CN205449361U - 残余应力测试设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种残余应力测试设备。包括：导波发射探头，其与超声导波高压激励电路板电连接，并放置于测试部件的一端；和两个导波接受探头，分别与导波接收电路板电连接，两个所述导波接受探头沿应力测试线路的前后方向隔开一段距离配置于测试部件的另一端，当进行测试时，能够通过所述导波接收电路板计算出两个所述导波接受探头接受导波的时间差。本实用新型利用的超声导波是一种特殊的超声波，跟超声波相比，导波在钢板中衰减小，传输距离远，可以得到更长距离范围内钢板的平均应力，更加符合焊接管道、压力容器等结构对应力检测的需求。

Description

残余应力测试设备

技术领域

本实用新型涉及一种焊接残余应力测试设备，本设备以声弹性理论为基础，选用临界折射纵波作为测量波形，设计建立了声发射残余应力测量系统。

背景技术

残余应力的测量技术始于本世纪30年代。经过几十年的发展，至今共形成了数十种检测方法。概括起来大致可分为两大类，即具有一定破坏性的机械测量方法和非破坏的物理测量方法。其中以小孔法及X射线衍射法发展较为成熟。下面针对几种比较常见的测量方法做一下介绍。

(1)机械测定法

机械测定法的原理是将具有残余应力的部分，用一定的方法进行局部的分离或分割，从而使残余应力被局部释放，测定分割前后的变形，然后利用弹性力学求出残余应力。目前比较常用的机械测定法主要有切条法、切槽法、小孔法等。

1)切条法

此方法是从具有残余应力的构件上，切取下一条细长的矩形试样进行应力释放，测出释放前后此处的变化就可以测出残余应力的大小。切条法主要用于薄板的应力测量，而且此方法破坏性大，只适用于在专用试件上测量。

2)切槽法

该方法由切条法发展而来。在残余应力存在部位切环形槽或矩形槽，释放残余应力，通过贴应变花测出应力释放前后槽周围的应变，根据弹性力学计算出残余应力的大小。此方法的优点在于，可以设计专用的铣槽装置，更方便地应用于实际测量中。由于其测量精度高，特别适于低水平残余应力测量。

3)小孔法

小孔法是目前应用最广泛的残余应力测量方法，而且是已经标准化的测量方法。它是在存在残余应力的板材上钻孔，根据孔周围的变形求出残余应力的方法。小孔法对材料破坏性小且打孔、测量操作都十分方便，可以更广泛地应用于各种零部件和构件的实际测量中；钻孔直径小，可以测量较小范围内的应力，适于测量梯度变化比较大的残余应力场，如焊接应力场。若在采用盲孔法的同时结合切块法可以实现三轴焊接残余应力的测量。小孔法属于破坏性检测方法，因而限制了在一些领域的应用，比如压力容器和石油管道等应力的在役检测。

(2)物理测定法

物理检测方法的基本思想就是利用材料的物理性质与应力应变的关系，通过测取材料的某些物理参数的变化来计算结构或构件的残余应力。这些方法最大特点就是能够在不破坏试件的情况下测得应力的大小，因此工业应用前景广泛。

1)X射线衍射法

在残余应力的无损测量方法中，X射线法最为成熟。此方法最早由俄国学者AKHOB于1929年提出的。它的基本原理是，X射线对晶体晶格衍射并产生干涉现象，可以通过布拉格定律可以求出晶格的面间距。根据面间距的改变以及和无应力状态的比较，可以确定加载应力和残余应力。

X射线法的测量深度约为10μm，是一种测量表面残余应力的有效方法，特别适于测量薄层和裂纹尖端的应力分布。近年来随着各种表面改性技术的迅速发展，X射线法越来越多的用于表面镀层、薄膜等残余应力的测量。

