一种超声波残余应力检测系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超声波残余应力检测系统及测量方法，所述检测系统包括残余应力检测单元、声各向异性检测单元和衰减度测试单元，所述残余应力检测单元中残余应力检测的发射探头和接收探头、衰减度测试单元的纵波平探头和声各向异性检测单元的横波探头均与多通道超声卡和数据处理中心电连接，所述数据处理中心包括数据库模块、取向方位角确定模块、纵波衰减度计算模块和残余应力计算模块；该超声波残余应力检测系统可对待测焊件进行声各向异性检测和衰减度测试，可实现同一测量区域不同方向残余应力检测，从而得到测试区域的二维平面应力场，而且该系统可减小材料组织效应影响，大大提高超声波检测法的测量精度。大大提高超声波检测法的测量精度。大大提高超声波检测法的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波残余应力检测系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及焊接残余应力检测领域，具体公开了一种超声波残余应力检测系统及测量方法。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]焊接是工业生产中最重要的一种连接方式，焊接质量决定着焊接产品质量，由于焊接残余应力过大引起的焊接接头破坏是最主要的焊接破坏。焊接接头的残余应力无损检测对生产实践中优化焊接工艺具有非常重要的指导作用。残余应力的无损检测方法主要有中子衍射法、同步辐射法、磁粉法、X射线衍射法和超声波检测法。其中，超声波法是近几年来发展最快的残余应力无损检测方法，具有测试速度快、无辐射、设备轻便、成本较低等优点。
[0004]超声波法测量残余应力属于间接性测量，超声波中的临界折射波(LCR波)波速对应力的变化反应比较敏感，是超声波测应力主要应用的波形之一。其主要检测理论是：相同的传播距离下，测得临界折射纵波在零应力样中的传播时间t0(零应力传播时间t0)和临界折射纵波超声波在待测样中的超声传播时间t，二者之差直接反应待测样的残余应力值。在对焊接部位进行超声波残余应力测试时，不仅待测样中沿超声波传播方向的残余应力会影响临界折射纵波的波速，还有很多影响因素也会对波速产生影响，影响因素主要包括与超声波传播方向垂直的残余应力、待测样中的微观组织(加工过程中造成的材料晶粒大小的不一致、材料织构以等现象)、超声探头与待测样表面的耦合压力。有些影响因素对超声波传播速度的影响甚至与焊接残余应力对超声波传播速度的影响在同一个数量级，严重影响超声波残余应力测试方法的测试精度，限制了超声波残余应力测试法的发展。而且，材料组织差异也会导致激发临界折射纵波的第一临界角不同，现有技术用基于母材计算出的第一临界角检测待测焊件不同区域的残余应力必然存在较大测量误差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的专利技术目的是提供一种超声波残余应力检测系统及测量方法，该超声波残余应力检测系统及方法可对待测焊件进行声各向异性检测和衰减度测试，可实现同一测量区域不同方向残余应力检测，从而得到测试区域的二维平面应力场，而且该系统可减小材料组织效应影响，大大提高超声波检测法的测量精度。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]第一方面，本专利技术的实施例提供了一种超声波残余应力检测系统，包括残余应力检测单元、声各向异性检测单元和衰减度测试单元；所述残余应力检测单元包括发射探头和接收探头；
[0008]所述的衰减度测试单元的纵波平探头；所述的声各向异性检测单元包括横波探头；所述的发射探头、接收探头、纵波平探头和横波探头均与多通道超声卡和数据处理中心
电连接；所述数据处理中心包括：
[0009]数据库模块，包括材料的晶粒度U与纵波信号衰减度M的关系数据库、零应力传播时间t0与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库、声弹性系数k与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库、第一临界角α与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库；
[0010]所述的取向方位角确定模块，通过声各向异性检测单元的检测结果确定待测焊件的声主轴方向和超声波残余应力检测的取向方位角；
[0011]纵波衰减度计算模块，通过衰减度测试单元的测试结果，调用数据库模块中晶粒度U与纵波信号衰减度M的关系数据库，计算待测焊件测试区域的晶粒度；
[0012]残余应力计算模块；通过纵波衰减度计算模块得到的晶粒度和取向方位角确定模块确定的取向方位角，调用第一临界角α与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库，确定第一临界角，并将所述第一临界角传给残余应力检测单元调节超声探头角度，进行残余应力检测；然后根据残余应力检测单元的检测结果，调用零应力传播时间t0与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库、声弹性系数k与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库，确定待测焊件测试区域的零应力传播时间和声弹性系数，计算测试区域的残余应力值。
