一種超聲波無損測量金屬板材內部殘余應力場的方法
【專利摘要】本發明屬于無損檢測領域，涉及一種超聲波無損測量金屬板材內部殘余應力場的方法。本發明提出一種超聲波無損測量金屬薄板內部殘余應力場的方法，有利于對金屬薄板內部殘余應力進行無損評價。該方法的單次測量時間約20秒，僅為傳統X射線測量殘余應力方法單次測量時間的幾十分之一，檢測速度快，同時，該方法的測量深度可以調節，最大深度能達到3mm，是X射線法測量深度的幾十倍，因此測量深度大，第三，該方法提供了一種測量板材內部大范圍殘余應力分布的方法，能夠獲得殘余應力分布的三維圖或等高線圖，第四，該方法單次測量的成本僅為X射線法的幾十分之一，具有明顯的經濟性，第五，該方法無放射性，與X射線法相比使用更加安全。
【專利說明】一種超聲波無損測量金屬板材內部殘余應力場的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無損檢測領域，涉及一種超聲波無損測量金屬板材內部殘余應力場的 方法。
【背景技術】
[0002] 金屬薄板在軋制或熱處理過程中經常產生起皺、翹曲等變形，為了消除這些變形， 獲得平整的板型，需要經過矯平工序。在這一工序中，由于板材不同位置的變形量不同，將 使其不同部位產生大小不一的殘余應力。殘余應力的存在將對板材的力學性特別是疲勞性 能產生影響，使板材的疲勞裂紋擴展速率增加，影響產品合格率。同時，如果在板材的局部 區域存在過高的殘余拉應力，將對板材的使用安全性構成威脅。因此，迫切需要一種能夠無 損評價板材內部殘余應力的方法。
[0003] 傳統的無損評價殘余應力方法主要是X射線法和巴克豪森噪聲法，但它們的穿透 深度較淺，前者只能測量材料表面幾十最多上百微米范圍內的殘余應力，后者的測量深度 也不超過〇.3_。而對板材力學性能造成影響的主要是其內部較深部位的殘余應力。另一 方面，上述兩種傳統方法的測量效率較低，很難通過對不同位置的測量反映出板材中的殘 余應力場。
【發明內容】
[0004] 本發明正是針對上述現有技術中存在的問題而設計提供了一種超聲波無損測量 金屬板材內部殘余應力場的方法，
[0005] 本發明的技術解決方案是：
[0006] (1)選擇探頭
[0007] 根據待測金屬板的材質和厚度選擇探頭，探頭選擇時需要遵循以下原則：第一，探 頭發出的在待測材料中傳播的超聲縱波波長處于板材厚度的10%到20%之間；第二，如使 用圓形晶片探頭，其晶片直徑小于待測板材厚度的1.8倍，如使用方形晶片探頭，晶片的最 大邊長小于板材厚度的2倍；
[0008] (2)楔塊加工
[0009] 2. 1測量楔塊材料中的縱波聲速
[0010] 將探頭使用同軸電纜連接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，脈沖信號發生器 的輸出接口和同步接口分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連 接，在楔塊材料上加工出兩個相對平行的平面，在其中一個平面上任選一點A，測量該點到 相對平面的垂直距離，將超聲探頭利用耦合劑耦合在A點上，通過示波器測量出超聲波 在相對平面上返回的一次底波和二次底波之間的時間間隔?#^楔塊材料中的縱波聲速(? 塊=2S楔塊/t楔塊；
[0011] 2. 2測量待測金屬板材中的縱波聲速
[0012] 仍采用2. 1中的方法連接探頭、脈沖信號發生器和多通道數字示波器，測量待測 金屬板材某一位置的厚度SW4，將超聲探頭利用耦合劑耦合該位置上，通過示波器測量出 此時超聲波的一次底波和二次底波之間的時間間隔t ，待測金屬材料中的縱波聲速CW4 =2S材料/t材料；
[0013] 2. 3楔塊加工
[0014] 楔塊的截面為等腰梯形，楔塊的底面為矩形，楔塊的厚度小于梯形底邊的長度，梯 形底角角度為α 在兩相對的斜面上鉆螺紋孔，螺紋孔的直徑與探頭 的外徑相匹配，螺紋孔的中心線與其所在斜面垂直，兩個螺紋孔的中心線延長線分別與梯 形底邊相交的兩個交點間的距離L = 15-100mm,
[0015] (3)測量標定
[0016] 3.1連接設備
