不变的情况下,或者声程L不变的情况下先测得无压力状态下的超声传播时间t0,再测得有压力下的超声传播时间t,然后根据二者的时间差就可以计算出试样中的残余应力值,对应计算公式为：

σ-σ₀＝K(t-t₀)

其中,σ为被试样的残余应力值；σ₀为无压力状态下试样的应力值,即0；t为有压力下试样中的超声传播时间t；t0为无压力状态下试样的超声传播时间,K为应力系数,与被检测构件的材料及发射换能器与接收换能器之间的距离有关,可通过拉伸试验标定获得。

在本申请的全文中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的结构要素或步骤。

可以理解，本领域技术人员可以将本申请全文中提到的一个或多个实施例中提到的特征，以任何适当的方式与其他实施例中的特征进行组合来实施本申请。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (10)

1.一种梯度应力加载装置，用于在拉压机上对试样进行应力加载，其特征在于，包括：

上固定台，固定连接在所述拉压机的上压台下端；

压头，固定连接在所述上固定台的下端面上，并向下延伸至所述试样处，所述压头与所述试样在对称的两个接触位置线接触；

下固定台，固定连接在所述拉压机的下压台上端；

试样支撑槽，呈长方形槽体，所述长方形槽体的尺寸大于所述压头的尺寸，所述长方形槽体中间位置开有镂空的U型缺口，所述U型缺口的宽度大于所述压头的长度，在靠近所述长方形槽体两端对称位置处，分别水平开有两对贯穿所述长方形槽体的螺栓孔；

两个塞打螺栓，分别通过两所述螺栓孔伸入并穿过所述长方形槽体，所述试样放置在所述长方形槽体中，所述试样的两端架在两所述塞打螺栓上，所述试样的中心位置与所述长方形槽体的中心位置对齐；

检测楔块，设置在所述试样中间位置的正下方，所述检测楔块的上表面与所述试样接触，所述检测楔块的长度小于两所述接触位置的距离，所述检测楔块上设置有宽频探头，所述宽频探头与残余应力宽频谐波检测仪电连接。

2.根据权利要求1所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述长方形槽体的所述螺栓孔上方开设有两对销孔，两对所述销孔处于所述试样的上方，两销钉通过所述销孔贯穿所述长方形槽体。

3.根据权利要求1所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述压头下端面上，且平行于所述压头下端面的两侧边设置有两个半圆柱状凸起形成所述两个接触位置线接触，两所述半圆柱凸起的位置以所述压头下端面的中心点相对称。

4.根据权利要求1所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述上固定台为底部封闭的第一套筒，所述第一套筒的尺寸与所述上压台的尺寸相配合，所述上固定台套在所述上压台上并用螺栓固定。

5.根据权利要求1所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述下固定台为顶部封闭的第二套筒，所述第二套筒的尺寸与所述下压台的尺寸相配合，所述下固定台套在所述下压台上。

6.根据权利要求1所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述检测楔块呈倒梯形，所述检测楔块下端面上分别靠近左右两端面处设置有向上倾斜的斜面，两所述斜面上分别设置有所述宽频探头。

7.根据权利要求6所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述检测楔块与所述样品的接触面涂抹有耦合剂。

8.根据权利要求2所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述螺栓孔为腰型孔，所述腰型孔的上下两边为直线，所述腰型孔的左右两边为圆弧边，所述塞打螺栓能够在所述螺栓孔中沿水平方向调节，以调整试样的受力间距。

9.根据权利要求1-8任一项所述的梯度应力加载装置，其特征在于，所述试样的表面粗糙度小于1.6um，加工精度为I T5级；所述试样在进行测试前，使用高能声束去除其内部残余应力。

10.一种残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的梯度应力加载装置对所述试样进行应力加载，通过改变超声波检测频率，测得所述试样中不同深度的应力值，然后与所述试样模拟仿真时得到的应力值进行对比，完成残余应力宽频谐波检测仪的标定与校准。