CN213658137U - 一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置 - Google Patents

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徐春广
宋文渊
刘斌
何耀宇
田文腾
李志俊
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Abstract

本发明实例提供了一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置，包括：四对超声纵波换能器、声楔块、磁力吸附块；其中，所述第一对超声纵波换能器和第二对超声纵波换能器间隔预设长度间距，第三对超声纵波换能器和第四对超声纵波换能器间隔预设长度间距、且分别按临界纵波折射角内置于所述声楔块上表面；所述声楔块底面与被检测厚壁金属构件表面相适应，能紧密贴合于被测厚壁金属构件表面；所述磁力吸附块布置于声楔块内部，使声楔块能在恒定磁吸力作用下与被测构件表面耦合。本发明能够用于大尺寸厚壁金属的表面切向残余应力的梯度无损检测，提高了残余应力检测效率，避免对检测人体健康造成威胁。

Description

一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置
技术领域
本发明涉及残余应力的检测技术领域，特别是涉及厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置。
背景技术
随着航空航天、汽车船舶等技术的发展，对金属材料成型制造、加工过程中残余应力的检测要求也越来越高。超声法测应力因能够实现无损、快速简便、现场原位检测等特点而被广泛使用于金属材料无损残余应力检测。
现有超声临界折射纵波法检测厚壁类金属构件表面梯度残余应力时，需要在声楔块凹槽内更换不同频率的超声纵波换能器(探头)，费时费力。且检测面积受制于声楔块尺寸和超声纵波换能器设置的间隔，在实际检测大尺寸构件时效率不高。
因此，需要一种能在测量时放置多对不同频率的超声纵波换能器，且检测区域较大的装置，以满足高效测量的要求。
发明内容
鉴于上述问题，本实用新型是提供一种超声法残余应力检测装置，一方面，不仅能在测量时同时放置不同频率的超声波换能器，实现梯度残余应力检测，另一方面，能放置多对超声波换能器，增大单次残余应力检测区域面积，提高检测效率。
本发明第一方面提供了一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置，包括：四对超声纵波换能器、声楔块、磁力吸附块；
第一对超声纵波换能器和第二对超声纵波换能器间隔预设长度间距，内置于所述声楔块上表面；
第三对超声纵波换能器和第四对超声纵波换能器平行于第一对超声纵波换能器和第二对超声纵波换能器，且布置方式与第一对超声纵波换能器和第二对超声纵波换能器的布置方式相同；
所述声楔块包括与被测厚壁金属表面轮廓相适应的底面，以将所述声楔块贴紧被测厚壁金属表面；
所述磁力吸附块布置于声楔块内部，使声楔块能在磁吸力作用下与被测厚壁金属表面紧密贴合。
可选的，每对超声纵波换能器与所述声楔块所成夹角为第一临界角。
第一临界角即纵波从超声纵波换能器按第一临界角入射至被检测接触面，产生的折射角的角度为90°。
可选的，所述声楔块的内具有至少八个用于装配所述超声纵波换能器的凹槽。
可选的，所述声楔块与被测厚壁金属表面填充有耦合剂。
其中，超声纵波换能器上设置有螺纹，可与声楔块凹槽上螺纹配合安装。声楔块上的磁力吸附孔用于放置小磁块，使声楔块在恒定磁压紧力作用下与被测金属表面接触。所述声楔块与所述被测金属表面之间填充的耦合剂使用具有良好透声性且不损伤检测金属表面的耦合剂。超声纵波换能器在声楔块的材料中激发的声波声速应小于被检测厚壁金属内的声波声速。
附图说明
图1A为本发明的厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置立体图的示意图；
图1B本发明的厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置俯视图的示意图；
图2为本发明超声纵波在声楔块和被检测金属交界面处的折射的示意图。
具体实施方式
下面参照附图所示实施例，对本发明的装置进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置，包括：四对超声纵波换能器、声楔块10、磁力吸附块20。其中：
