CN112097972B - 一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法及应用 - Google Patents

一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法及应用，采用超声波对比法测量建筑陶瓷板内残余应力变化，由于不涉及具体测量值的误差问题，只是在相同误差条件或相似测试条件下比较声速的变化，进而得到残余应力在建筑陶瓷板内的分布情况；通过超声探头矩阵同时测定所对应建筑陶瓷板各点的超声波信号，获得各测量点相对于参考点的应力值；根据各测量点的坐标和应力相对值，得到建筑陶瓷板的应力分布图；本发明不受建筑陶瓷板尺寸的限制，超声换能器探头矩阵的尺寸和密度灵活可调整，适合各种尺寸建筑陶瓷板的内应力测量，直观表现出应力集中点，测量快速简单时间不到1s，从而有利于生产工艺的实时调整。

Description

一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法及应用
技术领域
本发明涉及建筑陶瓷技术领域，特别涉及一种快速测量建筑陶瓷大板、岩板、薄板、瓷砖的内应力的方法及应用。
背景技术
大规格建筑陶瓷板，俗称建陶大板，是一种由陶土、矿石等多种无机非金属材料，经大吨位压机成型、高温煅烧等生产工艺制成的面积不小于1.62㎡的板状陶瓷制品。建陶大板有900×1800mm、2400×1200mm、3200×1600mm、3600×1600mm，甚至更大的规格。建陶大板、薄板、岩板，具有低吸水率、规格大、厚度薄以及节能降耗、清洁环保、轻质高强等众多绿色建材属性。
据不完全统计，到2020年7月，国内已经有40-60条建陶岩板、大板投产，到2021年将达到100条以上的生产线。建陶大板、岩板作为一种新的板材，除了原有的建筑装饰领域之外，在新的领域包括建筑装配化等也有很大的应用空间。但是在急剧扩张的岩板生产线背后，掩盖不了目前建筑陶瓷板加工应用所面临的难题：建筑陶瓷板的韧性差，搬运、切割、加工过程中的破损率高，在安装、铺贴等后续过程中，也常常出现边角破损等情况。据不完全统计，有的陶瓷板生产企业，其产品的加工破损率高达20～40％。目前，建筑陶瓷板已经跨界作为橱柜、电器等面板材料使用。如何减少在加工过程中的破损，成为建陶企业面临的共性问题。
建筑陶瓷板在制造过程中引起的内应力，被认为是导致其切割开裂的关键原因。但是，目前对建筑陶瓷板内应力的测量，没有成熟和可行的方法。
现有应力测量技术中，XRD测量法可用于陶瓷类材料应力测量。XRD测量应力的基本原理为：当试样内部存在应力时，晶体的晶格间距会产生改变，导致X射线衍射角改变，结合布拉格衍射方程与弹性力学公式，可以得到应变与X射线入射角、衍射角的关系公式，从而得到应力σ关系。
X射线应力测量法是用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角ψ照射试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率，便可算出应力
Figure GDA0003426782530000011
但是不管是采用照相法、衍射仪法还是应力仪法，XRD应力测量法都受到试样尺寸的限制。对于尺寸达到数米的建陶大板，现有的设备难以实现板内应力的逐点测量，也就无法获得建陶大板内应力的分布情况。而且XRD测量法需要多次改变X射线入射角，使得测量过程复杂。此外，X射线衍射峰峰强较弱，建筑陶瓷表面往往有玻璃相釉料的干扰，使得测量精度不高。
盲孔法也被广泛应用于金属材料残余应力检测。需要在工件的被测部位贴上应变计，通过在应变计中心打盲孔引起残余应力的释放，由残余应力测试仪计算得出该部位的残余应力大小和方向。由于陶瓷材料自身的脆性，打孔往往导致开裂，不适用于建筑陶瓷板。同时该方法具有破坏性，打孔也会对建陶板产生损坏。
超声波法也可用于测量内应力。是利用声的双折射现象，即一个各向同性固态介质在应力的作用下具有声弹性。在有应力的情况下，由于应力的方向和大小的不同，使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化，即应力的存在引起了各向异性，从而使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化。当应力为平面应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时，超声波便只分解为两个方向的超声波。通过测定由应力的影响而引起的声双折射，超声频谱变化以及声音传播速度的变化，便能计算出试件上的残余应力。