X射线法的最大优点在于它的非破坏性。它的缺点是，只能测量表面应力，对被检测表面要求高，测量设备比较昂贵。

2)磁性测量法

目前应用的磁性测量法有两种：磁噪声法和磁应变法。磁噪声法是铁磁材料在外加交变磁场的作用下，磁畴壁会发生不连续的跳跃式急剧变化，从而释放出弹性应力-应变波，此现象称为磁噪声，又称为巴克豪森磁噪声(BN)。磁应变法的原理基于磁致伸缩效应。即铁磁性材料(如低碳钢等)在磁化时会发生尺寸变化；反过来铁磁体在应力作用下其磁化状态(导磁率、磁感应强度等)也会发生变化，因此通过测量磁性变化可以测量铁磁材料中的应力。当试样内存在残余应力时，也会使磁畴的移动和转向均受阻而使磁化率减小，这种现象称为磁弹性现象。

磁性测定法的优点是测量速度快，能够实现非接触测量，对工件表面质量要求低。但测量结果受多种因素影响，可靠性和精度差，测量值标定困难，仅能用于铁磁材料的测量。而且需要外部激励磁场来工作，因此带来了磁化不均匀，设备笨重，能源消耗，剩磁和磁污染等问题。

3)超声波法

超声波法是以声弹性理论为基础，利用弹性介质中声速或者频谱的变化与弹性介质内部应力之间非常理想的线性关系来进行测量。与其它一些方法相比，具有下列特点：

(i)超声波具有和光波一样良好的方向性，可以实现定向发射。对于大多数介质而言，超声波的穿透能力较强。在一些金属材料中，其穿透能力可达数米，故能无损测定实际构件表面和内部(包括载荷作用应力和残余应力)的应力分布。

(ii)采用新型电磁换能器，可以不接触实际构件进行应力测量，对表面质量要求低，使用安全、无公害，可实现服役状态下应力的检测。

国外平面焊接残余应力测量研究中心集中在法国机械工业研究中心和美国田纳西大学。日本学者Fukuoka用回振法测量了嵌焊圆盘的残余应力分布，使用横波换能器，通过试块压缩试验标定声弹性系数。试验测出了径向应力与切向应力之差的分布，与破坏测量得到的结果吻合良好。美国D.E.Bray使用临界折射纵波，超高速数据采集卡和虚拟仪器软件，对液压罐端部横向焊接残余应力进行了测量。法国学者对平板对焊横向残余应力进行了测量。使用临界折射纵波，对热影响区和焊缝区的声弹性系数做出了修正，测量结果与小孔法相比吻合很好。

国内方面，华中理工大学蒋立强等人使用自制SH波换能器和普通纵波换能器，依据Okada的平面声弹性理论测定了潜艇用热轧钢板平板对焊的残余应力分布。上海工程技术大学张文君采用纵波横波相结合的方法，测定了铝合金平板对焊的纵向残余应力分布，用试块标定了声弹性系数，用有损应力释放的方法标定了材料各向异性系数，测量结果与数值法吻和良好。但其标定过程复杂繁琐，没有实现真正意义上的无损检测，失去了工程应用价值。

残余应力检测的一个发展方向是向着自动化、智能化方向发展，以提高检测效率。目前国外已经实现了残余应力的自动测量。加拿大Y.Kudryavtsev等人研制出的UltrasonicComputerizedComplex(UCC)系统。利用该系统，不仅可以测得改善处理前后和循环载荷下残余应力的分布情况，而且不需要通材料疲劳试验，通过计算就可得到残余应力对结构服役寿命的影响。意大利MassimoGOR等也研制出了一套残余应力测试系统测量了火车车轮的残余应力。目前国内正在开展相关的研究有现代焊接技术国家重点实验室的路浩等人，他们建立了超声波法应力无损检测系统，实现了焊接残余应力地快速、无损测量，为焊接结构服役状态下的可靠性评估奠定了基础。

发明内容

本实用新型目的是利用超声波在的穿透能力强、方向性好特性，对管道、压力容器等焊接残余应力进行检测；而超声导波是一种特殊的超声波，跟超声波相比，导波在钢板中衰减小，传输距离远，可以得到更长距离范围内钢板的平均应力，更加符合焊接管道、压力容器等结构对应力检测的需求。