[0017] 將兩個探頭分別安裝在楔塊的兩個螺紋孔上；脈沖信號發生器的輸出接口和同步 接口分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連接；通過同軸電纜將 任意一個探頭接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，將另一探頭接到多通道示波器的另 一個接收接口；
[0018] 3. 2確定測量參數
[0019] 在待測板材上分別沿軋制方向和寬展方向取下一個長200-300mm，寬10-30mm，厚 度為板材厚度的拉伸試樣，將楔塊利用耦合劑耦合在拉伸試樣任意軋制表面的中心，楔塊 底面的長度方向與拉伸試樣的長度方向平行，打開脈沖信號發生器和多通道數字示波器， 測量超聲波發射信號與接收信號的時間間隔^，再將楔塊耦合在拉伸試樣另一軋制表面 的中心，測量超聲波發射信號與接收信號的時間間隔t 2，將h和t2的算數平均值稱為零 應力時間t(l，對拉伸試樣施加軸向拉伸應力，直到軸向拉伸應力達到拉伸試樣屈服強度的 70% -80%，在加載過程中，載荷每增加10-100MPa，記錄一次發射脈沖與接收脈沖的時間 間隔，以載荷為縱坐標，以超聲波發射信號與接收信號的時間間隔為橫坐標，在直角坐標系 上繪制載荷與時間間隔關系曲線，將曲線進行線性擬合，擬合后直線的斜率稱為聲彈性系 數K ;
[0020] (4)殘余應力場測量
[0021] 4. 1測量各點的聲傳播時間
[0022] 將楔塊耦合在待測金屬板材表面，楔塊底面的長度方向與待測金屬板材的軋制方 向平行，移動楔塊對待測金屬板材進行掃查，在每行掃查過程中，楔塊每前進20?150mm讀 取并記錄一次超聲波發射信號與接收信號的時間間隔，每行之間的距離為10?200mm，直 到整個待測金屬板材掃描完畢，將楔塊底面的長度方向與待測金屬板材的寬展方向平行， 采用上述掃查方式再進行一次掃查，完成上述兩次掃查后，再對金屬板材的另一個軋制面 進行同樣的兩次掃查；
[0023] 4. 2計算各點的殘余應力
[0024] 待測金屬板材各測量區域的殘余應力用以下公式計算：
[0025] σ j = K(ti-t0)
[0026] 式中：〇 i代表各區域的殘余應力，K代表聲彈性系數，&代表每一區域測得的超聲 波發射信號與接收信號之間的時間間隔，h代表零應力時間，
[0027] 4. 3繪制殘余應力場圖
[0028] 以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬板材軋制面的兩個鄰邊的距離分別為 直角坐標系的橫坐標和縱坐標，以每次測量時的殘余應力值為堅坐標，繪制殘余應力三維 分布圖；或者以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬板材軋制面的兩個鄰邊的距離分別 為直角坐標系的橫坐標和縱坐標，連接測得的殘余應力值相同的點，繪制殘余應力等高線 圖。
[0029] 本發明的工作原理是：
[0030] 超聲波在材料中的傳播速度會在一定程度上受到材料中應力的影響，這一現象被 稱為超聲波的"聲彈性效應"。另一方面，超聲波通過速度不同的兩種介質的界面時會發生 反射和折射，其中以第一臨界角入射的超聲縱波在折射介質中會產生臨界折射縱波。這一 波形對材料的組織結構不敏感，但對材料中的應力最為敏感，本發明就是利用了這一波形 傳播速度的變化反應金屬薄板中不同位置之間的殘余應力差異，進而以掃查的方式描述薄 板中的殘余應力場。
[0031] 傳統的殘余應力測量方法主要存在測量深度淺、測量效率低兩個方面的問題。 一方面，X射線殘余應力測量方法或巴克豪森噪聲殘余應力測量方法的測量深度不超過 0. 3_，難以反映出對板材力學性能造成影響的殘余應力。另一方面，傳統方法的測量效率 較低，X射線法測量0. 3_2范圍內的殘余應力需要3-5分鐘，而金屬薄板產品的尺寸通常達 到幾平方米，利用現有方法難以對整塊產品各個部位的殘余應力場進行測量。
[0032] 針對第一個問題，采用超聲臨界折射縱波可以測量其傳播路徑上殘余應力的平 均大小，并且該波形的傳播深度與其波長有關，通過調整探頭頻率，可以獲得傳播深度在 0. 25-8_的臨界折射縱波，調整測量深度。從而實現了對較深部位殘余應力的測量。
