超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置，属于残余应力 测试领域。
【背景技术】
[0002] 我国工业处于高速发展的时期，大型结构、石油管道、高速列车、航天航空、核电设 备等都要大量使用焊接，残余应力是焊接接头破坏的主要原因，对残余应力的准确检测，是 解决残余应力问题的前提。残余应力的检测方法主要分为有损检测和无损检测两种方式。 虽然有损法检测残余应力的方法精度较高，但会对设备本身产生不可逆的破坏。因此，近几 年来，无损检测残余应力受到越来越多的关注。
[0003] 无损检测残余应力的方法主要有中子衍射法、磁粉法、X射线衍射法和超声波检测 法。其中，超声波检测方法是利用材料的声弹效应（即施加在材料上的内应力变化引起超 声波传播速度的变化），通过准确测定超声波在构件内传播速度的变化得出构件的应力分 布。与其它无损检测方法相比，超声波检测法具有成本低、精度较高、测量的深度较大等优 点。尤其是，超声波检测法可以在设备服役的状态下对残余应力的分布进行检测，对评估疲 劳寿命有重大意义。
[0004] 因超声波在材料中传播速度受超声波的波型、探头和材料之间的耦合状态（主要 耦合剂量和耦合压力）、材料组织等影响较大，所以在对构件残余应力进行超声波检测之 前，需要先做标定试验。在进行检测时，需保证超声波探头与待测构件之间的耦合状态与标 定所用的耦合状态相同。目前，多是直接通过手扶或简单固定方式地将超声波探头固定在 待测构件表面，进行超声波检测；无法精确控制探头与待测构件之间的耦合状态，也即无法 保证探头与待测构件之间的耦合状态与标定时所用的一致；从而导致较大的测量误差，影 响超声波检测法的精度。因此，亟需一种测试时可以保证超声波探头与待测构件表面的耦 合状态稳定，且与标定时保持高度一致的固定超声波探头的装置，以减少由于耦合状态不 同导致的测量误差，提高超声波检测法的测量精度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种超声波应力测量系统中超声探头的固定走行装置。该装 置可准确地将超声探头定位至需要测量的位置，保证超声探头与待测构件之间的耦合剂量 和耦合压力和标定时所用的耦合剂量和耦合压力保持一致，大大提高了超声波检测法的测 量精度。且该装置操作简单，成本低廉，有利于工业上的大量应用。
[0006] 本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种超声波应力测量系统中超声探 头的固定走行装置，包括：
[0007] 截面呈"门"字形的轨道架，轨道架沿长度方向的相对两侧面上均设有水平的通 槽，且两个水平的通槽位于同一水平面；通槽的上方沿水平方向设有一排锥形螺栓孔，与所 述锥形螺栓孔配合的锥形螺栓的最大直径大于锥形螺栓孔的最大直径；构成锥形螺栓孔的 材料、锥形螺栓孔与通槽之间以及通槽下方均为弹性材料；
[0008] 固定于轨道架沿长度方向的两端的固定吸盘；
[0009] 位于轨道架内的探头固定楔块，探头固定楔块上设有穿过轨道架的两个水平的通 槽、可在水平通槽中滑动的滑行手柄；
[0010] 固定于探头固定楔块的左上部、与竖直方向呈预定角度的探头固定腔一；
[0011] 固定于探头固定楔块的右上部、相对于竖直方向与探头固定腔一对称的探头固定 腔二；
[0012] 由监控指示灯和固定于探头固定楔块的底部的压力传感器、电阻传感器组成的耦 合监测器；所述压力传感器和电阻传感器的输出端与监控指示灯电连接。
[0013] 本发明的工作原理及使用方法是：
[0014] 在待测构件的待测试区域处均匀涂抹上耦合剂。将超声发射探头和超声接收探头 分别安装于探头固定腔一和探头固定腔二中。然后，将探头固定楔块置于轨道架内，使探头 固定楔块的两个滑行手柄分别穿过两个水平通槽。
