本发明专利技术属于无损检测领域，涉及一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法。本发明专利技术利用超声波在材料中的传播速度会在一定程度上受材料中应力的影响这一现象，通过声速变化反应大型铝合金锻件中不同位置之间的残余应力水平差异。该方法具有检测速度快、测量深度大经济性好等优点。它利用超声波的“声弹性效应”测量大型铝合金锻件内部的残余应力，具有测量速度快、使用方便、测量范围灵活、经济性好等优点。该方法的单次测量时间约5分钟，比中子衍射测量残余应力方法单次测量时间短，检测速度快，其测量深度最大能达到400mm，高于中子衍射法的测量深度，远远高于X射线法或巴克豪森噪声法的测量深度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无损检测领域，涉及一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平 的方法。
技术介绍
大型铝合金锻件为了达到力学性能要求，需要进行固溶及时效处理，在固溶过程 中，由于锻件的尺寸太大造成其在快速冷却过程中各部位的冷速存在较大差异，从而产生 不均匀的收缩变形，带来较大的残余应力。尽管通过冷压、预拉伸、时效等工艺可以在一定 程度上消除残余应力，但这些工艺对残余应力的消除效果与最初的残余应力水平有关，不 同的残余应力状态需要不同的消除工艺。但是，由于目前缺少一种能够无损测量固溶过程 中残余应力的手段，使得现有的残余应力消除工艺缺少参考依据而出现残余应力消除不充 分，进而造成大型铝合金锻件在后续加工中出现不规则变形，影响产品合格率。 传统的无损评价残余应力方法主要是X射线法和巴克豪森噪声法，但它们的穿透 深度较浅，前者只能测量材料表面几十最多上百微米范围内的残余应力，后者的测量深度 也不超过0. 3_。而造成加工过程中不规则变形的原因主要是锻件内部的残余应力，目前只 有中子衍射法可以测量，但该方法需要庞大的设备投入，成本过高。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种超声波无损测量 铝合金锻件内部残余应力水平的方法。 本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的： 该方法的步骤是： (1)选择探头 1. 1选择探头 使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径 和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小 于一次底波幅度的20%，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直 到满足这一条件为止； 1.2选配耦合剂 使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探 头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面； (2)标定 2.1 取样 在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200-300mm，宽10_30mm，厚5_20mm的拉 伸试样， 2. 2 标定 2. 2.1连接设备 脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和 同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接 Π, 2. 2. 2夹持试样并安放探头 将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利 用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向， 2. 2. 3标定测量参数 打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长 度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为h，未加载荷时，横波波速V(l = 2C +、，其中，c为拉伸试样的厚度； 对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度 的70% -80%，在加载过程中，轴向应力每增加 10-100MPa，分别一次底波与二次底波的时 间间隔\ ;利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Λ匕，则每一载荷下横波波速 ν? = 2Χ((^ΧΛΙ^ + ?3)+\;以轴向应力为纵坐标，以（Vi-VQ)为横坐标，在直角坐标系上 绘制出载荷与声速变化关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为横波声弹 性系数K ； ⑶测量 3. 1选择待测位置 在铝合金锻件的最大表面上标出待测位置，待测位置必须包含该表面的中心点、 距离任意一个侧边30-100mm以内的1_2个点、以及距离两个邻边均在30_100mm以内的1_2 个点，总的测量点数不少于5个， 3. 2测量各个位置的横波声速 测量上述各待测点与背面之间的距离Sj，仍采用2. 2. 1中的方法连接探头、脉冲信 号发生器和多通道数字示波器，将探头耦合在待测位置上并旋转，探头每旋转10° -30° 测量一下一次底波起始位置与二次底波起始位置之间的时间间隔\，直到探头旋转一周， 计算所有时间间隔\的算数平均值，计算各时间间隔\与之差Λ\_，若某一 tj所对应大于Atj平均i的2倍，则删去这一时间间隔\_，计算其余所有数据的算数平 均值，在这一测量位置的横波声速' =2Sj + tj平均。重复上述步骤，获得所有待测点 的横波声速； (4)计算残余应力 将所有待测点处测得的横波速度Vj取算数平均值，各点的残余应力σ」= Κ X (Vj-Vj 平均)。 本专利技术的优点是：本专利技术利用超声波在材料中的传播速度会在一定程度上受材料 中应力的影响这一现象，通过声速变化反应大型铝合金锻件中不同位置之间的残余应力水 平差异。该方法具有检测速度快、测量深度大经济性好等优点。它利用超声波的声弹性效 应测量大型铝合金锻件内部的残余应力，具有测量速度快、使用方便、测量范围灵活、经济 性好等优点。 该方法的单次测量时间约5分钟，比中子衍射测量残余应力方法单次测量时间 短，检测速度快，同时，该方法得益于超声波对铝合金材料的高穿透能力，其测量深度最大 能达到400mm，高于中子衍射法的测量深度，远远高于X射线法或巴克豪森噪声法的测量深 度，第三，该方法单次测量的成本仅为中子衍射法的几百分之一，具有明显的经济性，第四， 该方法无放射性，而使用安全。 【具体实施方式】 (1)选择探头 1. 1选择探头 使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径 和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小 于一次底波幅度的20%，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直 到满足这一条件为止； 1. 