[0033] 針對第二個問題，超聲應力測量的效率較高，其一次測量的面積約200mm2,單次手 工測量用時約15秒，如果采用自動設備代替手工測量，單次測量時間將可能小于1秒。與 傳統方法相比效率有了大幅度的提高，從而為大面積金屬薄板各部位殘余應力的測量提供 了可能，進而描述其殘余應力場。
[0034] 本發明的優點是：
[0035] 本發明提出一種超聲波無損測量金屬薄板內部殘余應力場的方法，有利于對金屬 薄板內部殘余應力進行無損評價。該方法的單次測量時間約20秒，僅為傳統X射線測量殘 余應力方法單次測量時間的幾十分之一，檢測速度快，同時，該方法的測量深度可以調節， 最大深度能達到3mm，是X射線法測量深度的幾十倍，因此測量深度大，第三，該方法提供了 一種測量板材內部大范圍殘余應力分布的方法，能夠獲得殘余應力分布的三維圖或等高線 圖，第四，該方法單次測量的成本僅為X射線法的幾十分之一，具有明顯的經濟性，第五，該 方法無放射性，與X射線法相比使用更加安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036] 圖1為楔塊形狀示意圖；
[0037] 圖2為掃查路徑示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 以下將結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步地詳述：
[0039] 該種超聲波無損測量金屬薄板內部殘余應力場的方法，其特征在于：該方法的步 驟是：
[0040] (1)選擇探頭
[0041] 根據待測金屬薄板的材質和厚度選擇探頭，探頭選擇時需要遵循以下原則：第一， 探頭發出的在待測材料中傳播的超聲縱波波長處于板材厚度的10%到20%之間；第二，如 使用圓形晶片探頭，其晶片直徑小于待測板材厚度的1. 8倍，如使用方形晶片探頭，晶片的 最大邊長小于板材厚度的2倍。
[0042] (2)楔塊加工
[0043] 2. 1測量楔塊材料中的縱波聲速
[0044] 將探頭使用同軸電纜連接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，脈沖信號發生器 的輸出接口和同步接口分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連 接。在楔塊材料上加工出兩個相對的平行平面，在其中一個面上任選一點A，使用游標卡尺 或千分尺測量該點到相對平面的垂直距離將超聲探頭利用耦合劑耦合在A點上，通 過示波器測量出超聲波在相對平面上返回的一次底波和二次底波之間的時間間隔楔 塊材料中的縱波聲速C2S/t
[0045] 2. 2測量待測金屬材料中的縱波聲速
[0046] 仍采用2. 1中的方法連接探頭、脈沖信號發生器和多通道數字示波器。使用游標 卡尺或千分尺測量待測金屬材料某一位置的厚度SW4。將超聲探頭利用耦合劑耦合該位置 上，通過示波器測量出此時超聲波的一次底波和二次底波之間的時間間隔。待測金屬 材料中的縱波聲速C W4= 2SW4/t W4。
[0047] 2· 3楔塊加工
[0048] 將楔塊材料加工成如附圖1所示的形狀，其中L = 15-100mm，α = arcsir^C^/ C材料）
[0049] (3)測量標定
[0050] 3· 1連接設備
[0051] 將探頭安裝在楔塊上；脈沖信號發生器的輸出接口和同步接口分別與多通道數字 示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連接；通過同軸電纜將任意一個探頭接到脈沖 信號發生器的發射/接收接口，將另一探頭接到多通道示波器的另一個接收接口。
[0052] 3. 2確定測量參數