[0015] 通过固定于轨道架两端的固定吸盘，将轨道架、位于其中的探头固定楔块、安装 于探头固定腔一和探头固定腔二的超声发射探头和超声接收探头固定于待测构件的表面 (沿焊缝长度固定）。
[0016] 手动调整滑行手柄，使其在轨道架的水平通槽中滑动，将探头固定楔块滑行至需 要测试残余应力的区域，使超声发射探头和超声接收探头精确对准测试区域。由于构成锥 形螺栓孔的材料、锥形螺栓孔与通槽之间为弹性材料，将锥形螺栓逐渐拧入水平通槽上方 的锥形螺栓孔，即可使水平通槽的上表面压紧通槽中的滑行手柄，从而固定探头固定楔块。
[0017] 固定于探头固定楔块下方的压力传感器可测量探头固定楔块与测试表面的压力， 电阻传感器测量探头固定楔块与测试表面之间的耦合剂的剂量。当压力传感器和电阻传感 器测得的耦合压力和耦合剂剂量与标定时的耦合压力和耦合剂剂量均相同时，则监控指示 灯变绿，可开始测量；否则，监控指示灯为红色。由于构成锥形螺栓孔的材料、锥形螺栓孔与 通槽之间以及通槽下方均为弹性材料，通过调整轨道架的通槽上方锥形螺栓拧入锥形螺栓 孔的深浅，即可调节滑行手柄在垂直方向的位置，也即探头固定楔块在垂直方向的位置从 而调节了探头固定楔块与待测构件表面的耦合状态。当调节至监控指示灯变为绿色，即可 开始残余应力的测试。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] 一、通过手动调整探头固定楔块的滑行手柄在轨道架的水平通槽中的位置，即可 调整探头固定楔块在待测材料表面的位置；通过水平通槽上方的锥形螺栓拧入锥形螺栓孔 的深度，即可将固定探头固定楔块固定在需要测试残余应力的区域，实现测试点位置的精 确定位。
[0020] 二、耦合监测器的压力传感器和电阻传感器可监测探头固定楔块与测试表面的压 力和耦合剂剂量，并通过监控指示灯的显示，可迅速判断耦合状态；通过调节锥形螺栓拧 入锥形螺栓孔的深度调节耦合剂的剂量和压力，保证进行残余应力测试时超声探头与测试 表面的耦合状态与标定时所用的耦合状态相同，降低耦合状态对超声波系统应力测量的影 响，大大提高了超声波检测法的测量精度。
[0021] 三、通过吸盘的固定、探头固定楔块的滑行手柄和轨道架上的水平通槽配合，水平 通槽上方的锥形螺栓与锥形螺栓孔的配合，即可实现超声探头的固定；通过轨道架上锥形 螺栓与锥形螺栓孔的配合，即可实现对耦合状态的精确调整，操作过程简单，装置成本低 廉，有利于工业上的大量应用。
[0022] 进一步，本发明所述的构成走形轨道的两个通槽边缘设置有刻度。
[0023] 采用带有刻度轨道式走行装置可以保证定位到每次所需要测量的位置，实现高精 度定位测试。
[0024] 进一步，本发明所述的探头固定楔块的材料为有机玻璃、石英玻璃或聚苯乙烯。
[0025] 这几种材料易于加工，作为探头固定楔块，可保证超声波在传播过程中衰减较小， 传播方向不受影响。
[0026] 进一步，本发明所述的探头固定腔一固定于探头固定楔块的左上部的具体方式 是：所述探头固定腔一全部或部分内嵌固定于探头固定楔块的左上区域。
[0027] 又进一步，本发明所述的探头固定腔二固定于探头固定楔块的右上部的具体方式 是：所述探头固定腔二全部或部分内嵌固定于探头固定楔块的右上区域。
[0028] 这样的固定方式简单牢固，保证探头固定腔的稳定角度，从而保证在测试时超声 探头的稳定角度，保证了测量的精确性。
[0029] 进一步，本发明所述的探头固定腔一与竖直方向呈25-35°的预定角度。
[0030] 探头固定腔与竖直方向的角度决定了超声探头与材料表面的角度；当超声探头与 材料表面的角度为第一临界角（材料性能和超声波频率决定）时，发射的超声波到达测试 材料的表面时折射出的纵波能够平行于材料表面传播，进而利用平行材料表面的纵波对材 料进行残余应力的测试。根据实验推算，25-35°的预定角度可适应需要进行焊接后的残余 应力测试的大部分材料。
[0031] 进一步，本发明所述的探头固定腔一和探头固定腔二的具体结构是：探头固定腔 一和探头固定腔