CN105606705A - 一种用于测量细管表层周向残余应力的超声无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测细管表层周向残余应力的超声无损检测装置，超声纵波通过波形转换在细管表层中形成临界折射纵波，测出临界折射纵波在细管表层中传播的时间，由声弹性理论便可计算出相应的细管表层内的平均周向残余应力。而且通过改变超声纵波的频率还可以测出不同深度下的细管表层的周向残余应力分布。该技术发明可以有效地解决快速便捷准确地检测细管的残余应力分布问题，非常适合细管生产现场、维修维护现场广泛使用，是一种在狭小空间内检测曲面构件残余应力分布的新方法，具有非常广泛的应用。

Description

一种用于测量细管表层周向残余应力的超声无损检测装置

一、技术领域

本发明提出了一种用于测量细管表层周向残余应力的超声无损检测装置。所用装置体积小巧、制作工艺简单、方便使用，可实现细管表层残余应力的在线检测及抽检等任务，解决了细管表层残余应力检测的难题，测量结果更加准确可靠，可广泛应用于细管表层残余应力的检测场合中，具有灵敏度高、使用高效方便等特点。

二、背景技术

残余应力是金属加工过程中由于不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性，在形变后保留下来的应力。残余应力对机械构件的可靠性有很大影响，特别是对结构件的疲劳寿命、尺寸稳定性和抗腐蚀能力影响很大并且会导致应力集中，从而导致材料产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下导致材料断裂。

航空飞行器、航天产品、石油化工行业等都在大量使用铝合金、铜合金和钛合金细管作为输油、输气管道，由于长期受到高温、高压和环境冲击振动作用，容易导致金属细管的疲劳残余应力集中而导致断裂，如飞机、车辆和舰船发动机的液压油管等，它们对装备的安全性能具有重要影响。因此，通过准确地测量出流体控制细管残余应力，并对其状态、应力值进行合理的评估，对提高设备安全性具有十分重要的意义。

现有的残余应力检测方法主要是小孔法、X射线衍射法、电磁法、中子衍射法和超声无损检测方法，其中小孔法对对零件表层有破坏作用，只能用于抽检，不能批量检查；X射线对人体有伤害且其渗透深度小、中子衍射法对人体的伤害也很严重，不仅要求特殊保护环境，而且检测设备复杂；电磁方法目前还不能定量检测残余应力，而且受到被检测部件剩磁程度的影响。

超声无损检测方法因其使用灵活方便、适合现场使用、对人体无害、可以量化检测残余应力，因此，受到广泛关注。本发明采用超声临界折射纵波来检测细管周向残余应力，可以无损地对细管的周向残余应力进行快速批量检测，对于细管的质量检测、疲劳寿命评估、生产质量检验等都具有非常重要的理论和现实意义。

经过查询专利检索与服务***和相关公开文献，目前还没有发现类似的采用超声无损检测装置检测细管周向残余应力公开的论文、发明专利或专有技术。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种基于临界折射纵波法检测细管表层残余应力装置。采用一发一收模式，对细管残余应力进行检测。

本发明的目的是这样实现的：

对于细管周向残余应力的检测，依据Snell定律在细管表层激发临界折射纵波使其沿着细管斜方向传播来检测细管表层残余应力。通过精确计算第一临界角和临界折射纵波在细管中传播方向与细管轴向方向的夹角，使超声纵波换能器与声楔块接触切面成第一临界角装配并沿细管表层传播固定距离L，两个超声纵波换能器采用一发一收模式，得出轴向和周向合成应力，最后通过精确计算得出周向应力。

本发明的优点在于：采用接触细管外壁的方法测量残余应力，已有超声纵波换能器能够正常使用，并且具有良好的性能。所用装置体积小巧、制作工艺简单、方便使用、成本低。

四、附图说明

图1是本发明的周向残余应力检测3D结构示意图

附图标记说明如下：

图1：被测细管1、声楔块2、超声纵波换能器3

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1、临界折射纵波的激发

根据Snell定律，当超声纵波从波速较慢的声楔块传播到波速较快的细管材料中时会发生折射现象，当纵波折射角度等于90°时对应的入射角度称为第一临界角，计算公式如下所示：

θ_cr＝sin^-1(V₁/V₂)