[0013]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的残余应力检测单元包括中心定位台，在所述的中心定位台的相对两个侧面各固定有平行导轨架，每对平行导轨架上均滑动连接有探头固定装置，两个探头固定装置上安装有用于残余应力检测的超声探头。
[0014]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述中心定位台包括底座和位于底座上部呈筒体形态的升降旋转装置，平行导轨架安装于升降旋转装置的相对外侧壁上；所述中心定位台的底座底面边缘对称分布有吸盘。
[0015]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述升降旋转装置外壳的顶端为边缘设置有角度刻度的定位盘；所述底座上表面边缘设置有定位指针，所述定位指针位于升降旋转装置外部，指向升降旋转装置，与所述定位盘边缘设置的角度刻度配合确定所述升降旋转装置外壳相对于底座的旋转角度。
[0016]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的探头固定装置包括耦合压力调整部和声束角度调整部；所述的耦合压力调整部固定于声束角度调整部上。
[0017]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述耦合压力调整部包括外部的箱体，在所述的箱体内从上到下依次水平设置有上移动板、固定板和下移动板；所述下移动板和下移动板之间至少固定连接有两个穿过固定板的弹簧；每个弹簧内部设置有用于支撑弹簧的支撑杆，所述支撑杆下端与下移动板固定连接；所述支撑杆上端穿过上移动板为自由端。
[0018]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，至少一个所述弹簧与上移动板的下表面之间安装有压力传感器。
[0019]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述上移动板的中部设置有供调力螺钉穿过的通孔，固定板上设置有与所述通孔位置垂直对应的用于固定调力螺钉下端的螺纹通孔；所述调力螺钉上端的螺钉头紧压上移动板，下端拧入所述固定板上的螺纹通孔。
[0020]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的声束角度调整部包括底座，底座的上部为具有凸圆弧导轨面的U型槽轨，底座底部设置由压力传感器和电阻传感器组成的耦合监测器；所述耦合监测器的输出端与数据处理中心连接；探头固定楔块与所述U型槽轨的侧壁滑动连接，且探头固定楔块的凹圆弧面与U型槽轨的凸圆弧导轨面配合，所述探头固定楔块上部设置有探头安装腔，用于安装残余应力检测的超声探头。
[0021]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述声束角度调整部通过玻璃底座夹具与耦合压力调整部下移动板下表面的中部固定连接。
[0022]结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的声各向异性检测单元包括横波探头，所述的横波探头置于待测焊件上远离焊缝的母材区域表面，通过多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波残余应力检测系统，包括残余应力检测单元、衰减度测试单元、多通道超声卡和数据处理中心；其特征在于：还包括声各向异性检测单元；所述声各向异性检测单元，用于对待测焊件上远离焊缝的母材区域进行声各向异性检测；所述的多通道超声卡，与残余应力检测单元、声各向异性检测单元、衰减度测试单元相连，用于激发各个单元的探头；所述的数据处理中心，包括数据库模块、取向方位角确定模块、纵波衰减度计算模块和残余应力计算模块；所述的取向方位角确定模块通过声各向异性检测单元的检测结果确定待测焊件的声主轴方向和超声波残余应力检测的取向方位角；所述的纵波衰减度计算模块，通过衰减度测试单元的测试结果，调用数据库模块中晶粒度U与纵波信号衰减度M的关系数据库，计算待测焊件测试区域的晶粒度；所述的残余应力计算模块，通过调用数据库中的相关模块计算测试区域的残余应力值。2.如权利要求1所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述的残余应力检测单元包括中心定位台，在所述的中心定位台的相对两个侧面各固定有平行导轨架，每对平行导轨架上均滑动连接有探头固定装置，两个探头固定装置上安装有用于残余应力检测的超声探头。3.如权利要求2所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述中心定位台包括底座和位于底座上部呈筒体形态的升降旋转装置，平行导轨架安装于升降旋转装置的相对外侧壁上。