[0053] 在待測板材上分別沿軋制方向和寬展方向取下一個長200-300mm，寬10-30mm，厚 度為板材厚度的拉伸試樣。將楔塊利用耦合劑耦合在拉伸試樣任意軋制表面的中心，楔 塊的長度方向與拉伸試樣的長度方向平行。打開脈沖信號發生器和多通道數字示波器， 測量發射脈沖與接收脈沖的時間間隔h。再將楔塊耦合在拉伸試樣另一軋制表面的中 心，測量發射脈沖與接收脈沖的時間間隔t 2，將h和t2的算數平均值稱為零應力時間h。 對拉伸試樣施加逐漸增加的軸向拉伸應力，直到軸向拉伸應力達到拉伸試樣屈服強度的 70% -80%，在加載過程中，載荷每增加10-100MPa，記錄一次發射脈沖與接收脈沖的時間 間隔。以載荷為縱坐標，以發射脈沖與接收脈沖的時間間隔為橫坐標，在直角坐標系上繪制 載荷與時間間隔關系曲線，將曲線進行線性擬合，擬合后直線的斜率稱為聲彈性系數K。
[0054] (4)殘余應力場測量
[0055] 4. 1測量各點的聲傳播時間
[0056] 將楔塊耦合在待測金屬薄板表面，楔塊的長度方向與待測金屬薄板的軋制方向平 行。移動楔塊對待測金屬薄板進行掃查，在每行掃查過程中，楔塊每前進20?150mm讀取 并記錄一次發射脈沖與接收脈沖的時間間隔，每行之間的距離為10?200mm，直到整個待 測金屬薄板掃描完畢。將楔塊的長度方向與待測金屬薄板的寬展方向平行，采用上述掃查 方式再進行一次掃查，如圖2所示。完成上述兩次掃查后再對薄板的另一個軋制面進行同 樣的兩次掃查。
[0057] 4. 2計算各點的殘余應力
[0058] 待測金屬薄板各測量區域的殘余應力用以下公式計算：
[0059] σ j = K(ti-t0)
[0060] 式中：σ i代表各區域的殘余應力，K代表聲彈性系數，ti代表每一區域測得的發射 波與接收波之間的時間間隔，h代表零應力時間。
[0061] 4. 3繪制殘余應力場圖
[0062] 以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬薄板兩個側邊的距離分別為直角坐標 系的橫坐標和縱坐標，以每次測量時的殘余應力值為堅坐標，繪制殘余應力三維分布圖；或 者以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬薄板兩個側邊的距離分別為直角坐標系的橫 坐標和縱坐標，連接測得的殘余應力值相同的點，繪制殘余應力等高線圖。
[0063] 實施例1
[0064] 牌號為7050的鋁合金冷軋板，長2000mm，寬1500mm，厚5mm。其檢測步驟如下：
[0065] (1)選擇探頭
[0066] 選擇兩個晶片直徑為9mm，頻率為5MHz的超聲縱波探頭。
[0067] (2)楔塊加工
[0068] 2. 1測量楔塊材料中的縱波聲速
[0069] 將探頭使用同軸電纜連接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，脈沖信號發生器 的輸出接口和同步接口分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連 接。在楔塊材料上加工出兩個相對的平行平面，在其中一個面上任選一點A，使用游標卡尺 或千分尺測量該點到相對平面的垂直距離3^^= 15.0毫米。將超聲探頭利用耦合劑耦合 在A點上，通過示波器測量出超聲波在相對平面上返回的一次底波和二次底波之間的時間 間隔9. 677微秒。楔塊材料中的縱波聲速C模塊=2S模塊/t模塊=3100米/秒。
[0070] 2. 2測量待測金屬材料中的縱波聲速
[0071] 仍采用2. 1中的方法連接探頭、脈沖信號發生器和多通道數字示波器。使用游標 卡尺或千分尺測量待測金屬材料某一位置的厚度SW4= 5. 03毫米。將超聲探頭利用耦合 劑耦合該位置上，通過示波器測量出此時超聲波的一次底波和二次底波之間的時間間隔t W4= 1. 590微秒。待測金屬材料中的縱波聲速CW4= 2SW4/tW4= 6327米/秒。
[0072] 2. 3楔塊加工
[0073] 將楔塊材料加工成如附圖1所示的形狀，其中L = 50mm，a = arcsin(C|；塊/CW4) =29. 3°
[0074] (3)測量標定
[0075] 3. 1連接設備
[0076] 將探頭安裝在楔塊上；脈沖信號發生器的輸出接口和同步接口分別與多通道數字 示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連接；通過同軸電纜將任意一個探頭接到脈沖 信號發生器的發射/接收接口，將另一探頭接到多通道示波器的另一個接收接口。