现有的超声波应力检测，主要针对小型的金属工件，小范围的测量应力，如焊接缝附件的残余应力。对于大规格的建筑陶瓷板的内应力检测，尤其是在线检测建筑陶瓷板烧成过程中的内应力，尚未有相关的公开文献。
因此，如何提供一种可以快速检测建筑陶瓷板的内应力，又不会对现有的生产制造工艺造成影响的技术，成为目前建筑陶瓷板领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法及应用，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明采用超声波对比法测量建筑陶瓷板内残余应力变化。由于不涉及具体测量值的误差问题，只是在相同误差条件或相似测试条件下比较声速的变化，进而得到残余应力在建筑陶瓷板内的分布情况。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，所述方法包括以下步骤：
S1，将超声波换能器的检测探头安装在间距可调整的金属导轨上，相互平行的金属导轨构建成具有一定数量和间距排布的超声探头矩阵；
S2，使用超声波换能器的检测探头向建筑陶瓷板外边缘四个角发射和接收超声波信号，将接收的超声波信号输入信号处理***转换得到建筑陶瓷板外边缘四个角的应力值，将其中的最小值作为参考点；
S3，超声探头矩阵同时测定建筑陶瓷板上超声探头矩阵的探头位置对应的各测量点的超声波信号，将接收的超声波信号输入信号处理***，获得各测量点相对于参考点的应力值；
S4，将各测量点的坐标和应力相对值作为建筑陶瓷板的应力分布图，将应力分布图实时显示在屏幕上。
进一步地，所述信号处理***用于输入超声波信号并将超声波信号转换为应力值，可以参见参考文献：王寅观，魏墨盒，邵良华，刘辉章。用于残余应力分析的超声波测量仪[J].同济大学学报,1990,18(1):57-64。
可选的，用于探测内应力的超声波换能器的检测探头可以是单晶探头、双晶探头、水浸探头、复合探头、高温探头等中的一种或两种以上的组合。
进一步地，超声波换能器的检测探头优选为复合探头，即产生超声波纵波和横波的压电晶片制作在同一个探头中，在测点上同时可以进行同一耦合条件下的不同纵波和横波的声速测量。
可选的，超声波换能器的检测探头优选为高温探头，实现对建陶大板烧成过程中的内应力在线检测。
可选的，超声探头矩阵的探头间距为10mm～1000mm，进一步的优选为50mm～300mm。
一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，可用于检测建筑陶瓷板烧成出窑后的内应力分布。
可选的，在辊道窑冷却阶段的超声波换能器的检测探头优选为高温探头，以实现对建陶大板降温冷却过程中的内应力在线检测。
一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，采用高温探头作为超声波换能器的检测探头时，可用于建筑陶瓷板在烧成过程中的在线内应力检测
本发明的有益效果为：1.本发明提出的方法不受建筑陶瓷板尺寸的限制，超声换能器探头矩阵的尺寸和密度灵活可调整，适合各种尺寸建筑陶瓷板的内应力测量；2.本方法可以获得内应力在建筑陶瓷板内的分布图，直观表现出应力集中点，对切割等后续加工，提供了指导，可根据应力分布图选择，避免切割裂的问题。3.本发明的技术方案快速简单，测量时间不到1s，不影响现有建筑陶瓷板的生产。4.通过选用合适高温超声波探头，可实现在线检测内应力，从而有利于生产工艺的实时调整。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1所示为超声探头矩阵排布示意图；
图2所示为快速测量建筑陶瓷板内应力示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提出一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，具体包括以下步骤：
实施例1：
一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，具体包括以下步骤：
S1.将超声波换能器的检测探头2安装在间距可调整的金属导轨1上，相互平行的金属导轨构建成具有一定数量和间距排布的超声探头矩阵；
如图1所示，图1为超声探头矩阵排布示意图，图1中的金属导轨1是用于安装超声换能器探头2的金属导轨，起到支撑和调节距离的作用；
S2.超声波换能器的检测探头2通过发射和接收超声波信号，获得建筑陶瓷板5外边缘四个角附近A、B、C、D点的应力值，输入信号处理***3，比较得到其中的最小值，作为参考点R；
如图2所示，图2中的金属导轨1是用于安装超声波换能器的检测探头2的金属导轨，起到支撑和调节距离的作用，边缘4个角上的探头分别标记为A、B、C和D，测得的应力值分别为σA、σB、σC和σD；图2中3是超声波的信号处理***；图2中4是应力显示的屏幕；图2中5是待测试的建筑陶瓷板样品
