一种熔覆层厚度影响超声波评价熔覆层应力的修正方法与流程

本发明属于超声波无损评价技术领域，具体来说涉及的是一种熔覆层厚度影响超声波评价熔覆层应力的修正方法。

背景技术：

再制造产业是发展循环经济，推动我国实现节能、减排的有效举措，因而大力发展再制造产业对我国经济发展与技术转型非常重要。熔覆技术是再制造常用技术之一，因而如何保证熔覆层质量对再制造产品质量保障就显得极为重要。相关研究表明，应力是影响熔覆层质量的关键因素之一，为此国内外学者对熔覆层应力进行了大量理论与实验研究，主要包括如下三方面：①熔覆工艺的优化；②熔覆新装备及新方法的研发；③熔覆新材料的研发。上述方法虽在一定程度上提高了熔覆层的质量，但仍集中于熔覆层应力的控制，而并未真正实现熔覆层应力的评价，因而不可避免的对熔覆层甚至其再制造产品的服役造成安全隐患。

一般而言，应力的评价方法分为有损评价与无损评价两类。有损评价方法是在(局部或完全)破坏熔覆层完整性基础上实现其应力评价的一类方法。但该类方法属于小样品抽样检测范畴，且不能实现熔覆层应力的在线评价；无损评价方法是以不破坏熔覆层完整性为前提，通过对检测信号(如电、磁、声、光等)进行分析，进而实现熔覆层应力无损评价的一类方法。鉴于安全、方便、设备价格便宜、快速及可实现在线检测等优点，超声波法在应力评价领域引起众多学者的广泛关注。

由超声波声弹性理论可知，通过测量超声波传播速度即可实现应力的无损评价。但相关研究表明，熔覆层的组织结构、厚度等均是影响超声波在其中传播速度的重要因素，因而探讨可实现影响熔覆层应力评价的因素的修正方法对超声波技术的在应力评价中的推广应用就至关重要。鉴于此，以超声波声弹性理论为依据，探讨并建立一套行之有效的对熔覆层厚度影响超声波评价熔覆层应力的修正体系不仅可为熔覆层服役安全及其可靠性评价提供技术支持，而且对减少甚至避免再制造产品的服役安全隐患也至关重要。

技术实现要素：

本发明目的是针对熔覆层应力的无损评价中存在的问题及不足，以及针对熔覆层厚度对超声波评价熔覆层应力的影响，提出了一种熔覆层厚度影响超声波评价熔覆层应力的修正方法。

超声波声弹性理论表明，超声波在介质中的传播速度与应力呈线性关系，即随拉应力增大，超声波传播速度逐渐减小，因而通过超声波传播速度的测量即可实现应力的无损评价。然而，超声波传播速度对应力变化并不敏感。一般认为，应力改变100mpa，超声波在钢中传播速度的改变量约为0.01％。因而，在常规仪器设备基础上，如何采用超声波实现应力的评价并保证应力评价结果的精度就亟待解决。针对这一问题，本发明以线弹性超声波声弹性理论为依据，采用一发两收模式的超声波探头组，以超声波信号时间延迟代替超声波传播速度作为评价应力的特征参量，进而建立熔覆层超声波声弹性系数与熔覆层厚度间的对应关系，并通过超声波技术实现熔覆层厚度的无损评价，最终实现熔覆层厚度对超声波评价熔覆层应力影响的修正。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种熔覆层厚度影响超声波评价熔覆层应力的修正方法，具体步骤如下：

步骤一，选定待熔覆的基体，确定制备熔覆层的工艺方法，优化其工艺参数，在基体表面制备不同厚度的多组熔覆层，采用机加工方法保证熔覆层表面粗糙度ra满足超声波检测要求；

步骤二，依据金属材料室温拉伸试验方法制备用于静载拉伸的参考试样和若干熔覆层试样，测定参考试样和不同厚度的若干熔覆层试样的力学性能，在试样弹性变形状态下，固定超声波参数恒定不变，采集预定载荷下熔覆层的超声波信号，并计算由应力引起的超声波信号时间延迟；

步骤三，基于超声波声弹性理论，采用线性函数，对超声波信号时间延迟与应力进行线性拟合，得到不同厚度的熔覆层试样的超声波声弹性系数，采用幂函数，对超声波声弹性系数与熔覆层厚度进行拟合，得到如下超声波声弹性系数与熔覆层厚度关系式(1)；

k＝a·h^b(1)

式中，a和b为系数，k为超声波声弹性系数，h为熔覆层厚度；

步骤四，对熔覆层试样和参考试样分别进行去应力处理，依据其超声波能量衰减程度(由熔覆层厚度变化引起的超声波能量衰减不大于50％)，选取最优的检测参数，固定超声波传播方向恒定不变，采集并提取无应力状态参考试样和熔覆层试样的超声波信号幅值，采用幂函数，对超声波信号幅值与熔覆层厚度进行拟合，得到如下超声波信号幅值与熔覆层厚度关系函数式(2)；

a＝m·hⁿ(2)

式中，m和n为系数，a为超声波信号幅值，h为熔覆层厚度；

步骤五，选取步骤四中超声波检测参数及超声波传播方向，采集待评价熔覆层试样的超声波信号，提取其幅值，代入式(2)，得到待评价熔覆层试样的厚度；

步骤六，将待评价熔覆层试样的厚度代入式(1)，得到该厚度熔覆层试样的超声波声弹性系数，其超声波声弹性公式见式(3)；

δt＝k·σ(3)

式中，δt为超声波信号时间延迟，k为超声波声弹性系数，σ为应力；

步骤七，计算无应力状态下，各不同厚度熔覆层试样与参考试样超声波信号的时间延迟，并采用幂函数函数，对结果进行拟合，得到如下超声波信号时间延迟与熔覆层厚度间关系式(4)；

