一种残余应力非线性超声检测方法技术

本发明专利技术涉及一种残余应力非线性超声检测方法，适用于超声无损检测领域，利用超声二阶和三阶非线性系数与残余应力的对应关系，通过水耦或空气耦合可以非接触地检测构件内部残余应力，经过研究和试验验证发现，该方法具有正确的理论基础、可行的技术方案、有效的实施方法和可靠可重复的检测结果，从根本上解决了大型构件内部残余应力的快速无损检测的根本需求。

【技术实现步骤摘要】
一种残余应力非线性超声检测方法一、
本专利技术属于超声检测领域，涉及一种残余应力非线性超声检测方法，适用于对构件内部残余应力分布的快速扫查。二、
技术介绍
构件的非线性超声检测机理是利用超声波在构件中传播时，与材料中的内部结构相互作用，使超声波波形发生畸变，产生高次谐波分量，利用非线性超声特征参数对材料微缺陷的敏感程度表征材料的非线性特性，从而实现对构件残余应力的检测。在现有的残余应力检测方法中，按照其对被测构件损伤与否分为有损伤、半损伤和无损伤三大类，有损伤的方法有：切片法、轮廓法等，半损伤的方法有盲孔法、环芯法、深孔法等，有损和半损法都属于应力释放的范畴；无损的方法有X射线衍射法、磁性测定法和超声波法等。无损检测方法中，X射线的检测深度极浅，仅为10～35μm，对人体有一定辐射伤害，主要用于表面镀层、薄膜等金属材料表面残余应力的检测。磁性测定法检测结果受多种因素影响，可靠性和精度差，检测值标定困难，对材质较为敏感，而且仅能用于铁磁材料的检测。超声无损检测法是目前最有发展潜力的残余应力检测方法之一。超声检测残余应力的方法：声弹性理论和非线性超声检测理论。徐春广教授、潘勤学博士等对声弹性理论检测残余应力的理论进行了深入的研究，而非线性超声检测残余应力的研究较少。通过在万方数据库(网址：http://new.wanfangdata.com.cn/)和国家知识产权局(网址：http://www.pss-system.gov.cn/)进行专利检索和论文查询，获得三个相关专利及论文：1)邓银舟等的论文.金属构件疲劳损伤非线性超声性能检测方法研究.中国锰业.doi:10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.026.阐述了金属构件疲劳损伤非线性超声波性能检测中不仅保留了传统金属构件的检测方式，同时应用超声波声频声波分析技术、红外线分析技术、卫星光纤分析技术以及数据分析技术进行金属构件疲劳损伤分析。该论文仅从理论和检验方式两方面进行分析，并没有提出具体应用方法。2)吴斌等的专利技术专利：金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测方法，专利号CN201010119536.7，提供一种在非线性超声无损检测的基础上引入声发射技术检测金属材料早期疲劳损伤的方法，根据被测试件的厚度确定激励信号参数并输入任意函数发生器生成单一音频信号；根据空载时的噪声信号幅值确定声发射仪门槛值；给被测试件进行疲劳加载，由声发射传感器连续实时检测声发射信号，放大后输入声发射仪，当声发射信号幅值超过声发射仪预设的门槛值，声发射仪判定振铃；如果声发射仪没有显示振铃或连续振铃次数没有超过经验值，则等时间间隔检测非线性超声信号；如果显示连续振铃次数超过了经验值，表明有疲劳裂纹萌生和发展。该方法对于金属材料疲劳只是通过经验值进行判定，无法定量描述金属材料内部的应力状态及应力值。3)李海洋等的专利技术专利：一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法，申请号：CN201710271586.9，提供一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法，在待测试件的中间放置探头，将待测试件的两端固定，待测试件的中间悬挂一个重物，通过重物的重力对待测试件产生拉伸进行产生疲劳。在待测试件上制作在线监测应变的支撑架，支撑架内放置超声换能器。非线性声学检测设备的高能脉冲信号输出端通过50欧姆阻抗匹配、双工器后，与超声波换能器进行交互，经待测试件反射后接收反射的超声波信号。该方法虽然实现在在线监测金属材料应力变化，但需要对待测件的中间悬挂一个重物且仅能通过接收反射超声波信息号来监测，操作复杂，工况要求高，无法通过透射及有角度的超声波信号监测金属材料的应力变化。上述研究成果并没有涉及到本专利技术所述的利用非线性超声方法来检测残余应力的具体内容，因此，本专利技术申请的权利点具有完全的创新性。三、
技术实现思路
本专利技术涉及一种残余应力非线性超声检测方法，适用于超声无损检测领域，利用超声二阶和三阶非线性系数与残余应力的对应关系，通过水耦或空气耦合可以非接触地检测构件内部残余应力，经过研究和试验验证发现，该方法具有正确的理论基础、可行的技术方案、有效的实施方法和可靠及可重复的检测结果，从根本上解决了大型构件内部残余应力的快速无损检测的根本需求。本专利技术基于残余应力的非线性超声检测原理，残余应力大小将影响超声二阶系数β和三阶系数δ分量的大小，并与之有一定的对应关系；对某种材料，在超声非线性系数与接收信号基波幅值、谐波幅值之间的定量关系后，将超声二阶非线性系数和三阶非线性系数组合为非线性超声综合参数来计算残余应力。能满足航空航天广泛使用的大型构件内部残余应力分布状态的快速扫查检测、管道内部残余应力和高铁铁轨内部残余应力以及大型轧制和铸锻件内部残余应力的快速无损检测，将会在国家重大装备结构件的安全服役排查中广泛应用。四、附图说明图1残余应力非线性超声检测系统基本构成示意图；图2表层切向残余应力非线性超声斜入射表面波检测方式示意图；图3法向残余应力非线性超声反射检测方法示意图；图4法向残余应力非线性超声透射检测方法示意图。图5任意角度а方向上的残余应力非线性超声斜透射检测方法图6超声波激励信号脉冲串五、具体实施方式下面对残余应力非线性超声检测方法进行详细说明：1.残余应力非线性超声检测系统应至少具有如下功能：频率设置、超声激励电压控制、高低通滤波、超声接受增益控制、谐波分析算法、信号时间位置显示和残余应力值的计算。典型的非线性超声检测系统构成框图，如图1所示。2.材料构件内部残余应力是具有位置(或深度)、大小和方向的三维矢量，为满足不同方向残余应力检测的需要，残余应力非线性超声检测分为如下四种方式：残余应力非线性超声波斜入射检测方式、残余应力非线性超声反射检测方法、残余应力非线性超声正透射检测方法、任意角度残余应力非线性超声斜透射检测方法。3.在被检测构件的一侧表面，利用基频发射纵波超声换能器和2倍或3倍频接收超声换能器，在指定入射和接收角度产生或接收在表层内沿表层传播的纵波或表面波，可以获得表层内切向残余应力，检测方法，如图2所示；通过改变检测频率而改变波长以实现不同深度范围内的残余应力检测，通过改变发射和接收换能器的间距以调节检测范围或灵敏度。4.在被检测构件的一侧表面，利用垂直发射的基频纵波超声换能器和2倍或3倍频接收超声换能器，在构件表面法向经过耦合介质产生或接收构件内部传播的纵波，可以获得构件法向残余应力，残余应力非线性超声反射检测方法，如图3所示。5.分别在被检测构件的两侧表面，利用基频发射纵波超声换能器和2或3倍频接收超声换能器，分别垂直放置在被测构件的两侧而形成超声透射检测模式，垂直发射和接收透射超声纵波，可以获得构件内法向残余应力，残余应力非线性超声正透射检测方法，如图4所示。6.分别在被检测构件的两侧表面，利用基频发射纵波超声换能器和2或3倍频接收超声换能器，分别按照设计的入射角度(а)放置发射探头和接收探头，在被测构件的两侧面形成超声斜透射检测模式，斜入射超声纵波和斜接收透射超声纵波，可以获得在α入射角度的折射角度方向上的残余应力数值，残余应力非线性超声斜透射检测方法，如图5所示。7.非线性超声检测中激励信号要求既具有较高的幅值(通常激励电压大于200V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种残余应力非线性超声检测方法，基于残余应力的非线性超声检测原理，残余应力大小将影响超声二阶系数β和三阶系数δ分量的大小，并与之有一定的对应关系；对某种材料，在超声非线性系数与接收信号基波幅值、谐波幅值之间的定量关系后，将超声二阶非线性系数和三阶非线性系数组合为非线性超声综合参数来计算残余应力。

