一种超声波平面楔块用于曲面工件的残余应力测量方法与流程

本发明涉及一种超声波平面楔块用于曲面工件的残余应力测量方法，属于残余应力的无损检测领域。

背景技术：

金属材料在机械制造过程中不可避免地会产生塑性应变，导致残余应力，同时在工件服役过程中，工件的内部受到老化或外部载荷的影响，残余应力将发生变化。测量工件残余应力不仅能为结构服役的安全评价提供数据支撑，而且还能在此基础上改进生产工艺和构件加工方法从而进一步延长工件的使用寿命，降低生产运营成本。

物体内的应力检测技术有很多种，根据是否破坏被检测物体，可细分为三大类：有损检测、微损伤检测和无损检测有损检测和微有损检测又称为机械检测方法，其中钻孔法应用最为普遍。无损检测则是用非破坏性的物理方法对构件应力进行检测，主要包括x射线衍射法、光弹性法、涡流法和超声波法等方法。其中x射线法，超声法在轨道交通领域应用最为普遍。

超声波测量残余应力是基于声弹性理论，当构件受到力作用时会导致超声波在材料内部的传播速度、超声频率、振幅、相位和能量等参量的变化，通过对构件内超声波这些参量的测量，根据相关模型可间接求出构件内部的应力值。

在超声波残余应力测量技术的前期研究中，大量的平面材料被用于实验，但实际的工程应用中对应力控制要求高的工件多为曲面工件，如压力容器、高铁转向架、石油管道等。而在对曲面工件进行超声波残余应力测量时，多数使用的楔块为平面楔块，导致临界折射纵波的传播路径发生改变，因此超声波法对曲面工件应力测量时有必要对测量结果进行修正。

在现有方法中，更多的是根据曲面工件的半径定制合适的楔块来保证工件与探头的耦合，但在实际测量中发现用耦合剂填补平面楔块和工件间的空隙一样可以采集到足够强度的测量波形，同时该方法不用定制不同曲率的楔块，实用性更高成本更低。

技术实现要素：

本发明的目的是通过提供一种将平面楔块用于曲面工件残余应力测量的方法。该方法能简便快捷、低成本，高精度地测量曲面工件的残余应力。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种超声波平面楔块用于曲面工件的残余应力测量方法，其步骤如下：

s1、制作与待测曲面工件相同材料的零应力平面工件，放置平面楔块和超声探头进行超声波应力测试，超声波接收探头采集零应力平面工件的测量波形x(n)，然后在零应力平面工件上施加不同的应力σ进行超声波应力测试，标定平面工件的名义声弹性系数kpla；

s2、在待测曲面工件上放置平面楔块和超声探头，涂抹足够的耦合剂充分填补平面楔块和工件间的空隙，进行超声波应力测试，超声波接收探头采集曲面工件的测量波形y(n)；判断测量波形y(n)中是否接收到临界折射纵波，若没有接收到临界折射纵波，则调整超声激发接收器相关参数，重新测量保证超声波接收探头接收到临界折射纵波；若接收到临界折射纵波，则进行下一步；

s3、对x(n)、y(n)进行降噪处理，并计算两者的波形时延δtdet，并计算待测曲面工件的残余应力σcur：

其中，lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离；

lwor,cur为采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在曲面工件中的实际传播距离；

δtgeo为在采用平面楔块对平面工件和曲面工件进行超声波应力测试时，由于平面工件和曲面工件几何结构不同，超声波在楔块和耦合层中传播时间不同造成的声时差。

进一步，本发明所述步骤s1中在零应力平面工件上施加不同的应力σ进行超声波应力测试，标定平面工件的名义声弹性系数kpla的具体方法是：根据采集零应力平面工件的测量波形x(n)，得到超声波在零应力状态下工件的传播时间tzero，然后在零应力平面工件上施加不同的应力σ进行超声波应力测试，测量超声波在不同应力状态下工件的传播时间，计算超声波在σ应力状态和零应力状态下工件的传播时间差δt，通过拟合所述应力σ与传播时间差δt的关系，计算出所述平面工件的名义声弹性系数kpla。

进一步，本发明所述采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离lwor,pla是通过游标卡尺或千分尺测量得到的。

进一步，本发明所述采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在曲面工件中的实际传播距离lwor,cur是通过以下公式获得：lwor,cur＝2rcosβ，

其中，β为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角；r为曲面工件的半径。

进一步，本发明所述在采用平面楔块对平面工件和曲面工件进行超声波应力测试时，由于平面工件和曲面工件几何结构不同，超声波在楔块和耦合层中传播时间不同造成的声时差δtgeo具体是指采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo，pla与采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo,cur之差，δtgeo＝tgeo,cur-tgeo，pla。

