一种基于相控阵超声的残余应力测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种基于相控阵超声的残余应力测量装置及其测量方法，测量装置包括探头外壳、相控阵发射探头、相控阵接收探头和吸附组件；所述相控阵发射探头、相控阵接收探头均设置在探头外壳内，相控阵发射探头和相控阵接收探头相对且间隔设置；所述吸附组件设置在探头外壳外壁底部；所述吸附组件包括弹簧和磁性固定销，探头外壳外壁底部设置有探头外壳固定孔，所述弹簧和磁性固定销设置在所述探头外壳固定孔内，且弹簧上端与探头外壳固定孔顶部连接，弹簧下端与磁性固定销连接；磁性固定销能够从所述探头外壳固定孔底部伸入吸附待检测工件表面。本发明通过磁吸力将探头稳定的耦合在待检测工件表面，为残余应力测量过程提供了稳定的耦合力。

说明书

技术领域

本发明属于超声检测领域，具体涉及一种基于相控阵超声的残余应力测量装置及其测量方法。

背景技术

工件中的残余应力往往会导致工件疲劳失效、变形等，对工件的服役性能和尺寸精度均有很大影响。同时，残余应力集中的区域，往往是工件容易萌生裂纹的部位，对残余应力分布和残余应力水平的准确测量对于监控工件的服役状况具有十分重要的意义。

目前常用的残余应力测量方法主要有表面波法、临界折射纵波法、横波法、纵波法等，其中以临界折射纵波法应用最为广泛，临界折射纵波是一种在固体表面以下传播的体纵波，由于其对应力敏感而对材料织构不敏感的特性，主要用于评估材料内部的残余应力，测量精度相对较高。但是对于工件表面的残余应力，由于表面波对结构内部的微小缺陷和微结构变化更加敏感，常采用表面波法对表面残余应力进行检测。

目前对于残余应力的测量往往只是用其中一种波形测量，不能全面的测量工件内部及表面的残余应力水平，或者是采用多次测量的方法，采用不同波形对同一区域的残余应力进行测量，工件残余应力的测量既不全面，测量效率也不高。

发明内容

为解决的技术工件残余应力不全面的问题，本发明提供一种基于相控阵超声的残余应力测量装置及其测量方法，该装置采用临界折射纵波和表面波相结合的方法，对工件内部和表面的残余应力进行测量，并可在一次测量中得出，提高了残余应力的测量效率。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于相控阵超声的残余应力测量装置，包括探头外壳、相控阵发射探头、相控阵接收探头和吸附组件；

所述相控阵发射探头、相控阵接收探头均设置在探头外壳内，相控阵发射探头和相控阵接收探头相对且间隔设置；所述吸附组件设置在探头外壳外壁底部；

所述吸附组件包括弹簧和磁性固定销，探头外壳外壁底部设置有探头外壳固定孔，所述弹簧和磁性固定销设置在所述探头外壳固定孔内，且弹簧上端与探头外壳固定孔顶部连接，弹簧下端与磁性固定销连接；磁性固定销能够从所述探头外壳固定孔底部伸入吸附待检测工件表面。

本发明进一步的改进在于，所述探头外壳为非铁磁性材质制成。

本发明进一步的改进在于，所述相控阵发射探头和相控阵接收探头均具有用于激发出表面波和临界折射纵波的大角度横波楔块。

本发明进一步的改进在于，所述相控阵发射探头和相控阵接收探头的大角度横波楔块对称设置。

本发明进一步的改进在于，相控阵发射探头和相控阵接收探头之间的间距为恒定值。

本发明进一步的改进在于，所述探头外壳固定孔为盲孔，盲孔开口端向下。

本发明进一步的改进在于，所述探头外壳固定孔内部直径与磁性固定销的外部直径相配合，用于对磁性固定销伸出进行导向。

本发明进一步的改进在于，所述探头外壳固定孔分布在探头外壳的四个角。

本发明进一步的改进在于，所述相控阵发射探头和相控阵接收探头分别通过相控阵晶片连接线连接至探头外壳外部的接口。

一种基于相控阵超声的残余应力测量装置的测量方法，包括以下步骤：

将测量装置通过磁性固定销吸附在待检测工件表面，使相控阵发射探和相控阵接收探头进行耦合；

在残余应力测量过程中，采用相控阵超声延时处理，改变相控阵发射探头的声束入射角，使折射纵波的折射角接近90°而获得临界折射纵波，临界折射纵波在工件内部传播一段距离后被相控阵接收探头接收，通过测量临界折射纵波的传播时间，并与探头标定时应力-传播时间曲线对比，获得工件内部残余应力的数值；

