一种超声波残余应力测试设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种可修正微观组织差异影响的超声波残余应力测试设备，属于焊接 残余应力的无损检测领域。
【背景技术】
[0002] 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、同步福射法、磁粉法、X射线衍射法和超声波检测法。其中，中子衍射法、同步福 射法设备昂贵，测试成本高，难W用于生产实践中在线检测焊接残余应力;磁粉法残余应力 测试只能用于磁性测量的测试，重复性较差;X射线对残余应力的测试只能测试几十个微米 厚度，对待测样的表面质量要求较高，受到表面的质量状态影响较大。超声波法是近几年来 发展最快的残余应力无损检测方法，具有可W测试深度方向的二维焊接残余应力、测试速 度快、无福射、设备轻便、成本较低等优点。
[0003] 超声波法测量残余应力属于间接性测量，超声波在待测样中的传播速度与待测样 中的残余应力存在着声弹性关系，即超声波的在待测样中的传播速度和待测样中的残余应 力基本呈现线性关系。依据声弹性原理，若超声波收发换能器距离固定，测得超声波在零应 力样(应力记为〇〇)中的传播时间to和超声波在待测样中的超声传播时间t，根据声时差可求 出待测样的残余应力值0，即：〇-〇o=A(t-to)，A与材料的自身性质W及收发探头距离决定， 通过单向拉伸标定。
[0004] 但是，不仅待测样中的残余应力会对影响超声波的传播速度，待测样中的微观组 织也会对超声波的传播速度产生影响。由于焊接溫度场不同，焊件上会形成焊缝区域(FZ)、 热影响区域化AZ)和母材区域(BM)，运些区域的微观组织存在较大差异。有些较大的微观组 织差异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。因此，如何在超声波残余应力测试法中将微观组织对超声波传播速度的影响和残余 应力对超声波传播速度的影响分开，是一个亟需解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种超声波残余应力测试设备。该设备可修正由于待测焊件 的焊缝区域、热影响区域W及母材区域微观组织差异对超声波残余应力测试的影响，显著 提高超声波对焊接接头残余应力的测试精度。
[0006] 本发明实现发明目的所采取的技术方案是:一种超声波残余应力测试设备，包括 超声换能器组、多通道超声卡、信号处理板卡和控制终端，所述超声换能器组包括临界折射 纵波激发探头和临界折射纵波接收探头，其结构特点是:所述超声换能器组还包括可向待 测焊件的测试区域发射超声波纵波信号并接收纵波回波信号的纵波平探头，用于对待测焊 件的测试区域进行衰减度测试；
[0007] 所述多通道超声卡包括：
[0008] 超声波信号激发模块，与所述临界折射纵波激发探头和纵波平探头连接，用于激 发临界折射纵波激发探头发射临界折射纵波，激发纵波平探头发射超声波纵波信号；
[0009] 超声波信号采集模块，与所述临界折射纵波接收探头和纵波平探头连接，用于采 集临界折射纵波接收探头接收的临界折射纵波和纵波平探头接收的纵波回波信号；
[0010] 所述信号处理板卡包括：
[0011] 纵波衰减度计算模块，用于根据纵波平探头发射的超声波纵波信号和接收的纵波 回波信号计算出测试区域的纵波衰减度值；
[0012] 数据库模块，包括材料的微观特性与纵波衰减度的关系数据库、材料的微观特性 与临界折射纵波在所述材料的零应力样中传播时间的关系数据库和材料的微观特性与声 弹性系数的关系数据库；
[0013] 残余应力计算模块，用于处理临界折射纵波激发探头发射的临界折射纵波信号和 临界折射纵波接收探头接收的临界折射纵波信号，并根据纵波衰减度计算模块得到的测试 区域纵波衰减度值和数据库模块中的关系数据库，计算测试区域的残余应力值；
[0014] 所述控制终端用于指令控制多通道超声卡和信号处理板卡中的每一个模块。
[0015] 本发明的操作方法是：
[0016] -、首先，通过控制终端依次控制多通道超声卡的超声波信号激发模块激发纵波 平探头发射超声波纵波信号，超声波信号采集模块采集纵波平探头接收的纵波回波信号。 然后，通过控制终端控制信号处理板卡的纵波衰减度计算模块计算测试区域的纵波衰减度 值，并将所述衰减度值传给残余应力计算模块。再次，通过控制终端依次控制多通道超声卡 的超声波信号激发模块激发临界折射纵波激发探头发射临界折射纵波，超声波信号采集模 块采集临界折射纵波接收探头接收的临界折射纵波，并将所述临界折射纵波激发探头发射 的临界折射纵波信号和临界折射纵波接收探头接收的临界折射纵波信号传给残余应力计 算模块。
[0017] 二、所述残余应力计算模块的工作过程是:首先，处理对测试区域进行残余应力测 试的临界折射纵波激发探头发射的临界折射纵波信号和临界折射纵波接收探头接收的临 界折射纵波信号，并根据超声波收发换能器间的距离，得到临界折射纵波在测试区域的传 播时间t。，再根据纵波衰减度计算模块得到的测试区域纵波衰减度值，调用数据库模块中 材料的微观特性与纵波衰减度的关系数据库，得到测试区域材料的微观特性;然后调用数 据库模块中材料的微观特性与临界折射纵波在所述材料的零应力样中传播时间的关系数 据库和材料的微观特性与声弹性系数的关系数据库，得到测试区域的临界折射纵波在零应 力拉伸样中传播时间心〇和测试区域的声弹性系数k。;最后，根据公式计算待测 焊件测试区域的焊接残余应力曰C。
[001引本发明的工作原理是：
[0019]待测焊件的焊缝区域、热影响区域W及母材区域的微观特性存在较大差异，而材 料的微观特性也会影响临界折射纵波在零应力样中的传播时间和声弹性系数，运样势必对 焊接接头的残余应力产生巨大误差。本发明设备通过利用材料的纵波衰减度与微观特性之 间的关系，在超声换能器组中增加纵波平探头，在进行残余应力测试之前，先通过纵波平探 头确定测试区域的纵波衰减度，从而确定测试区域的微观特性。然后根据数据库模块中材 料的微观特性与临界折射纵波在零应力样中的传播时间和声弹性系数的关系，得到测试区 域的临界折射纵波在零应力样中的传播时间和声弹性系数，从而最终计算得到的残余应力 值避免了微观组织差异的影响，更接近于真实值。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0021] 本发明设备可修正由于待测焊件的焊缝区域、热影响区域W及母材区域微观组织 差异对超声波残余应力测试的影响，可分开临界折射纵波在焊接接头残余应力测试过程中 微观组织和残余应力对超声波传播速度的影响，显著提高超声波对焊接接头残余应力的测 试精度。在测试过程中，纵波平探头直接测试测试区域的纵波衰减度，通过数据库模块中的 材料的微观特性与纵波衰减度的关系数据库，确定测试区域的微观特性，再根据材料的微 观特性与临界折射纵波在所述材料的零应力样中传播时间的关系数据库和材料的微观特 性与声弹性系数的关系数据库，确定测试区域的临界折射纵波在零应力拉伸样中传播时间 和声弹性系数;再根据临界折射纵波探头所采集的临界折射纵波传播时间，对测试区域焊 接残余应力实时在线修正计算，实现了对超声波残余应力测试结果的无损修正，便于测试 现场使用。
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