CN203310549U - 焊接接头残余应力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种焊接接头残余应力测量装置，其特征在于：包括超声信号发生系统、计算机控制及处理系统、压电超声波换能器和磁性夹具，磁性夹具上带有弧度为90度的缺口。与现有技术相比，本实用新型所提供的测量装置利用超声波技术，通过高精度的声速测量，并经过一系列的程序计算即可得到材料内部的残余应力值，测量精度高；该测量装置中的磁性夹具带有弧度为90度的缺口，能够配合横波换能器激发出相互垂直振动的横波模式；两个相互垂直振动的横波模式和纵波结合可以用于测量两轴方向上的应力大小。并且该装置结构简单，使用便捷。本实用新型所提供的测量装置尤其适合测量焊接接头两轴残余应力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种焊接接头残余应力测量装置。
背景技术
金属构件在轧制、焊接、加工等过程中会产生残余应力。残余应力的存在对材料力学性能有重大影响，一方面会降低工件强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造完成后的自然释放过程中使材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。焊接过程中高温局部化的瞬时热输入所产生的焊接接头残余应力的存在是工业生产极端环境下（高温高压、腐蚀环境）接头失效（应力腐蚀开裂）的最主要诱因之一。因此，开展焊接接头残余应力的测量研究，对于降低设备的运行风险，保证构件使用的可靠性，具有重要的现实意义。
目前测量残余应力的方法相对于被测件而言，可分为无损和有损测试法两大类。常用的无损测试材料的残余应力的方法有：X射线衍射法、中子衍射法、超声测速法、激光干涉法等。超声波测量方法利用应力存在而导致的材料声速变化获得材料的应力状态，该测量方法具有快捷、无损、在线、低成本等优点而受到广泛关注和研究。
现有的采用超声波技术测量材料内部残余应力的设备一般只测量单轴的应力状态，例如采用单一横波模式或者单一的纵波模式，这种测量方法相对比较容易实现，但无法用于多轴及复杂应力的测量。此外，目前采用超声波技术测量材料内部残余应力时，对材料声速的测量精度不太高，即对残余应力测量的分辨率不高，这将直接影响残余应力的有效测量和工程应用。最后，对于焊接材料而言，由于存在各向异性区域，如焊缝区、热影响区、近端母材区以及远端母材区等，不同区域的材料微观组织形态各异，将会导致区域声弹性系数的变化，从而影响残余应力的测量。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种测量精度高的焊接接头残余应力测量装置。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：该焊接接头残余应力测量装置，其特征在于包括：
超声信号发生器，用于激发和接收超声脉冲信号；
计算机控制及处理模块，其输出端连接所述超声信号发生器的第一输入端，用于控制超声信号发生器的工作；计算机控制及处理模块的输入端连接所述超声信号发生器的第二输出端，用于接收超声信号发生器所发送过来的超声信号，并对所述的超声信号进行处理和存储；
压电超声波换能器，用于激发和接收超声振动信号；压电超声波换能器的第一输入端连接所述超声信号发生器的第一输出端，用于将所述超声信号发生器所发送的超声脉冲信号转换为超声振动信号；压电超声波换能器的第一输出端通过耦合剂连接到被测设备上；所述压电超声波换能器第二输入端通过耦合剂连接所述被测设备，拾取被测设备上的振动信号并将该振动信号通过压电超声波换能器的第二输出端传递到所述超声信号发生器的第二输入端；
磁性夹具，用于将所述压电超声波换能器限位到被测设备上。
所述的计算机控制及处理模块包括用于控制所述超声信号发生器工作的控制单元、对接收到的超声信号进行计算并存储的计算单元和用于显示计算结果的显示单元。所述的控制单元和计算单元可以采用“频率-相位”曲线精确计算得到超声传播时间，并且可以在计算单元中设置不同焊接接头位置的材料参数，以提高残余应力测量精度。
所述的压电超声波换能器可以为纵波换能器或横波换能器。
较好的，所述磁性夹具为圆管状结构，，所述缺口位于所述磁性夹具的一个端缘上。所述缺口用于装配0度和90度横波换能器。如果需要激发0度水平方向上的横波时，则将超声横波换能器水平0度放置，依靠铁磁性将超声换能器固定在0度水平位置；如果需要激发90度垂直方向上的横波时，则将超声横波换能器垂直90度放置，依靠铁磁性将超声换能器固定在90度垂直位置。
所述磁性夹具上还设有用于增加磁力的磁钢，所述磁钢和所述磁性夹具通过套设在两者外的换套连接在一起。
与现有技术相比，本实用新型所提供的测量装置利用超声波技术，通过高精度的声速测量，并经过一系列的程序计算即可得到材料内部的残余应力值，测量精度高；该测量装置中的磁性夹具带有弧度为90度的缺口，能够配合横波换能器激发出相互垂直振动的横波模式；两个相互垂直振动的横波模式和纵波结合可以用于测量两轴方向上的应力大小。并且该装置结构简单，使用便捷。本实用新型所提供的测量装置尤其适合测量焊接接头两轴残余应力。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构框图；
图2为本实用新型实施例压电超声波换能器0度放置时磁性夹具和超声换能器以及待测工件装配结构的平面示意图；