式中：

θ_cr—第一临界角(°)；

V₁—波速较慢的介质中超声纵波传播速度(m/s)；

V₂—波速较快的介质中超声纵波传播速度(m/s)。

折射后临界折射纵波将沿细管的表层传播。

对于细管表层残余应力检测，在细管上放置声楔块的位置找出平行于细管圆心线的一条母线，根据Snell定律和在声楔块材料和细管材料中的声速计算出在这点的第一临界角。

2、超声波测应力原理

根据声弹性基本原理，超声波在各向同性弹性介质中传播时，当波动质点的偏振方向与残余应力方向一致或相反(即为0度或180度)时，超声波波速改变量与残余应力变化量成线性关系。因此，可以利用超声临界折射纵波检测该方向的残余应力。当临界折射纵波速度增加时，表示材料中存在压缩残余应力，反之，存在拉伸残余应力，在材料特性确定条件下，临界折射纵波波速变化量dV与残余应力变化量dσ之间的关系如下：

$d\mathrm{\σ}=\frac{2}{{\mathrm{kV}}_0}*dV$

式中：

dσ—残余应力的改变量(MPa)；

dV—临界折射纵波传播速度的改变量(m/s)；

V₀—零应力条件下临界折射纵波的传播速度(m/s)；

k—声弹性系数(ns/m²)；

当临界折射纵波传播距离L确定之后，被测介质内的声速变化可以用声时变化等效代替，如下式：

$d\mathrm{\σ}=-\frac{2}{{\mathrm{kT}}_0}dt$

式中：

dt—临界折射纵波传播声时的变化量(s)；

T₀—零应力条件下临界折射纵波传播固定距离L所需要的时间(s)；

令应力常数K＝-2/kT₀，其中T₀是零应力条件下纵波传播固定距离L所需要的时间，这时应力变化与超声波传播声时变化成近似线性关系，即Δσ＝KΔt。

3、细管周向残余应力的检测

图1中，细管尺寸较小，不能直接利用超声纵波方法测量细管周向的残余应力，需使超声纵波换能器发出的临界折射纵波沿着细管曲面进行爬行传播，精确计算临界折射纵波在细管表层传播固定距离的角度，例如，若使临界折射纵波在细管表层爬行半圆传播固定的距离L，计算公式如下所示：

θ₁＝sin^-1(πd/2L)

式中：

θ₁—临界折射纵波在细管传播方向与轴向方向的夹角(°)；

d—细管外径(mm)；

L—临界折射纵波在细管表层的传播距离(mm)。

将组装好的测量装置放置于被测细管1上，通过软件分时激励超声纵波换能器3从而激励出纵波信号，该信号通过声楔块2，经过折射并在被测细管1上产生临界折射纵波信号，从而进行应力测量。

5、对细管不同深度的残余应力的检测

根据声弹性理论，临界折射纵波在细管中的渗透深度是超声激发频率的函数，频率越低渗透深度越深，一般为1个波长左右。

所以可以通过改变超声波频率来检测不同深度下细管的平均周向残余应力值。

Claims (7)

1.本发明提出来一种基于临界折射纵波法检测细管表层周向残余应力的装置，其特征在于：针对不同外径不同壁厚的细管，设计具有与细管外径相同尺寸圆弧曲线的声楔块。根据声弹性理论利用超声纵波换能器发射临界折射纵波在细管表层传播固定距离来检测周向的平均残余应力。

2.根据权利要求1所述的声弹性理论，其特征在于：超声纵波换能器在声楔块上放置的角度遵照Snell定律进行确定。

3.根据权利要求1所述的声楔块，其特征在于：使其能够和细管外部吻合，圆弧内部和细管外壁填充耦合剂使其完全接触。

4.根据权利要求1所述的声楔块，其特征在于：临界折射纵波在其中的传播速度小于临界折射纵波在细管材料中的传播速度，其材料可以有不同类型，可以为有机玻璃，铜等。

5.根据权利要求1所述的声楔块，其特征在于：下部圆弧半径不仅局限于某一特定尺寸，所有满足细管的尺寸的圆弧曲线也在本权利要求范围保护之内。

6.根据权利要求1所述的超声纵波，其特征在于：可以通过调节超声波的频率，可以检测细管不同深度表层的平均残余应力的大小与分布。

7.根据权利要求1所述的所述的固定距离，其特征在于：固定距离不局限于某一特定长度，所有满足细管残余应力检测的长度也在本权利要求范围保护之内。