更进一步，本发明所述采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo，pla通过以下公式获得：tgeo，pla＝2h/(vwedgecosilcr)；

其中，h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离；

ilcr为平面工件材料的第一临界折射角；

vwedge为超声波在楔块中的传播速度。

更进一步，本发明所述采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo,cur通过以下公式获得：

其中，h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离；

vwedge为超声波在楔块中的传播速度；

β为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角；

icou为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角；

γcou为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的折射角；

r为曲面工件的半径；

vcou为超声波在耦合剂中的传播速度。

进一步，本发明中超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角icou和折射角γcou，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角β通过以下公式获得：

其中，vcou为超声波在耦合剂中的传播速度；

vwedge为超声波在楔块中的传播速度；

vwor为临界折射纵波在曲面工件中的传播速度，vwor与临界折射纵波在零应力平面工件中的传播速度vwor，zero相差很小，在计算时取vwor＝vwor，zero；

lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离；

ilcr为平面工件材料的第一临界折射角；

r为曲面工件的半径；

h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离。

所述超声波在楔块中的传播速度vwedge、超声波在耦合剂中的传播速度vcou均可以通过声速测量仪测得。

更进一步，本发明所述临界折射纵波在零应力平面工件中的传播速度vwor，zero是通过以下公式计算得到：

vwor，zero＝lwor,pla/[tzero-2h/(vwedgecosilcr)]

其中，lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离；

tzero为超声波在零应力状态下工件的传播时间；

vwedge为超声波在楔块中的传播速度；

ilcr为平面工件材料的第一临界折射角；

h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离。

附图说明

图1为本发明超声波平面楔块用于曲面工件的残余应力测量方法的流程示意图。

图2为本发明对零应力平面工件进行超声波应力测试的超声波传播路径示意图。

图3为本发明对曲面工件进行超声波应力测试的超声波传播路径示意图。

图4为本发明对曲面工件进行超声波应力测试的超声波传播路径放大示意图。

图5为本发明对平面工件和曲面工件超声波应力测试时，超声波在楔块内的传播路径示意图。

图6为本发明实施例对c型环顶部进行超声波应力测试的示意图。

图7为本发明实施例标定平面工件的名义声弹性系数kpla时应力σ与传播时间差δt的拟合关系图。

图8为本发明实施例不同旋入深度下c型环顶部上表面模拟应力与本方法测量应力的对比图。

具体实施方式

图1为本发明超声波平面楔块用于曲面工件的残余应力测量方法的流程示意图，下面按步骤具体描述：一种超声波平面楔块用于曲面工件的残余应力测量方法，其步骤如下：

s1、制作与待测曲面工件相同材料的零应力平面工件，放置平面楔块和超声探头进行超声波应力测试，超声波接收探头采集零应力平面工件的测量波形x(n)，图2为对零应力平面工件进行超声波应力测试的超声波传播路径示意图；然后在零应力平面工件上施加不同的应力σ进行超声波应力测试，标定平面工件的名义声弹性系数kpla，具体方法是：根据采集零应力平面工件的测量波形x(n)，得到超声波在零应力状态下工件的传播时间tzero，然后在零应力平面工件上施加不同的应力σ进行超声波应力测试，测量超声波在不同应力状态下工件的传播时间，计算超声波在σ应力状态和零应力状态下工件的传播时间差δt，通过拟合所述应力σ与传播时间差δt的关系，计算出所述平面工件的名义声弹性系数kpla；

s2、在待测曲面工件上放置平面楔块和超声探头，涂抹足够的耦合剂充分填补平面楔块和工件间的空隙，进行超声波应力测试，超声波接收探头采集曲面工件的测量波形y(n)，判断测量波形y(n)中是否接收到临界折射纵波，若没有接收到临界折射纵波，则调整超声激发接收器相关参数，重新测量保证超声波接收探头接收到临界折射纵波；若接收到临界折射纵波，则进行下一步；图3为对曲面工件进行超声波应力测试，测量波形y(n)中接收到临界折射纵波的超声波传播路径示意图；

s3、对x(n)、y(n)进行降噪处理，并计算两者的波形时延δtdet，并计算待测曲面工件的残余应力σcur：

其中，lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离；如图2所示，lwor,pla＝c1d1，lwor,pla可通过游标卡尺或千分尺测量得到的；

δtgeo为在采用平面楔块对平面工件和曲面工件进行超声波应力测试时，由于平面工件和曲面工件几何结构不同，超声波在楔块和耦合层中传播时间不同造成的声时差，δtgeo具体是指采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo，pla与采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo,cur之差，δtgeo＝tgeo,cur-tgeo，pla；