图3为图2的右视图；
图4为本实用新型实施例压电超声波换能器90度放置时磁性夹具和超声换能器以及待测工件装配结构的平面示意图；
图5为图4的右视图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1、图2和图3所示，该焊接接头残余应力测量装置包括：
超声信号发生器2，用于激发和接收超声脉冲信号；
计算机控制及处理模块1，包括用于控制所述超声信号发生器工作的控制单元、对接收到的超声信号进行计算并存储的计算单元和用于显示计算结果的显示单元。计算单元和显示单元可以作为人机交互界面，实现测量信息的显示和指令输入。
其中，控制单元的输出端连接所述超声信号发生器的第一输入端，用于控制超声信号发生器的工作；控制单元的输入端连接所述超声信号发生器的第二输出端，用于接收超声信号发生器所发送过来的超声信号，并将接收到的超声信号传送到计算单元，在计算单元中进行处理并存储数据；计算单元将计算后的结果传递到显示单元，在显示单元中显示出来。本实施例中的显示单元为液晶显示器。
压电超声波换能器4，用于激发和接收超声振动信号；压电超声波换能器的第一输入端连接所述超声信号发生器的第一输出端，用于将所述超声信号发生器所发送的超声脉冲信号转换为超声振动信号；压电超声波换能器的第一输出端通过耦合剂连接到被测设备上；所述压电超声波换能器第二输入端通过耦合剂连接所述被测设备，拾取被测设备上的振动信号并将该振动信号通过压电超声波换能器的第二输出端传递到所述超声信号发生器的第二输入端。超声换能器可以是纵波超声换能器或者横波超声换能器，通过耦合剂和磁性夹具3直接和待测工件5的金属焊接接头接触。磁钢6吸附到磁性夹具3上面以增强铁磁性。本实施例中的压电超声波换能器4为纵波换能器或者横波换能器。
磁性夹具3，置于超声换能器4上，依靠夹具的磁性与待测工件5的金属焊接接头相互吸附，从而将压电超声波换能器4限位到被测设备上。本实施例中磁性夹具3为圆形管状结构，磁性夹具的端缘上设有弧度为90度的缺口31，以方便装配0度和90度横波换能器。如果需要激发0度水平方向上的横波时，则将超声横波换能器水平0度放置，如图2所示，由于超声换能器外壳是不锈钢金属，所以可以靠铁磁性将超声换能器固定在0度水平位置。同理，如果需要激发90度垂直方向上的横波时，则将超声横波换能器垂直90度放置，如图3所示，可以靠铁磁性将超声换能器固定在90度垂直位置。
为了使超声换能器的装配更稳固，本实施例还在磁性夹具上设置了磁钢6，通过磁钢6与磁性夹具3的配合来获得更强的磁力，从而使得超声换能器的装配更稳固。磁钢 6和磁性夹具3外套设有将两者连接在一起的套环7。
该焊接接头残余应力测量装置的工作原理描述如下：
焊接接头残余应力测量时，超声信号发生系统2根据计算机控制及处理系统1的指令产生超声脉冲信号，作用到超声换能器4上，激发出超声振动信号，并在焊接接头材料5中传播。超声振动信号遇到焊接接头材料5的底面反射后再由超声换能器4拾取振动信号，传输到超声信号发生系统2，再存储到计算机控制及处理系统1。接收到的超声信号经过计算机控制及处理系统1中的计算单元进行数据处理，得到焊接接头5中的残余应力大小，并由计算机控制及处理系统1中的显示单元进行数值的显示。
其中，超声换能器4首先选择纵波换能器进行信号的激发和接收；然后选择横波换能器进行信号的激发和接收；再将磁性夹具3旋转90度，仍然选择横波换能器进行信号的激发和接收。得到的3个超声信号可以由计算机控制及处理系统1中的计算单元进行数据处理，最终获得待测工件焊接接头中的残余应力大小，并由计算机控制及处理系统1中的显示单元进行数值的显示。
Claims (5)
1.一种焊接接头残余应力测量装置，其特征在于包括：
超声信号发生器，用于激发和接收超声脉冲信号；
计算机控制及处理模块，其输出端连接所述超声信号发生器的第一输入端，用于控制超声信号发生器的工作；计算机控制及处理模块的输入端连接所述超声信号发生器的第二输出端，用于接收超声信号发生器所发送过来的超声信号，并对所述的超声信号进行处理和存储；
压电超声波换能器，用于激发和接收超声振动信号；压电超声波换能器的第一输入端连接所述超声信号发生器的第一输出端，用于将所述超声信号发生器所发送的超声脉冲信号转换为超声振动信号；压电超声波换能器的第一输出端通过耦合剂连接到被测设备上；所述压电超声波换能器第二输入端通过耦合剂连接所述被测设备，拾取被测设备上的振动信号并将该振动信号通过压电超声波换能器的第二输出端传递到所述超声信号发生器的第二输入端；
磁性夹具，用于将所述压电超声波换能器限位到被测设备上，所述的磁性夹具的周缘上具有弧度为90度的缺口。
2.根据权利要求1所述的焊接接头残余应力测量装置，其特征在于所述的计算机控制及处理模块包括用于控制所述超声信号发生器工作的控制单元、对接收到的超声信号进行计算并存储的计算单元和用于显示计算结果的显示单元。
3.根据权利要求1或2所述的焊接接头残余应力测量装置，其特征在于所述的压电超声波换能器为纵波换能器或横波换能器。
4.根据权利要求3所述的焊接接头残余应力测量装置，其特征在于所述磁性夹具为圆形管状结构，所述缺口位于所述磁性夹具的一个端缘上。
5.根据权利要求3所述的焊接接头残余应力测量装置，其特征在于所述磁性夹具上还设有用于增加磁力的磁钢，所述磁钢和所述磁性夹具通过套设在两者外的换套连接在一起。
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