δt＝x·h^y(4)

式中，x,y为系数，δt为超声波信号时间延迟，h为熔覆层厚度；

步骤八，将待评价熔覆层厚度代入式(4)得到其超声波信号时间延迟；

步骤九，采用步骤二中超声波检测参数，采集待评价熔覆层试样的超声波信号，并计算其与参考试样超声波信号的时间延迟，采用线性函数与步骤八中超声波时间延迟进行叠加，得到超声波信号时间延迟，进而实现熔覆层厚度对超声波评价熔覆层应力影响的修正，代入式(3)，最终得到待评价熔覆层的应力。

进一步优选技术方案，步骤一所述基体的材质为低碳钢钢板。

进一步优选技术方案，步骤一所述粗糙度ra为1.0。

进一步优选技术方案，步骤一所述多组熔覆层为其不同厚度数量不少于5组。

进一步优选技术方案，步骤二所述参考试样为无熔覆层的基体材料。

进一步优选技术方案，步骤二所述熔覆层试样为“基体+熔覆层”的“复合”试样。

进一步优选技术方案，步骤九所述时间延迟的叠加为线性叠加，且正负号取决于熔覆层厚度和应力对超声波传播速度的影响规律。

本发明的方法借助超声波技术实现熔覆层厚度无损评价，进而基于超声波声弹性理论，实现熔覆层应力的超声波无损评价。为实现熔覆层厚度影响超声波评价熔覆层应力的修正，本专利通过制备不同厚度的熔覆层试样，借助超声波声弹性系数标定实验，获得超声波声弹性系数与熔覆层厚度间的函数关系，并通过超声波技术实现熔覆层厚度的无损评价，进而获得任意厚度熔覆层试样的超声波声弹性系数，最终实现熔覆层厚度对超声波评价熔覆层应力影响的修正，提高了应力评价结果精度。

本发明不仅为熔覆层应力的评价提供了一种无损方法，而且为实现任意厚度熔覆层应力的无损评价提供了一种便捷、有效方法，具有快速、方便、安全及可实现在线评价等优点。

附图说明

图1为本发明中超声波声弹性系数与等离子熔覆层厚度间的关系曲线；

图2为本发明中等离子熔覆层超声波信号幅值与等离子熔覆层厚度间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例

选择低碳钢表面制备等离子熔覆层为例，对熔覆层厚度影响超声波评价熔覆层应力的修正步骤进行描述，具体过程如下：

步骤一，选择厚度为30mm的q235钢板为基体，并制备基体试样，确定等离子熔覆的主要工艺参数分别为：峰值电流220a，基值电流140a，频率60hz，占空比50％，熔覆速度0.2m/min，送丝速度3.0m/min，在基体表面制备不同厚度的五组熔覆层，经机加工后，等离子熔覆层厚度分别为0.20、0.25、0.30、0.45和0.55mm，其表面粗糙度ra为1.0；

步骤二，依据gb/t2002-228金属材料室温拉伸试验方法，制备静载拉伸用整体厚度为3.0mm的等离子“基体+熔覆层”的熔覆层试样，测量其屈服强度。结合超声波声弹性系数标定实验，其中最大加载应力为屈服强度、应力间隔为50mpa、应力保载时间为30s，待超声波信号幅度稳定后采集不同应力时等离子熔覆层的超声波信号，并采用倒频谱分析方法计算由应力引起的超声波信号时间延迟；

步骤三，基于超声波声弹性理论，采用线性函数对超声波信号时间延迟与应力进行拟合，得到熔覆层厚度分别为0.20、0.25、0.30、0.45和0.55mm时的超声波声弹性系数分别为0.178、0.160、0.135、0.118和0.10ns/mpa，采用幂函数对结果进行拟合，得到超声波声弹性系数与熔覆层厚度关系式，见式(5)和附图1；

k＝0.0732·h^-0.5487(5)

步骤四，对基体试样和等离子熔覆层试样进行真空热处理，其工艺参数分别是：最高加热温度为600℃、保温时间1h，随炉冷至100℃后取出试样。选取等离子熔覆层厚度为0.55和0.20时，其超声波信号幅值差为30％的参数，固定超声波传播方向与等离子熔覆方向平行，采集等离子熔覆层超声波信号，并提取其最高幅值，采用式(2)对结果进行拟合，得到超声波信号幅值与熔覆层厚度关系函数，见式(6)和附图2。

a＝1.6183·h^-0.3044(6)

步骤五，采集待评价等离子熔覆层超声波信号，并提取其幅值为0.885，代入式(6)，得到其等离子熔覆层厚度为0.62mm。

步骤六，将待评价等离子熔覆层厚度0.62mm代入式(5)，得到该等离子熔覆层试样超声波声弹性系数，代入式(3)，其超声波声弹性公式见式(7)。

δt＝0.0952·σ(7)

步骤七，以真空去应力退火状态基体的超声波信号为参考信号，计算各不同厚度等离子熔覆层超声波信号与其信号的时间延迟，采用式(4)得到超声波信号时间延迟与熔覆层厚度间关系式，见式(8)。

δt＝47.5176·h^0.8574(8)

步骤八，将待评价等离子熔覆层厚度0.62mm代入式(8)，得到其超声波信号时间延迟，为31.5ns。

步骤九，采集待评价等离子熔覆层超声波信号，计算其与无应力状态基体材料超声波信号间时间延迟，为50.8ns，与步骤八中超声波信号时间延迟进行线性叠加，为19.3ns，代入式(7)，得到待评价等离子熔覆层应力约为203mpa，最终实现熔覆层厚度对超声波评价熔覆层应力影响的修正。