一种检测与调控不同深度应力的一体机及其方法 |
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| 申请号 | CN202310289672.8 | 申请日 | 2023-03-22 | 公开(公告)号 | CN116295988A | 公开(公告)日 | 2023-06-23 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 发明人 | 袁懋诞; 陈振楠; 赖钦涛; 曾咸富; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种检测与调控不同深度应 力 的一体机，包括 框架 ，可滑动安装于框架上的 超 声波 发生器，以及夹紧装置； 超声波 发生器包括 外壳 ，设于外壳上的超声波调控 探头 ，设于外壳两侧的有机玻璃楔形 块 ，套设于超声波调控探头外壁上的八阵元菲涅尔阵晶片，以及超声激励换能器和超声接受换能器；所述框架放置于待检测件的上表面上，超声激励换能器和超声接受换能器的下端与待检测件的上表面 接触 。本发明还提供一种检测和调控方法。本发明可以对金属结构进行不同深度的探测，并且具有残余 应力 检测与调控功能，在检测金属内部残余应力的同时可以很好地消除 合金 材料的部分拉应力，延长其疲劳寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种检测与调控不同深度应力的一体机，其特征在于，包括框架，可滑动安装于框架上的超声波发生器，以及用于将超声波发生器锁紧在框架上或将超声波发生器从框架上松开的夹紧装置；所述超声波发生器包括外壳，设于外壳上的超声波调控探头，设于外壳两侧的有机玻璃楔形块，套设于超声波调控探头外壁上的八阵元菲涅尔阵晶片，以及设于有机玻璃楔形块一侧的超声激励换能器和超声接受换能器；所述框架放置于待检测件的上表面上，超声激励换能器和超声接受换能器的下端与待检测件的上表面接触。 |
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| 说明书全文 | 一种检测与调控不同深度应力的一体机及其方法技术领域背景技术[0002] 金属合金结构是指两种或两种以上金属元素相互作用结合而成的稳定具有金属性能的结构，通过加入不同的金属元素，改变合金的种类、含量与合成条件，我们可以获得具有良好的物理、化学和机械性能。金属合金结构具有硬度高、耐腐蚀、抗氧化等优势，广泛应用于芯片制造、屋面装修、军用航空、舰船与工业某些特殊结构的核心部件等领域。近年来，我国铝合金、高温合金不断获得成果。但是这些金属以及金属合金结构在锻造、切削、焊接等生产与锻造过程中，由于各种机械与热作用影响，在零件内部产生残余应力。这些残余拉应力会降低结构的力学性能，同时分布不平衡的残余应力还是变形和开裂问题的关键诱因，极大地影响金属构件的疲劳强度和尺寸精度的稳定性。残余应力的存在使得金属构件存在安全隐患。 [0003] 传统的应力检测方法可以分为接触式测量与非接触式测量，包括了盲孔法、环芯法、超声法、中子法和X射线衍射法(XRD)等等，其中盲孔法与环芯法这类接触式的检测方法，在测量的时会对材料造成损伤；XRD与中子法这类非接触式的检测方法，其应力检测仪器笨重，操作耗时且伴随着辐射，容易对人体造成损害。 [0004] 超声应力检测方法与上述方法相比，一方面不会损伤材料，另外一方面也不会对人体造成损害。具有探伤速度快，效率高、灵敏度高、易耗品极少，检查成本低、操作安全，简单轻巧等特点，超声检测广泛地应用于电力、石化、钢结构、压力管道、军工、机械等诸多领域，能够精确、无损伤的对工件内部中的多种缺陷进行测量、定位、评估以及诊断。 [0005] 专利CN109163831A公开了一种超声波残余应力测量方法，其解决了测量区域热作用不同造成的声弹性常数变化和零应力传播时间存在所引入的误差的问题，但其采用红外热像仪的区域划分方法，只能检测单一装置或单一深度的应力大小；另外，专利CN110317944A‑残余应力消除装置，利用超声波在液体中传播的特性解决了超声消除残余应力时对薄壁件、小精密零部件的表面与内部结构的破坏的问题。但其应力检测与调控过程是在探测到超过安全标准的残余应力后，再移开检测装置并使用超声残余应力调控装置去消除应力。这种应力消除方式存在二次定位不准，无法实时消除残余应力的问题。另外，CN103135622A局部残余应力超声检测与闭环控制装置可以对大型金属桁架进行应力检测与调控，但其仅能调控某一确定深度的应力，一方面若如果要调控不同深度的应力，需要上下移动，但当凸透镜装置确定下焦点位置也确定，无法上下移动；另外一方面要调控金属待测件还需要装置紧贴工件，上下移动凸透镜装置的，上下移动不可行。 [0006] 因此，如何实时实现金属三维结构内部残余应力的检测与调控，解决检测后调控过程导致的二次定位不准现象以及在不改变调控装置的上下位置的基础上实现不同深度的应力调控，是亟需解决的问题。 发明内容[0007] 本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种检测与调控不同深度应力的一体机及其清理方法。本发明的检测模块是基于多频临界折射纵波的三维超声应力检测方法，通过声学仿真、传感器设计与标准应力测试等形成三维残余应力测量系统，可以对金属结构进行不同深度的探测，并且本发明具有残余应力检测与调控功能，在检测金属内部残余应力的同时可以很好地消除合金材料的部分拉应力，延长其疲劳寿命。 [0008] 本发明的目的可采用以下技术方案来达到： [0009] 一种检测与调控不同深度应力的一体机，包括框架，可滑动安装于框架上的超声波发生器，以及用于将超声波发生器锁紧在框架上或将超声波发生器从框架上松开的夹紧装置；所述超声波发生器包括外壳，设于外壳上的超声波调控探头，设于外壳两侧的有机玻璃楔形块，套设于超声波调控探头外壁上的八阵元菲涅尔阵晶片，以及设于有机玻璃楔形块一侧的超声激励换能器和超声接受换能器；所述框架放置于待检测件的上表面上，超声激励换能器和超声接受换能器的下端与待检测件的上表面接触。 [0010] 进一步地，所述有机玻璃楔块上均贴有压电晶片，楔块的倾斜角度为第一临界角，实现临界折射纵波激励。 [0011] 进一步地，所述框架上设有导槽，所述夹紧装置和超声波发生器可沿着导槽滑动。 [0012] 进一步地，所述超声激励换能器和超声接受换能器的下端与待检测件的上表面之间涂抹有耦合剂。 [0013] 进一步地，所述八阵元菲涅尔阵晶片为环形薄片形状，且八阵元菲涅尔阵晶片设为4片。 [0014] 一种检测与调控不同深度应力的一体机的方法，包括以下步骤： [0015] S1、将待检测件水平放置在检测与调控区域中，在待检测件的上表面涂抹上耦合剂，使超声激励换能器和超声接受换能器的下端与待检测件的上表面接触，并通过移动框架与夹具装置将超声波发生器定位在需要检测的位置区域中； [0016] S2、通过切换超声激励换能器和超声接受换能器的中心频率，以实时探测待检测件内部三维空间区域内不同深度的残余应力大小； [0017] S3、超声波发生器的超声波倾斜射入到有机玻璃楔块到待检测件之间的界面，在被待检测件表面的一定深度内激发出临界折射纵波，对待检测件表面的相应深度的残余应力进行检测。 [0018] 所述步骤S3的具体内容： [0019] 先通过实验测试获得待检测件的声弹性常数；在弹性极限内，待检测件中的应力可以引起超声波传播速度或传播时间的变化，即声弹性效应； [0020] 通过待检测件的声弹性系数与超声激励换能器、超声接受换能器的频率检测出待检测件表面不同深度的残余应力值； [0021] 对采集超声接受换能器接收到的超声波传输至计算机上，并对其进行数据分析。 [0022] 实施本发明，具有如下有益效果： [0023] 1、本发明通过在外壳的两侧设置有机玻璃楔形块，以及将超声激励换能器和超声接受换能器设置于有机玻璃楔形块的两侧，使得超声波以斜入射的方式通过有机玻璃楔形块到金属之间的界面时，由于这两种材料具有不同的声速，因此，会产生反射波和折射波，由于这两种材料具有不同的声速，因此，会产生反射波和折射波；当入射角达到一定大小时，待检测件中只存在折射横波和沿着近表面传播的折射纵波，即临界折射纵波，此时该超声波只沿着结构的近表面传播。本发明巧妙地采用有机玻璃楔形块和换能器的连接结构，来实现超声波只沿着结构的近表面传播，简化了结构，结构简单，减少了结构和体积。 [0024] 2、本发明的计算机通讯卡模块用于接收4个深度残余应力值的应力信息；本发明在调控方面采用八阵元菲涅尔超声换能器探头上各阵元先后激励的时间延迟，根据实际情况改变工控机中心正下方轴线的焦点位置，实现动态聚焦。巧妙地利用动态聚焦达到调控待测件不同深度的目的，很好地解决普通物理聚焦方式中通过调节装置轴向位置以调控不同深度的残余应力与缺陷，进而导致调控位置不准确的问题。同时具有检测速度快与高信噪比等优势。附图说明 [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0026] 图1是本发明检测与调控不同深度应力的一体机的结构示意图。 [0027] 图2是图1在剖开外壳后的结构示意图。 [0028] 图3为本发明检测与调控不同深度应力的一体机的八阵元菲涅尔阵晶片的结构示意图。 [0029] 图4是本发明超声波残余应力检测和调控方法的结构连接框图。 [0030] 图5是本发明超声波残余应力检测和调控方法的控制流程框图。 具体实施方式[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0032] 实施例1 [0033] 参照图1至图4，本实施例涉及检测与调控不同深度应力的一体机，包括框架1，可滑动安装于框架1上的超声波发生器2，以及用于将超声波发生器2固定在框架1上或将超声波发生器2从框架1上松开的夹紧装置3；所述超声波发生器2包括外壳21，设于外壳21上的超声波调控探头22，套设于超声波调控探头外壁上的八阵元菲涅尔阵晶片23，设于外壳21两侧的有机玻璃楔形块24，以及设于有机玻璃楔形块24一侧的超声激励换能器25和超声接受换能器26；所述框架1放置于待检测件10的上表面上，超声激励换能器25和超声接受换能器26的下端与待检测件10的上表面接触。所述外壳21的两侧设为斜面。 [0034] 本结构通过在外壳21的两侧设置有机玻璃楔形块24，以及将超声激励换能器25和超声接受换能器26设置于有机玻璃楔形块24的两侧，使得超声波以斜入射的方式通过有机玻璃楔形块24到金属之间的界面时，由于这两种材料具有不同的声速，因此，会产生反射波和折射波，由于这两种材料具有不同的声速，因此，会产生反射波和折射波；当入射角达到一定大小时，待检测件10中只存在折射横波和沿着近表面传播的折射纵波，即临界折射纵波，此时该超声波只沿着结构的近表面传播。本结构巧妙地采用有机玻璃楔形块24和换能器的连接，来实现超声波只沿着结构的近表面传播，简化了结构，结构简单，减少了结构和体积。 [0035] 所述有机玻璃楔块上均贴有压电晶片，楔块的倾斜角度为第一临界角，实现临界折射纵波激励。压电晶片为发射接收压电晶片。基于Snell定律，采用一收一发式设计，玻璃楔块的角度满足第一临界折射角。在被待检测件10表面的一定深度内激发出。超声波以斜入射的方式通过有机玻璃楔形块24到金属之间的界面时，由于这两种材料具有不同的声速，因此，会产生反射波和折射波；折射波包括折射纵波和折射横波。