S3.超声探头矩阵同时测定所对应建筑陶瓷板各点的超声波信号，并输入信号处理***3中，获得各测量点相对于参考点R的应力相对值；
S4.根据各测量点的坐标(x，y)和应力相对值(σR)，作为得到的建筑陶瓷板的应力分布图，实时显示在屏幕4上；
S5.通过信号处理***3对数据进行处理并结合二维坐标数据，将应力相对值转变为不同颜色，确定建筑陶瓷板的应力集中点，实现对应力分布的可视化监测。
可选的，用于探测内应力的超声波换能器的检测探头可以是单晶探头、双晶探头、水浸探头、复合探头、高温探头等中的一种或两种以上的组合。
进一步地，所述信号处理***用于输入超声波信号并将超声波信号转换为应力值，可以参见参考文献：王寅观，魏墨盒，邵良华，刘辉章。用于残余应力分析的超声波测量仪[J].同济大学学报,1990,18(1):57-64。
进一步，超声波换能器的检测探头优选为复合探头，即产生超声波纵波和横波的压电晶片制作在同一个探头中，在测点上同时可以进行同一耦合条件下的不同纵波和横波的声速测量。
可选的，超声波换能器的检测探头优选为高温探头，以实现对建陶大板烧成过程中的内应力在线检测。
可选的，超声探头矩阵的探头间距为10mm～1000mm，进一步的优选为50mm～300mm。
实施例2：
一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法及其应用，具体包括以下步骤：
S1.将能同时产生超声波纵波和横波的超声波换能器复合探头2安装在间距可调整的金属导轨1上，8条相互平行的金属导轨构上每条均有16个探测器，建成具有16*8的超声探头矩阵，超声探头之间相互间隔为200mm；
S2.将超声探头矩阵安置于出窑后的3200mm*1600mm的建筑陶瓷板上，用水润湿探头和建陶板的接触面，保持探头矩阵离建陶板的外边缘四周边距均为100mm。首先用靠近建筑陶瓷板外边缘角四个点A、B、C、D的复合探头发射和接收超声波信号，获得四个点对应的建筑陶瓷板的应力值分别为3.2MPa，5.9MPa，-2.1MPa和7.6MPa，输入信号处理***3，比较判定其中的最小值为C点，并以其作为参考点R，对应的应力值-2.1MPa作为参考应力值；
S3.同时测定16*8超声探头矩阵各点的超声波信号，并输入信号处理***3，获得建筑陶瓷板各测量点相对于参考点C的应力相对值σR；
S4.根据各测量点的坐标(x，y)和应力相对值σR，作为得到的建筑陶瓷板的应力分布图，实时显示在屏幕4上，参见表1和表2；
S5.通过信号处理***3对数据进行处理并结合二维坐标数据，将应力相对值转变为不同颜色，确定建筑陶瓷板的应力集中点，如(1500mm,700mm,22MPa)，(1300mm,900mm,21.2MPa)和(1300mm,1100mm,22.1MPa)等，实现对应力分布的可视化监测。
表1.超声探头矩阵测得建筑陶瓷板内各点相对于参考点C的应力相对值σR(100mm-1500mm)
σ<sub>R(MPa)</sub> 100mm 300mm 500mm 700mm 900mm 1100mm 1300mm 1500mm
100mm 5.3(A) 6.4 7.7 7.2 8.9 9.6 11.8 14
300mm 7.2 7.9 8.5 8.8 11.5 10.8 15 13.2
500mm 9.9 8.7 13.5 12.1 11.9 14 17.3 16.5
700mm 12.1 13 19 15.6 17.3 13.5 16.8 22
900mm 11.5 10.5 12.2 17.5 19.9 16.8 21.2 19.8
1100mm 10.3 9.9 14.2 17.5 16.6 18.5 22.1 20.5
1300mm 9.9 12.1 12.5 15.3 17.2 17.6 16.3 16
1500mm 9.7(D) 10.3 11.1 11.5 13.6 14.7 14.5 14.2
表2.超声探头矩阵测得建筑陶瓷板内各点相对于参考点C的应力相对值σR(1700mm-3100mm)
σ<sub>R(MPa)</sub> 1700mm 1900mm 2100mm 2300mm 2500mm 2700mm 2900mm 3100mm
100mm 10.6 13.1 9.7 15.1 12.3 10.4 8 8.5(B)
300mm 16.7 12.4 11.8 13 10.2 11 9.6 10
500mm 17.7 14.8 13 12.5 14 16.2 13.3 12.6
700mm 20.8 16.9 18 15.3 14 17.5 13.3 12.7
900mm 20.5 18.9 17.3 17 16.1 14.2 11.8 8.8
