[发明专利]一种超声无损评价铝合金锻件内部残余应力水平的方法

摘要

本发明属于无损检测领域，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。

主权项

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t_i；利用引伸计记录下每一种载荷下试样宽度b的变化Δb_i，则每一载荷下横波波速v_i＝2×(c‑c×Δb_i÷b)÷t_i；以轴向应力为纵坐标，以(v_i‑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s_j，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t_j，直到探头旋转一周，计算所有时间间隔t_j的算数平均值t_j平均1，计算各时间间隔t_j与t_j平均1之差Δt_j，若某一t_j所对应Δt_j大于Δt_j平均1的2倍，则删去这一时间间隔t_j，计算其余所有数据的算数平均值t_j平均，在这一测量位置的横波声速v_j＝2s_j÷t_j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v_j取算数平均值v_j平均，各点的残余应力σ_j＝K×(v_j‑v_j平均)。