2选配耦合剂 使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探 头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面； (2)标定 2. 1 取样 在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200-300mm，宽10_30mm，厚5_20mm的拉 伸试样， 2. 2 标定 2. 2.1连接设备 脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和 同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接 Π, 2. 2. 2夹持试样并安放探头 将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利 用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向， 2. 2. 3标定测量参数 打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长 度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为h，未加载荷时，横波波速V(l = 2C +、，其中，c为拉伸试样的厚度； 对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度 的70% -80%，在加载过程中，轴向应力每增加 10-100MPa，分别一次底波与二次底波的时 间间隔\ ;利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Λ匕，则每一载荷下横波波速 ν? = 2Χ((^ΧΛΙ^ + ?3)+\;以轴向应力为纵坐标，以（V本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法，其特征在于：该方法的步骤是：(1)选择探头1.1选择探头使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径和频率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小于一次底波幅度的20％，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直到满足这一条件为止；1.2选配耦合剂使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探头沿自身中心轴旋转时不脱离锻件表面；(2)标定2.1取样在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200‑300mm，宽10‑30mm，厚5‑20mm的拉伸试样，2.2标定2.2.1连接设备脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口，2.2.2夹持试样并安放探头将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利用耦合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向，2.2.3标定测量参数打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长度方向平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为t0，未加载荷时，横波波速v0＝2c÷t0，其中，c为拉伸试样的厚度；对拉伸试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷，直到轴向应力达到拉伸试样屈服强度的70％‑80％，在加载过程中，轴向应力每增加10‑100MPa，分别一次底波与二次底波的时间间隔ti；利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Δbi，则每一载荷下横波波速vi＝2×(c‑c×Δbi÷b)÷ti；以轴向应力为纵坐标，以(vi‑v0)为横坐标，在直角坐标系上绘制出载荷与声速变化关系曲线，将曲线进行线性拟合，拟合后直线的斜率称为横波声弹性系数K；(3)测量3.1选择待测位置在铝合金锻件的最大表面上标出待测位置，待测位置必须包含该表面的中心点、距离任意一个侧边30‑100mm以内的1‑2个点、以及距离两个邻边均在30‑100mm以内的1‑2个点，总的测量点数不少于5个，3.2测量各个位置的横波声速测量上述各待测点与背面之间的距离sj，仍采用2.2.1中的方法连接探头、脉冲信号发生器和多通道数字示波器，将探头耦合在待测位置上并旋转，探头每旋转10°‑30°测量一下一次底波起始位置与二次底波起始位置之间的时间间隔tj，直到探头旋转一周，计算所有时间间隔tj的算数平均值tj平均1，计算各时间间隔tj与tj平均1之差Δtj，若某一tj所对应Δtj大于Δtj平均1的2倍，则删去这一时间间隔tj，计算其余所有数据的算数平均值tj平均，在这一测量位置的横波声速vj＝2sj÷tj平均。重复上述步骤，获得所有待测点的横波声速；(4)计算残余应力将所有待测点处测得的横波速度vj取算数平均值vj平均，各点的残余应力σj＝K×(vj‑vj平均)。...
【技术特征摘要】
1. 一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法，其特征在于：该方法的步 骤是： (1)选择探头 1. 1选择探头 使用垂直发射的偏振横波探头，根据待测铝合金锻件的厚度选择探头的晶片直径和频 率，选择的原则是：探头发出的超声波在铝合金锻件中传播时的二次底波的幅度不小于一 次底波幅度的20%，如不满足这一要求，需要选择晶片直径更大或频率更低的探头，直到满 足这一条件为止； 1. 2选配耦合剂 使用与探头相匹配的专用耦合剂，使探头牢固固定在待测锻件表面，同时保证探头沿 自身中心轴旋转时不脱离锻件表面； (2)标定 2. 1取样 在待测锻件上沿锻件长度方向取下一个长200-300mm，宽10_30mm，厚5_20mm的拉伸试 样， 2. 2标定 2. 2. 1连接设备 脉冲信号发生器的输出接口和同步接口分别与多通道数字示波器的输入接口和同步 接口通过同轴电缆连接；通过同轴电缆将探头接到脉冲信号发生器的发射/接收接口， 2. 2. 2夹持试样并安放探头 将试样安装在拉伸试验机上，试样长度方向为拉伸试验机的加载方向，将探头利用率禹 合剂耦合在拉伸试样任意最大表面的中心，将引伸计加持在试样宽度方向， 2. 2. 3标定测量参数 打开脉冲信号发生器和多通道数字示波器，旋转探头，使其接口方向与试样长度方向 平行，测量一次底波与二次底波的时间间隔，记为t(i，未加载荷时，横波波速V(| = Zc + td,其 中，C为拉伸试样的厚度； 对拉伸试样施加逐渐增加的...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓，史亦韦，梁菁，李国爱，杨平华，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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