一種用于測量細管表層周向殘余應力的超聲無損檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明提出了一種用于測量細管表層周向殘余應力的超聲無損檢測裝置。所用裝 置體積小巧、制作工藝簡單、方便使用，可實現細管表層殘余應力的在線檢測及抽檢等任 務，解決了細管表層殘余應力檢測的難題，測量結果更加準確可靠，可廣泛應用于細管表層 殘余應力的檢測場合中，具有靈敏度高、使用高效方便等特點。 二、
【背景技術】
[0002] 殘余應力是金屬加工過程中由于不均勻的應力場、應變場、溫度場和組織不均勻 性，在形變后保留下來的應力。殘余應力對機械構件的可靠性有很大影響，特別是對結構件 的疲勞壽命、尺寸穩定性和抗腐蝕能力影響很大并且會導致應力集中，從而導致材料產生 微裂紋，而這些裂紋在一定條件下導致材料斷裂。
[0003] 航空飛行器、航天產品、石油化工行業等都在大量使用鋁合金、銅合金和鈦合金細 管作為輸油、輸氣管道，由于長期受到高溫、高壓和環境沖擊振動作用，容易導致金屬細管 的疲勞殘余應力集中而導致斷裂，如飛機、車輛和艦船發動機的液壓油管等，它們對裝備的 安全性能具有重要影響。因此，通過準確地測量出流體控制細管殘余應力，并對其狀態、應 力值進行合理的評估，對提高設備安全性具有十分重要的意義。
[0004] 現有的殘余應力檢測方法主要是小孔法、X射線衍射法、電磁法、中子衍射法和超 聲無損檢測方法，其中小孔法對對零件表層有破壞作用，只能用于抽檢，不能批量檢查;X射 線對人體有傷害且其滲透深度小、中子衍射法對人體的傷害也很嚴重，不僅要求特殊保護 環境，而且檢測設備復雜；電磁方法目前還不能定量檢測殘余應力，而且受到被檢測部件剩 磁程度的影響。
[0005] 超聲無損檢測方法因其使用靈活方便、適合現場使用、對人體無害、可以量化檢測 殘余應力，因此，受到廣泛關注。本發明采用超聲臨界折射縱波來檢測細管周向殘余應力， 可以無損地對細管的周向殘余應力進行快速批量檢測，對于細管的質量檢測、疲勞壽命評 估、生產質量檢驗等都具有非常重要的理論和現實意義。
[0006] 經過查詢專利檢索與服務系統和相關公開文獻，目前還沒有發現類似的采用超聲 無損檢測裝置檢測細管周向殘余應力公開的論文、發明專利或專有技術。 三、

【發明內容】

[0007] 本發明的目的是提供一種基于臨界折射縱波法檢測細管表層殘余應力裝置。采用 一發一收模式，對細管殘余應力進行檢測。
[0008] 本發明的目的是這樣實現的：
[0009] 對于細管周向殘余應力的檢測，依據Snell定律在細管表層激發臨界折射縱波使 其沿著細管斜方向傳播來檢測細管表層殘余應力。通過精確計算第一臨界角和臨界折射縱 波在細管中傳播方向與細管軸向方向的夾角，使超聲縱波換能器與聲楔塊接觸切面成第一 臨界角裝配并沿細管表層傳播固定距離L，兩個超聲縱波換能器采用一發一收模式，得出軸 向和周向合成應力，最后通過精確計算得出周向應力。
[0010]本發明的優點在于:采用接觸細管外壁的方法測量殘余應力，已有超聲縱波換能 器能夠正常使用，并且具有良好的性能。所用裝置體積小巧、制作工藝簡單、方便使用、成本 低。 四、
【附圖說明】
[00?1 ]圖1是本發明的周向殘余應力檢測3D結構不意圖
[0012] 附圖標記說明如下：
[0013] 圖1:被測細管1、聲楔塊2、超聲縱波換能器3 五、
【具體實施方式】
[0014] 下面對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明：
[0015] 1、臨界折射縱波的激發
[0016] 根據Snell定律，當超聲縱波從波速較慢的聲楔塊傳播到波速較快的細管材料中 時會發生折射現象，當縱波折射角度等于90°時對應的入射角度稱為第一臨界角，計算公式 如下所示：
[0017] 0cr = sin_1(Vi/V2)
[0018] 式中：
[0019] 0cr-第一臨界角(°);
[0020] W-波速較慢的介質中超聲縱波傳播速度(m/s);
[0021 ] V2-波速較快的介質中超聲縱波傳播速度(m/s)。
[0022]折射后臨界折射縱波將沿細管的表層傳播。
[0023]對于細管表層殘余應力檢測，在細管上放置聲楔塊的位置找出平行于細管圓心線 的一條母線，根據Snell定律和在聲楔塊材料和細管材料中的聲速計算出在這點的第一臨 界角。
[0024] 2、超聲波測應力原理