1100mm 18.7 17.8 16.3 15.2 12.3 9.9 7.9 5.4
1300mm 15.2 16.1 14.9 12.4 11 8.9 5.6 3.2
1500mm 13.1 13.4 12.1 9.7 7.8 5.7 3.1 0(C)
实施例3：
一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法及其应用，具体包括以下步骤：
S1.将能同时产生超声波纵波和横波的超声波换能器耐高温复合探头2安装在间距可调整的金属导轨1上，4条相互平行的金属导轨构上每条均有8个探测器，建成具有8*4的超声探头矩阵，超声探头之间相互间隔为400mm；
S2.将超声探头矩阵安置在辊道窑冷却带段的3200mm*1600mm的建筑陶瓷板上(温度为430℃)，保持探头矩阵离建陶板的外边缘四周边距均为100mm。首先用靠近建筑陶瓷板外边缘角四个点A、B、C、D的复合探头发射和接收超声波信号，获得四个点的应力值分别为28.2MPa，19.5MPa，21.6MPa和31.2MPa，输入信号处理***3，比较判定其中的最小值为B点，并以其作为参考点R，对应的应力值19.5MPa作为参考应力值；
S3.同时测定8*4超声探头矩阵各点的超声波信号，并输入信号处理***3，获得各测量点相对于参考点B的应力相对值σR；
S4.根据各测量点的坐标(x，y)和应力相对值σR，作为得到的建筑陶瓷板的应力分布图，实时显示在屏幕4上，见表3；
S5.通过信号处理***3对数据进行处理并结合二维坐标数据，将应力相对值转变为不同颜色，确定建筑陶瓷板的应力集中点，实现对冷却过程中的建陶板应力分布的可视化监测。
表3.超声探头矩阵测得建筑陶瓷板内各点相对于参考点B的应力相对值σR
σ<sub>R(MPa)</sub> 200mm 400mm 1000mm 1400mm 1800mm 2200mm 2600mm 3000mm
200mm 8.7 8.5 7.8 7 5.7 4.1 2.3 0
600mm 8.9 8.3 8 7.4 6.1 3.6 2.7 1.1
1000mm 9.5 9 8.3 8 6.8 4.4 3.1 1.7
1400mm 10.7 9.9 9.1 7.8 7.2 5.6 4.1 2.1
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (7)

1.一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1，将超声波换能器的检测探头安装在间距可调整的金属导轨上，相互平行的金属导轨构建成具有一定数量和间距排布的超声探头矩阵；
S2，使用超声波换能器的检测探头向建筑陶瓷板外边缘四个角发射和接收超声波信号，将接收的超声波信号输入信号处理***转换得到建筑陶瓷板外边缘四个角的应力值，将其中的最小值作为参考点；
S3，超声探头矩阵同时测定建筑陶瓷板上超声探头矩阵的探头位置对应的各测量点的超声波信号，将接收的超声波信号输入信号处理***，获得各测量点相对于参考点的应力值；
S4，将各测量点的坐标和应力相对值作为建筑陶瓷板的应力分布图，将应力分布图实时显示在屏幕上。
2.根据权利要求1所述的一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，用于探测内应力的超声换能器探头可以是单晶探头、双晶探头、水浸探头、复合探头、高温探头中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，超声波换能器的检测探头为复合探头，即产生超声波纵波和横波的压电晶片制作在同一个探头中。
4.根据权利要求1所述的一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，在辊道窑冷却阶段的超声波换能器的检测探头为高温探头，以实现对建筑陶瓷板的降温冷却过程中的内应力在线检测。
5.根据权利要求1所述的一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法，其特征在于，超声探头矩阵的探头间距为10mm～1000mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法的应用，可用于检测建筑陶瓷板烧成出窑后的内应力分布。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种快速测量建筑陶瓷板内应力的方法的应用，采用高温探头作为超声波换能器的检测探头时，可用于建筑陶瓷板在烧成过程中的在线内应力检测。
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