如图2所示，所述采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，耦合层很薄，超声波在耦合层中的传播时间可忽略不计，则超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo，pla即为超声波在平面楔块中的传播时间，tgeo，pla＝ac1+d1b＝2h/(vwedgecosilcr)，其中，h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离；ilcr为平面工件材料的第一临界折射角；vwedge为超声波在楔块中的传播速度，可通过声速测量仪测得。

对于图3所示曲面工件测量时，超声波由激发探头激发后在c2点入射到耦合层中并发生折射；在耦合层中声波继续传播至e2点，由于工件曲率的影响，导致在e2点声波的入射角小于第一临界折射角ilcr，由于超声探头本身存在一定的扩散角，所以在楔块倾斜角合适的情况下工件上一定存在一e2点使得该点声波的入射角等于第一临界入射角。从而在工件内产生临界折射波，其传播方向为e2点的切线方向。又由于临界折射纵波在传播过程中会发生扩散，所以在e2点产生的临界折射波并不完全沿工件的外表面传导，而是在工件内部与e2点切线成一定角度的范围内传播，最先被接收探头检测到的临界折射波是沿弦线e2f2传播，并且在f2点入射到耦合层再入射到楔块，最终被接收探头接收。图3所示的超声波传播路径超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下的传播路径，图4为对曲面工件进行超声波应力测试的超声波传播路径放大示意图。图3和图4所示，超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角为icou，超声波从平面楔块入射到耦合层时的折射角为γcou，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角为β。

如图4所示，临界折射纵波在曲面工件中的实际传播距离lwor,cur是通过以下公式获得：lwor,cur＝e2f2＝2rcosβ，

如图3和图4所示，所述采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo,cur通过以下公式获得：

其中，其中lwedge为采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波波在楔块中的传播距离，lcou为采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波在耦合层中的传播距离，h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离；vwedge为超声波在楔块中的传播速度，vcou为超声波在耦合剂中的传播速度，β为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角；icou为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角；γcou为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的折射角；r为曲面工件的半径；δh为计算中间几何量，如图4所示。

上述超声波在楔块中的传播速度vwedge、超声波在耦合剂中的传播速度vcou可通过声速测量仪测得。

可选的，超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角icou和折射角γcou，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角β通过以下公式获得：

其中，vcou为超声波在耦合剂中的传播速度；

vwor为临界折射纵波在曲面工件中的传播速度，vwor与临界折射纵波在零应力平面工件中的传播速度vwor，zero相差很小，在计算时取vwor＝vwor，zero；

lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离；

ilcr为平面工件材料的第一临界折射角；

r为曲面工件的半径；

vwedge为超声波在楔块中的传播速度。

下面结合图3、图4和图5给出上述公式的推理过程：

超声波在e2点处刚好能激发临界折射纵波，则有：

式中，icur表示超声波从耦合层入射到工件时的入射角，

vcou为超声波在耦合剂中的传播速度；

vwor为临界折射纵波在曲面工件中的传播速度。

在δc2e2m和δoe2h中由几何知识可得，有：

其中|c2n|表示图4中线段c2n的长度，图5为对平面工件和曲面工件超声波应力测试时，超声波在楔块内的传播路径，其中，ac1为对平面工件超声波应力测试时，超声波在楔块内的传播路径；ac2为对曲面工件超声波应力测试时，超声波在楔块内的传播路径。在图5中δac1c2中由几何关系可得到|c1c2|＝h·(tanilcr-tanicou)，而结合图4可得到故有

联立(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)可得到β满足以下方程：

再根据snell定律，又可得到：

通过联立式(1-1)、(1-2)、(1-5)和(1-6)可得到如下方程组：

在上述方程组中，

vcou为超声波在耦合剂中的传播速度，可通过声速测量仪测得；

vwedge为超声波在楔块中的传播速度，可通过声速测量仪测得；

ilcr为平面工件材料的第一临界折射角，可通过查表获得，比如下表

表1不同材料的第一临界入射角

lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离，可通过游标卡尺或千分尺测量得到的；

r为曲面工件的半径，可通过测量得到。

除上述参数外，还有四个未知量，由于临界折射纵波在曲面工件中的传播速度vwor未知，导致该方程不可解，但由于应力对超声波传播速度影响很小，vwor与临界折射纵波在零应力平面工件中的传播速度vwor，zero相差很小vwor≈vwor,zero，在计算时取：vwor＝vwor,zero；

所述临界折射纵波在零应力平面工件中的传播速度vwor，zero可通过声速测量仪测得；但通过是通过声速测量仪测传播速度，需要将工件加工成特定形状，所以优选的，vwor，zero以下公式计算得到：

vwor，zero＝lwor,pla/[tzero-2h/(vwedgecosilcr)]