在获得工件内部残余应力后，再次采用相控阵超声延时功能，改变相控阵发射探头的声束入射角，使折射横波的折射角等于90°而获得表面波，表面波沿工件表面传播一段距离后被相控阵接收探头接收，通过测量表面波的传播时间，与探头标定时应力-传播时间曲线对比，获得工件表面残余应力的数值。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明相控阵发射探头、相控阵接收探头均设置在探头外壳内，利用相控阵超声探头声束入射角可变化的特点，在单次残余应力测量过程中分别激发出表面波和临界折射纵波，利用了两种波型超声波实现了对工件表面和内部残余应力的测量；采用吸附组件的磁性固定销分布在探头外壳的四个角，通过磁吸力将探头稳定的耦合在待检测工件表面，为残余应力测量过程提供了稳定的耦合力。

本发明的控制方法通过改变相控阵发射探头的声束入射角，获得临界折射纵波，通过测量临界折射纵波的传播时间，并与探头标定时应力-传播时间曲线对比，获得工件内部残余应力的数值；测试过程快速且准确，能够实现对工件内部和表面的残余应力进行测量，并可在一次测量中得出，提高了残余应力的测量效率。

附图说明

图1为本发明一种基于相控阵超声的残余应力测量装置结构示意图；

图2为本发明一种基于相控阵超声的残余应力测量装置测量过程示意图。

附图标记说明：

其中，1-探头外壳，2-相控阵发射探头，3-相控阵接收探头，4-探头外壳固定孔，5-弹簧，6-磁性固定销，7-相控阵晶片连接线，8-接口。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

参照图1，本发明提供的一种基于相控阵超声的残余应力测量装置，包括探头外壳1、相控阵发射探头2、相控阵接收探头3、探头外壳固定孔4、弹簧5、磁性固定销6、相控阵晶片连接线7和接口8。

其中，部件的连接关系为：相控阵发射探头2、相控阵接收探头3均设置在探头外壳1内，相控阵发射探头2和相控阵接收探头3相对且间隔设置；所述吸附组件设置在探头外壳1外壁底部；

所述吸附组件包括弹簧5和磁性固定销6，探头外壳1外壁底部设置有探头外壳固定孔4，所述弹簧5和磁性固定销6设置在所述探头外壳固定孔4内，且弹簧5上端与探头外壳固定孔4顶部连接，弹簧5下端与磁性固定销6连接；磁性固定销6能够从所述探头外壳固定孔4底部伸入吸附待检测工件表面。

具体的线路连接为：相控阵发射探头2和相控阵接收探头3分别通过相控阵晶片连接线7连接至探头外壳1外部的接口8，接口可以与其他显示装置连接。

其原理为：利用了两种波型超声波实现了对工件表面和内部残余应力的测量；采用磁性固定销分布在探头外壳的四个角，通过磁吸力将探头稳定的耦合在待检测工件表面，为残余应力测量过程提供了稳定的耦合力。

其中，探头外壳1优选为非铁磁性材质制成的，用于容纳相控阵发射探头2和相控阵接收探头3。探头外壳1使得相控阵发射探头2、相控阵接收探头3与外界形成隔离。

作为优选实施方案，相控阵发射探头2和相控阵接收探头3均带有大角度横波楔块，可保证相控阵发射探头2和相控阵接收探头3激发出表面波和临界折射纵波。

相控阵发射探头2和相控阵接收探头3之间的间距为恒定值。

探头外壳固定孔4设置在探头外壳1外壁，其为盲孔，盲孔顶部与弹簧5上端连接。探头外壳固定孔4内部直径与磁性固定销6的外部直径相配合，对磁性固定销6起导向作用。探头外壳固定孔4分布在探头外壳1的四个角。磁性固定销6上端面与弹簧5下部连接，弹簧5在磁性固定销6吸附在工件表面时的形变量是一致的。

参见图2，对本发明作进一步的说明：

一种基于相控阵超声的残余应力测量装置的测量方法，包括以下步骤：

将探头通过磁性固定销6吸附在待检测工件表面，使相控阵发射探头2和相控阵接收探头3稳定的耦合，由于探头外壳1四个角的弹簧5的形变量是一致的，所以探头的耦合力在每次检测过程中都是相同的，确保了耦合状况的一致性。

在残余应力测量过程中，采用相控阵超声延时功能，改变相控阵发射探头2的声束入射角，使折射纵波的折射角(θ

在获得工件内部残余应力后，再次采用相控阵超声延时功能，改变相控阵发射探头2的声束入射角，使折射横波的折射角(θ

上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。