[0077] 3. 2確定測量參數
[0078] 在待測板材上分別沿軋制方向和寬展方向取下一個長250mm，寬25mm，厚度為板 材厚度的拉伸試樣。將楔塊利用耦合劑耦合在拉伸試樣任意軋制表面的中心，楔塊的長度 方向與拉伸試樣的長度方向平行。打開脈沖信號發生器和多通道數字示波器，測量發射脈 沖與接收脈沖的時間間隔A = 14. 286微秒。再將楔塊耦合在拉伸試樣另一軋制表面的中 心，測量發射脈沖與接收脈沖的時間間隔t2 = 14. 292微秒，h和t2的算數平均值稱為零應 力時間tQ = 14. 289微秒。對拉伸試樣施加逐漸增加的軸向拉伸應力，直到軸向拉伸應力 達到拉伸試樣屈服強度的80 %，在加載過程中，載荷每增加50MPa，記錄一次發射脈沖與接 收脈沖的時間間隔。以載荷為縱坐標，以發射脈沖與接收脈沖的時間間隔為橫坐標，在直角 坐標系上繪制載荷與時間間隔關系曲線，將曲線進行線性擬合，擬合后直線的斜率稱為聲 彈性系數K = 5. 25兆帕/納秒。
[0079] (4)殘余應力場測量
[0080] 4. 1測量各點的聲傳播時間
[0081] 將楔塊耦合在待測金屬薄板表面，楔塊的長度方向與待測金屬薄板的軋制方向平 行。移動楔塊對待測金屬薄板進行掃查，在每行掃查過程中，楔塊每前進100mm讀取并記錄 一次發射脈沖與接收脈沖的時間間隔，每行之間的距離為1〇〇_，直到整個待測金屬薄板掃 描完畢。將楔塊的長度方向與待測金屬薄板的寬展方向平行，采用上述掃查方式再進行一 次掃查，如圖2所示。完成上述兩次掃查后再對薄板的另一個軋制面進行同樣的兩次掃查。
[0082] 4. 2計算各點的殘余應力
[0083] 待測金屬薄板各測量區域的殘余應力用以下公式計算：
[0084] σ j = K(ti-t0)
[0085] 式中：〇 i代表各區域的殘余應力，K代表聲彈性系數，&代表每一區域測得的發射 波與接收波之間的時間間隔，h代表零應力時間。
[0086] 4. 3繪制殘余應力場圖
[0087] 以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬薄板兩個側邊的距離分別為直角坐標 系的橫坐標和縱坐標，以每次測量時的殘余應力值為堅坐標，繪制殘余應力三維分布圖。
[0088] 實施例2
[0089] 牌號為H80的銅合金冷軋板，長500mm，寬100mm，厚3mm。其檢測步驟如下：
[0090] (1)選擇探頭
[0091] 選擇兩個晶片直徑為6mm，頻率為10MHz的超聲縱波探頭。
[0092] (2)楔塊加工
[0093] 2. 1測量楔塊材料中的縱波聲速
[0094] 將探頭使用同軸電纜連接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，脈沖信號發生器 的輸出接口和同步接口分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連 接。在楔塊材料上加工出兩個相對的平行平面，在其中一個面上任選一點A，使用游標卡尺 或千分尺測量該點到相對平面的垂直距離3^^= 21. 5毫米。將超聲探頭利用耦合劑耦合 在A點上，通過示波器測量出超聲波在相對平面上返回的一次底波和二次底波之間的時間 間隔14. 0M微秒。楔塊材料中的縱波聲速C模塊=2S模塊/t模塊=3〇57米/秒。 [0095] 2. 2測量待測金屬材料中的縱波聲速
[0096] 仍采用2. 1中的方法連接探頭、脈沖信號發生器和多通道數字示波器。使用游標 卡尺或千分尺測量待測金屬材料某一位置的厚度SW4= 3. 05毫米。將超聲探頭利用耦合 劑耦合該位置上，通過示波器測量出此時超聲波的一次底波和二次底波之間的時間間隔t W4= 1. 305微秒。待測金屬材料中的縱波聲速CW4= 2SW4/tW4= 4674米/秒。
[0097] 2. 3楔塊加工
[0098] 將楔塊材料加工成如附圖1所示的形狀，其中L = 40mm，a = arcsin(CWit/C|；塊） =40. 8。