[0025]根據聲彈性基本原理，超聲波在各向同性彈性介質中傳播時，當波動質點的偏振 方向與殘余應力方向一致或相反（即為〇度或180度)時，超聲波波速改變量與殘余應力變化 量成線性關系。因此，可以利用超聲臨界折射縱波檢測該方向的殘余應力。當臨界折射縱波 速度增加時，表示材料中存在壓縮殘余應力，反之，存在拉伸殘余應力，在材料特性確定條 件下，臨界折射縱波波速變化量dV與殘余應力變化量do之間的關系如下：
[0027]式中：
[0028] do-殘余應力的改變量(MPa);
[0029] dV-臨界折射縱波傳播速度的改變量(m/s);
[0030] Vo-零應力條件下臨界折射縱波的傳播速度(m/s);
[0031] k 一聲彈性系數(ns/m2);
[0032] 當臨界折射縱波傳播距離L確定之后，被測介質內的聲速變化可以用聲時變化等 效代替，如下式：
[0034]式中：
[0035] dt-臨界折射縱波傳播聲時的變化量(s);
[0036] To-零應力條件下臨界折射縱波傳播固定距離L所需要的時間（s);
[0037]令應力常數K = -2/kTo,其中To是零應力條件下縱波傳播固定距離L所需要的時間， 這時應力變化與超聲波傳播聲時變化成近似線性關系，即Α σ=Κ Δ t。
[0038] 3、細管周向殘余應力的檢測
[0039] 圖1中，細管尺寸較小，不能直接利用超聲縱波方法測量細管周向的殘余應力，需 使超聲縱波換能器發出的臨界折射縱波沿著細管曲面進行爬行傳播，精確計算臨界折射縱 波在細管表層傳播固定距離的角度，例如，若使臨界折射縱波在細管表層爬行半圓傳播固 定的距離L，計算公式如下所示：
[0040] e^sin^H^d^L)
[0041 ]式中：
[0042] θρ臨界折射縱波在細管傳播方向與軸向方向的夾角(° );
[0043] d-細管外徑(mm);
[0044] L-臨界折射縱波在細管表層的傳播距離(mm)。
[0045]將組裝好的測量裝置放置于被測細管1上，通過軟件分時激勵超聲縱波換能器3從 而激勵出縱波信號，該信號通過聲楔塊2,經過折射并在被測細管1上產生臨界折射縱波信 號，從而進行應力測量。
[0046] 5、對細管不同深度的殘余應力的檢測
[0047] 根據聲彈性理論，臨界折射縱波在細管中的滲透深度是超聲激發頻率的函數，頻 率越低滲透深度越深，一般為1個波長左右。
[0048] 所以可以通過改變超聲波頻率來檢測不同深度下細管的平均周向殘余應力值。
【主權項】
1. 本發明提出來一種基于臨界折射縱波法檢測細管表層周向殘余應力的裝置，其特征 在于:針對不同外徑不同壁厚的細管，設計具有與細管外徑相同尺寸圓弧曲線的聲楔塊。根 據聲彈性理論利用超聲縱波換能器發射臨界折射縱波在細管表層傳播固定距離來檢測周 向的平均殘余應力。2. 根據權利要求1所述的聲彈性理論，其特征在于:超聲縱波換能器在聲楔塊上放置的 角度遵照Snell定律進行確定。3. 根據權利要求1所述的聲楔塊，其特征在于:使其能夠和細管外部吻合，圓弧內部和 細管外壁填充耦合劑使其完全接觸。4. 根據權利要求1所述的聲楔塊，其特征在于:臨界折射縱波在其中的傳播速度小于臨 界折射縱波在細管材料中的傳播速度，其材料可以有不同類型，可以為有機玻璃，銅等。5. 根據權利要求1所述的聲楔塊，其特征在于：下部圓弧半徑不僅局限于某一特定尺 寸，所有滿足細管的尺寸的圓弧曲線也在本權利要求范圍保護之內。6. 根據權利要求1所述的超聲縱波，其特征在于：可以通過調節超聲波的頻率，可以檢 測細管不同深度表層的平均殘余應力的大小與分布。7. 根據權利要求1所述的所述的固定距離，其特征在于：固定距離不局限于某一特定長 度，所有滿足細管殘余應力檢測的長度也在本權利要求范圍保護之內。
【專利摘要】本發明涉及一種檢測細管表層周向殘余應力的超聲無損檢測裝置，超聲縱波通過波形轉換在細管表層中形成臨界折射縱波，測出臨界折射縱波在細管表層中傳播的時間，由聲彈性理論便可計算出相應的細管表層內的平均周向殘余應力。而且通過改變超聲縱波的頻率還可以測出不同深度下的細管表層的周向殘余應力分布。該技術發明可以有效地解決快速便捷準確地檢測細管的殘余應力分布問題，非常適合細管生產現場、維修維護現場廣泛使用，是一種在狹小空間內檢測曲面構件殘余應力分布的新方法，具有非常廣泛的應用。
【IPC分類】G01L1/25, G01N29/04
【公開號】CN105606705
【申請號】CN201610004886
【發明人】潘勤學, 徐春廣, 劉帥, 賀亞洲, 米郁, 任研飛
【申請人】北京理工大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年1月5日