当入射角达到一定大小时，待检测件10中只存在折射横波和沿着近表面传播的折射纵波，即临界折射纵波。该超声波只沿着结构的近表面传播。 [0036] 所述框架1上设有导槽101，所述夹紧装置3和超声波发生器2可沿着导槽101滑动。通过移动夹紧装置3和超声波发生器2可以横向方向上对待检测件10表面的相应位置进行检测。在超声波发生器2滑动到所需位置时，通过夹紧装置3将超声波发生器2固定在框架1上。 [0037] 所述超声激励换能器25和超声接受换能器26的下端与待检测件10的上表面之间涂抹有耦合剂，耦合剂能减少高能声束进入金属内部残余应力处的损耗，同时减少振动引起的能量。所述超声接受换能器26的上端有导线接线柱261。 [0038] 本实施例还提供一种检测与调控不同深度应力的一体机的方法，如图2至图5所示，包括以下步骤： [0039] S1、将待检测件10水平放置在检测与调控区域中，在待检测件10的上表面涂抹上耦合剂，使超声激励换能器25和超声接受换能器26的下端与待检测件10的上表面接触，并通过移动框架1与夹具装置将超声波发生器2定位在需要检测的位置区域中；通过旋紧夹紧装置3上的螺栓使待测件10上表面与超声激励换能器25和超声接受换能器26的下端紧密贴合； [0040] S2、超声波发生器2的超声波倾斜射入到有机玻璃楔块到待检测件10之间的界面，在被待检测件10表面的一定深度内激发出临界折射纵波，对待检测件10表面的相应深度的残余应力进行检测； [0041] 通过实验测试获得待检测件10的声弹性常数；在弹性极限内，待检测件10中的应力可以引起超声波传播速度或传播时间的变化，即声弹性效应，在单轴应力情况下，可以得到波速与轴向应变的相对变化关系；再结合零轴向应变时的波速，可以得到对各向同性的待检测件10，应力变化与声速关系；最后在零应力零应力试件的声速或声已知的情况下，可得到应力的绝对值。 [0042] 超声激励换能器25用于放大信号并激励超声波，超声接受换能器26用于放大信号并接受超声波；两个贴有压电晶片的有机玻璃楔形块上的角度满足第一临界折射角；当纵波由有机玻璃楔块传播到待检测件10时，基于Snell定律，采用一收一发式设计，可得其渗透深度与所激励超声的频率关系，再结合待检测件的声弹性系数与超声激励换能器25、超声接受换能器26的频率即可检测出待检测件表面不同深度的残余应力值； [0043] S3、通过切换四通道超声激励换能器25和超声接受换能器26的中心频率，以实时探测待检测件10内部三维空间区域内不同深度的残余应力大小。 [0044] S4、如图4所示，超声示波器模块采集超声接受换能器接收到的最大残余应力值的应力值大小信息及位置信息传输至计算机及通讯卡上，进行数据分析；通过8路模拟开关与外接的8路功率放大器将信号放大，使超声波达到调控所需的能量，随后利用调控模块对残余应力最大值处的位置进行调控。 [0045] 利用八阵元菲涅尔环超声换能器内所有八阵元先后激励的时间延迟，使反射界面与换能器的距离等于焦距，此时辐射声场总是聚焦在反射界面上，由于其声束角度和焦点位置在一定范围内持续动态可调，故可根据待测件实际情况实现动态聚焦与动态接收，在不改变八阵元菲涅尔阵换能器晶片位置的前提下改变轴线方向上的焦点位置，在待测件残余应力最大处产生完成调控的所需能量，对该位置处完成应力调控后，返回检测模块重新检测应力值最大处的应力值大小以及位置，再进行调控，不断循环这个过程，直至残余应力值小于某个值，达到安全标准范围，此过程可达到调控待测件不同深度的残余的效果。实现待测件在轴线方向上不同深度的应力调控。 [0046] 超声波调控探头每次调控消减率≥30％，单次调控时间≤30min；优选的，调控探头2‑1上的菲涅尔晶片采用20kHz的调控频率。 |
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