本实用新型的残余应力测试设备包括：导波接受探头，其与超声导波高压激励电路板电连接，并放置于测试部件的一端；和两个导波发射探头，分别与导波接收电路板电连接，两个所述导波发射探头沿应力测试线路的前后方向隔开一段距离配置于测试部件的另一端，当进行应力测试时，能够通过所述导波接收电路板计算出两个所述导波接受探头接受导波的时间差。

优选所述超声导波高压激励电路板采用实时时钟、数模转换、差分放大、USB接口部分集成，发射特定波形和频率的超声导波。

优选所述导波接收电路板采用同步高速采集两路超声导波信号，通过模数转换将模拟信号转换为数字信号，计算出两路信号的时间差，并将数据传输到控制中心。

优选两个探头分别放置于被测件被测部位的两端表面，并采用耦合剂将探头和被测件贴合到一起。

本实用新型对已有声速-应力关系方程进行优化，推导出适合用于焊接残余应力测量的应力-声时数学模型；基于材料的声弹效应(即施加在材料上的内应力变化引起超声波传播速度的变化，其大小取决于声波的波型、传播方向、材料组织和应力状况等)，通过准确测定高频声波在构件内传播速度的变化得出应力分布的思路，研发基于声发射残余应力监测数据采集系统，编写信号采集程序，实现声波信号的自动采集和残余应力的快速检测；定量分析当前应力状态对设备的影响程度，构建应力状态的评估算法。

附图说明

图1是本实用新型的结构图。

图2是导波发射电路设计框图。

图3是导波接收电路设计框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型在进行应力测试时，与超声导波高压激励电路板1电连接的导波发射探头2放置于测试部件的一端，与导波接收电路板5电连接的两个导波接受探头3、4沿应力测试线路的前后方向隔开一段距离配置于测试部件的另一端，通过导波接收电路板5计算出两个导波接受探头3、4接受导波的时间差。

具体地，由根据图2的导波发射电路设计超声导波高压激励电路板1发射需要的超声导波，通过导波发射探头2将超声导波导入测试件中，超声导波在测试件中传输，先后被导波接受探头3和导波接受探头4接受，导波接收电路设计如图3所示，通过超声导波接受电路板5计算出接受的时间差，计算出超声导波在测试件中的传播速度，对比存储在数据处理板内的已标定数据库，可计算出测试件的残余应力值。

导波发射电路采用夹心式压电超声导波换能器，将电信号转换为振动信号，实现导波的激励功能。，如图2，PC向PIC单片机发送信号，将波形发送到存储器中，然后现场可编程门阵列(FPGA)从存储器中读取波形，通过数模转换、差分放大、光耦隔离，最后驱动超声导波探头，发射超声导波。

图3的导波接受电路采用夹心式压电超声导波换能器，将振动号转换为电信号，实现导波的接受功能。接收电路同步高速采集两路超声导波信号，通过模数转换将模拟信号转换为数字信号，然后将波形数据存储到SRAM和SD卡中，计算出两路信号的时间差，并将数据输送到控制中心。

Claims (4)

1.一种残余应力测试设备，其特征在于：包括：导波发射探头，其与超声导波高压激励电路板电连接，并放置于测试部件的一端；和两个导波接受探头，分别与导波接收电路板电连接，两个所述导波接受探头沿应力测试线路的前后方向隔开一段距离配置于测试部件的另一端，当进行测试时，能够通过所述导波接收电路板计算出两个所述导波接受探头接受导波的时间差。

2.根据权利要求1所述的残余应力测试设备，其特征在于：所述超声导波高压激励电路板采用实时时钟、数模转换、差分放大、USB接口部分集成，发射特定波形和频率的超声导波。

3.根据权利要求1所述的残余应力测试设备，其特征在于：所述导波接收电路板采用同步高速采集两路超声导波信号，通过模数转换将模拟信号转换为数字信号，计算出两路信号的时间差，并将数据传输到控制中心。

4.根据权利要求1所述的残余应力测试设备，其特征在于：两个探头分别放置于被测件被测部位的两端表面，并采用耦合剂将探头和被测件贴合到一起。