其中，lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离，可通过游标卡尺或千分尺测量得到的；

tzero为超声波在零应力状态下工件的传播时间，根据步骤s1采集的零应力平面工件的测量波形x(n)获得；

vwedge为超声波在楔块中的传播速度，可通过声速测量仪测得；

ilcr为平面工件材料的第一临界折射角，可通过查表获得；

h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离，可通过测量得到。

这样，方程组(1-7)中只剩下三个未知量，通过求解方程组(1-7)，可得到超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角icou和折射角γcou以及超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角β。

下面结合具体实施例对发明方法做进一步说明。

实施例

如图6所示，被测工件为由q345材质制作的外径为200mm、内径190mm的c型环，通过沿半径方向拧紧螺帽，从而在c型环顶部上表面产生不同的应力，通过有限元模拟得到其顶部上表面的应力大小；并使用本发明方法对该应力进行超声应力测试，

具体实施步骤：

s1、制作与待测曲面工件相同材料的零应力平面工件，放置平面楔块和超声探头进行超声波应力测试，超声波接收探头采集零应力平面工件的测量波形x(n)，根据采集零应力平面工件的测量波形x(n)，得到超声波在零应力状态下工件的传播时间tzero，然后在零应力平面工件上施加不同的应力σ进行超声波应力测试，测量超声波在不同应力状态下工件的传播时间，计算超声波在σ应力状态和零应力状态下工件的传播时间差δt，通过拟合所述应力σ与传播时间差δt的关系，如图7所示，计算出所述平面工件的名义声弹性系数kpla＝9.769mpa/ns；

s2、在待测曲面工件上放置平面楔块和超声探头，涂抹足够的耦合剂充分填补平面楔块和工件间的空隙，进行超声波应力测试，超声波接收探头采集曲面工件的测量波形y(n)，判断测量波形y(n)中是否接收到临界折射纵波，若没有接收到临界折射纵波，则调整超声激发接收器相关参数，重新测量保证超声波接收探头接收到临界折射纵波；若接收到临界折射纵波，则进行下一步；

s3、对x(n)、y(n)进行降噪处理，并计算两者的波形时延δtdet，并计算待测曲面工件的残余应力σcur：

其中，lwor,pla为采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，临界折射纵波在平面工件中的实际传播距离；本例中lwor,pla通过千分尺测量得到的，lwor,pla＝50.000mm

δtgeo为在采用平面楔块对平面工件和曲面工件进行超声波应力测试时，由于平面工件和曲面工件几何结构不同，超声波在楔块和耦合层中传播时间不同造成的声时差，δtgeo具体是指采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo，pla与采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo,cur之差，δtgeo＝tgeo,cur-tgeo，pla；

采用平面楔块对平面工件进行超声波应力测试时，耦合层很薄，超声波在耦合层中的传播时间可忽略不计，则超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo，pla即为超声波在平面楔块中的传播时间，tgeo，pla＝2h/(vwedgecosilcr)，其中，h为超声探头的压电晶片中心距平面楔块底面的垂直距离，本例中经测量h＝2mm；ilcr为平面工件材料的第一临界折射角；vwedge为超声波在楔块中的传播速度，本例中经声速测量仪测得vwedge＝2651.2m/s。

采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时临界折射纵波在曲面工件中的实际传播距离lwor,cur是通过以下公式获得：lwor,cur＝2rcosβ，

其中，β为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角；r为曲面工件的半径；

采用平面楔块对曲面工件进行超声波应力测试时，超声波在平面楔块和耦合层中的传播时间tgeo,cur通过以下公式获得：

其中，icou为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角；γcou为超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的折射角；vcou为超声波在耦合剂中的传播速度，本例中经声速测量仪测得vcou＝1752.5m/s

上述公式中的未知量：超声波接收探头能接收到临界折射波的情况下，超声波从平面楔块入射到耦合层时的入射角icou和折射角γcou，超声波从耦合层入射到曲面工件的折射角β通过以下公式获得：

其中，vwor为临界折射纵波在曲面工件中的传播速度，vwor与临界折射纵波在零应力平面工件中的传播速度vwor，zero相差很小，在计算时取vwor＝vwor，zero；

本例中临界折射纵波在零应力平面工件中的传播速度vwor，zero是通过以下公式计算得到：

vwor，zero＝lwor,pla/[tzero-2h/(vwedgecosilcr)]。

通过改变螺帽拧入深度，在c型环顶部上表面产生不同的应力，通过有限元模拟得到其顶部上表面的应力大小；并使用本发明方法对该应力进行超声应力测试，得到模拟应力与本方法测量应力对比图，如图8所示。

从图8可以看出，在旋入深度小于15mm时(可忽略c形环在压缩过程中，测量部分的曲率发生的变化)，本发明方法所测得的应力与模拟值基本吻合，测量精度高。旋入深度为大于15mm时测量值与模拟值相差较大是因为c形环在压缩过程中，测量部分的曲率也会随之发生变化造成的。