【技术特征摘要】
1.一种残余应力非线性超声检测方法，基于残余应力的非线性超声检测原理，残余应力大小将影响超声二阶系数β和三阶系数δ分量的大小，并与之有一定的对应关系；对某种材料，在超声非线性系数与接收信号基波幅值、谐波幅值之间的定量关系后，将超声二阶非线性系数和三阶非线性系数组合为非线性超声综合参数来计算残余应力。2.根据权利要求1所述的残余应力非线性超声检测方法，其特征在于：残余应力大小将影响超声二阶系数β和三阶系数δ分量的大小，并与之有一定的对应关系。3.根据权利要求1所述的残余应力非线性超声检测方法，其特征在于：对某种材料，在超声非线性系数与接收信号基波幅值、谐波幅值之间的定量关系后，将超声二阶非线性系数和三阶非线性系数组合为非线性超声综合参数来计算残余应力。4.根据权利要求1所述的残余应力非线性超声检测方法，其检测系统特征在于：残余应力非线性超声检测系统应至少具有如下功能：频率设置、超声激励电压控制、高低通滤波、超声接受增益控制、谐波分析算法、信号时间位置显示和残余应力值的计算。5.根据权利要求1所述的残余应力非线性超声检测方法，其检测系统特征在于：材料构件内部残余应力是具有位置(或深度)、大小和方向的三维矢量，为满足不同方向残余应力检测的需要，残余应力非线性超声检测分为如下四种方式：残余应力非线性超声波斜入射检测方式、残余应力非线性超声反射检测方法、残余应力非线性超声正透射检测方法、任意角度残余应力非线性超声斜透射检测方法。6.根据权利要求5所述的的残余应力非线性超声检测方法，其残余应力非线性超声波斜入射检测特征在于：在被检测构件的一侧表面，利用基频发射纵波超声换能器和2倍或3倍频接收超声换能器，在指定入射和接收角度产生或...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春广，贺蕾，王秋涛，李培禄，卢钰仁，潘勤学，周世圆，肖定国，郝娟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11