每对超声纵波换能器包括一超声发射换能器和一超声接收换能器。超声纵波换能器在声楔块10的材料中激发的声波声速应小于被检测厚壁金属内的声波声速。
第一对超声纵波换能器31和第二对超声纵波换能器32间隔预设长度间距，内置于所述声楔块10上表面。
第三对超声纵波换能器33和第四对超声纵波换能器34平行于第一对超声纵波换能器31和第二对超声纵波换能器32，且布置方式与第一对超声纵波换能器31和第二对超声纵波换能器32的布置方式相同。
所述声楔块10包括与被测厚壁金属表面轮廓相适应的底面，以将所述声楔块10贴紧被测厚壁金属表面。
所述磁力吸附块20布置于声楔块10内部，使声楔块10能在磁吸力作用下与被测厚壁金属表面紧密贴合。其中，声楔块10上设置磁力吸附孔，用于放置磁力吸附块20，使声楔块10在恒定磁压紧力作用下与被测金属表面接触。
其中，每对超声纵波换能器与所述声楔块10所成夹角为第一临界角，即纵波从超声纵波换能器按第一临界角入射至被检测接触面，产生的折射角的角度为90°。
其中，所述声楔块10的内具有至少八个用于装配所述超声纵波换能器的凹槽。且，超声纵波换能器上设置有螺纹，可与声楔块10凹槽上的内螺纹配合安装。
其中，所述声楔块10与被测厚壁金属表面填充有耦合剂。该耦合剂使用具有良好透声性且不损伤检测金属表面的耦合剂。
下面以一具体实施方式对本申请原理进行说明：以钢材金属梯度残余应力检测为例，要想在钢材表面产生临界折射纵波，应满足：
Figure BDA0002826185210000041
其中，V0和V1分别为声波在声楔块中的声速和声波在钢材中的声速，θ0和θ1分别为声波入射角和声波折射角。
依据声弹性原理，钢材被检测区域的残余拉应力会延长声波传播时间，而残余压应力会缩短声波延长时间，故在已知声波在基准试块中的传播时间和在被测钢材中的被测时间，就可以依据声波传播时差得到被检测区域的平均残余应力。
而为实现对被测厚壁钢材构件表面切向不同深度的梯度残余应力进行准确测量，需要改变临界折射纵波的渗透深度，而临界折射纵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。通过试验研究表明，当间隔一定频率改变激励和接收换能器的中心频率，检测深度发生改变。
当第一至第四对发射换能器、接收换能器均采用相同5M超声纵波换能器时，可实现多对换能器同时检测同一渗透深度的残余应力，较传统的单一声楔块检测，增大了检测面积和检测效率；
当第一、二对发射换能器、接收换能器采用5M超声纵波换能器，当第三、四对发射换能器、接收换能器采用10M超声纵波换能器时，对检测区域检测一次后将声楔块旋转180°再次检测，可得到被检测钢材表面梯度残余应力分布。较传统单一声楔块检测，节约了更换不同频率探头至声楔块上的时间，也增大了检测面积，提高检测效率；
当第一、三对发射换能器、接收换能器采用5M超声纵波换能器，当第二、四对发射换能器、接收换能器采用10M超声纵波换能器时，可同时测量被检测钢材表面梯度残余应力分布，提高检测效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种厚壁金属梯度残余应力超声无损检测装置，其特征在于，包括：四对超声纵波换能器、声楔块、磁力吸附块；
第一对超声纵波换能器和第二对超声纵波换能器间隔预设长度间距，内置于所述声楔块上表面；
第三对超声纵波换能器和第四对超声纵波换能器平行于第一对超声纵波换能器和第二对超声纵波换能器，且布置方式与第一对超声纵波换能器和第二对超声纵波换能器的布置方式相同；
所述声楔块包括与被测厚壁金属表面轮廓相适应的底面，以将所述声楔块贴紧被测厚壁金属表面；
所述磁力吸附块布置于声楔块内部，使声楔块能在磁吸力作用下与被测厚壁金属表面紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每对超声纵波换能器与所述声楔块所成夹角为第一临界角。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声楔块的内具有至少八个用于装配所述超声纵波换能器的凹槽。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声楔块与被测厚壁金属表面填充有耦合剂。
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