4.如权利要求3所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述升降旋转装置外壳的顶端为边缘设置有角度刻度的定位盘；所述底座上表面边缘设置有定位指针，所述定位指针位于升降旋转装置外部，指向升降旋转装置，与所述定位盘边缘设置的角度刻度配合确定所述升降旋转装置外壳相对于底座的旋转角度。5.如权利要求2所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述的探头固定装置包括耦合压力调整部和声束角度调整部；所述的耦合压力调整部固定于声束角度调整部上。6.如权利要求5所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述耦合压力调整部包括外部的箱体，在所述的箱体内从上到下依次水平设置有上移动板、固定板和下移动板；所述下移动板和下移动板之间至少固定连接有两个穿过固定板的弹簧；每个弹簧内部设置有用于支撑弹簧的支撑杆，所述支撑杆下端与下移动板固定连接；所述支撑杆上端穿过上移动板为自由端。7.如权利要求6所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，至少一个所述弹簧与上移动板的下表面之间安装有压力传感器。8.如权利要求6所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述上移动板的中部设置有供调力螺钉穿过的通孔，固定板上设置有与所述通孔位置垂直对应的用于固定调力螺钉下端的螺纹通孔；所述调力螺钉上端的螺钉头紧压上移动板，下端拧入所述固定板上的螺纹通孔。9.如权利要求5所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述的声束角度调整部包括底座，底座的上部为具有凸圆弧导轨面的U型槽轨，底座底部设置由压力传感器和电阻传感器组成的耦合监测器；所述耦合监测器的输出端与数据处理中心连接；探头固定楔块
与所述U型槽轨的侧壁滑动连接，且探头固定楔块的凹圆弧面与U型槽轨的凸圆弧导轨面配合，所述探头固定楔块上部设置有探头安装腔，用于安装残余应力检测的超声探头。10.如权利要求9所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述声束角度调整部通过玻璃底座夹具与耦合压力调整部下移动板下表面的中部固定连接。11.如权利要求1所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述的声各向异性检测单元包括横波探头，所述的横波探头置于待测焊件上远离焊缝的母材区域表面，通过多通道超声波卡激发横波探头对所述母材区域进行声各向异性检测。12.如权利要求1所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述的衰减度测试单元包括纵波平探头，所述的纵波平探头置于待测焊件的测试区域表面，通过多通道超声卡激发纵波平探头对待测焊件的测试区域进行衰减度测试。13.如权利要求1所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述的数据库模块，包括材料的晶粒度U与纵波信号衰减度M的关系数据库、零应力传播时间t0与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库、声弹性系数k与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库、第一临界角α与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库。14.如权利要求1所述的超声波残余应力检测系统，其特征在于，所述的残余应力计算模块通过纵波衰减度计算模块得到的晶粒度和取向方位角确定模块确定的取向方位角，调用第一临界角α与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库，确定第一临界角，并将所述第一临界角传给残余应力检测单元调节超声探头角度，进行残余应力检测；然后根据残余应力检测单元的检测结果，调用零应力传播时间t0与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库、声弹性系数k与晶粒度U和取向方位角θ的复合关系数据库，确定待测焊件测试区域的零应力传播时间和声弹性系数，计算测试区域的残余应力值。15.如权利要求1
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14任一所述的超声波残余应力检测系统的检测方法，其特征在于，如下：S1、通过声各向异性检测单元对待测焊件上远离焊缝的母材区域进行声各向异性检测；S2、通过衰减度测试单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建，张风东，邢艳双，盖金广，陈树青，
申请(专利权)人：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：