[0099] (3)測量標定
[0100] 3.1連接設備
[0101] 將探頭安裝在楔塊上；脈沖信號發生器的輸出接口和同步接口分別與多通道數字 示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連接；通過同軸電纜將任意一個探頭接到脈沖 信號發生器的發射/接收接口，將另一探頭接到多通道示波器的另一個接收接口。
[0102] 3. 2確定測量參數
[0103] 在待測板材上分別沿軋制方向和寬展方向取下一個長200mm，寬20mm，厚度為板 材厚度的拉伸試樣。將楔塊利用耦合劑耦合在拉伸試樣任意軋制表面的中心，楔塊的長度 方向與拉伸試樣的長度方向平行。打開脈沖信號發生器和多通道數字示波器，測量發射脈 沖與接收脈沖的時間間隔A = 12. 766微秒。再將楔塊耦合在拉伸試樣另一軋制表面的中 心，測量發射脈沖與接收脈沖的時間間隔t2 = 12. 770微秒，h和t2的算數平均值稱為零應 力時間tQ = 12. 768微秒。對拉伸試樣施加逐漸增加的軸向拉伸應力，直到軸向拉伸應力 達到拉伸試樣屈服強度的70%，在加載過程中，載荷每增加20MPa，記錄一次發射脈沖與接 收脈沖的時間間隔。以載荷為縱坐標，以發射脈沖與接收脈沖的時間間隔為橫坐標，在直角 坐標系上繪制載荷與時間間隔關系曲線，將曲線進行線性擬合，擬合后直線的斜率稱為聲 彈性系數K = 10. 25兆帕/納秒。
[0104] ⑷殘余應力場測量
[0105] 4. 1測量各點的聲傳播時間
[0106] 將楔塊耦合在待測金屬薄板表面，楔塊的長度方向與待測金屬薄板的軋制方向平 行。移動楔塊對待測金屬薄板進行掃查，在每行掃查過程中，楔塊每前進50_讀取并記錄 一次發射脈沖與接收脈沖的時間間隔，每行之間的距離為1〇_，直到整個待測金屬薄板掃 描完畢。將楔塊的長度方向與待測金屬薄板的寬展方向平行，采用上述掃查方式再進行一 次掃查，如圖2所示。完成上述兩次掃查后再對薄板的另一個軋制面進行同樣的兩次掃查。
[0107] 4. 2計算各點的殘余應力
[0108] 待測金屬薄板各測量區域的殘余應力用以下公式計算：
[0109] 〇 j = K(ti-t0)
[0110] 式中：σ i代表各區域的殘余應力，K代表聲彈性系數，ti代表每一區域測得的發射 波與接收波之間的時間間隔，h代表零應力時間。
[0111] 4. 3繪制殘余應力場圖
[0112] 以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬薄板兩個側邊的距離分別為直角坐標 系的橫坐標和縱坐標，連接測得的殘余應力值相同的點，繪制殘余應力等高線圖。
[0113] 實施例3
[0114] 牌號為08AL的冷軋鋼板，長2000mm，寬500mm，厚6mm。其檢測步驟如下：
[0115] (1)選擇探頭
[0116] 選擇兩個晶片直徑為6mm，頻率為10MHz的超聲縱波探頭。
[0117] ⑵楔塊加工
[0118] 2. 1測量楔塊材料中的縱波聲速
[0119] 將探頭使用同軸電纜連接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，脈沖信號發生器 的輸出接口和同步接口分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連 接。在楔塊材料上加工出兩個相對的平行平面，在其中一個面上任選一點A，使用游標卡尺 或千分尺測量該點到相對平面的垂直距離11. 5毫米。將超聲探頭利用耦合劑耦合 在Α點上，通過示波器測量出超聲波在相對平面上返回的一次底波和二次底波之間的時間 間隔7. 933微秒。楔塊材料中的縱波聲速C模塊=2S模塊/t模塊=2899米/秒。
[0120] 2. 2測量待測金屬材料中的縱波聲速
[0121] 仍采用2. 1中的方法連接探頭、脈沖信號發生器和多通道數字示波器。使用游標 卡尺或千分尺測量待測金屬材料某一位置的厚度SW4= 5. 97毫米。將超聲探頭利用耦合 劑耦合該位置上，通過示波器測量出此時超聲波的一次底波和二次底波之間的時間間隔t 材料=2. 015微秒。待測金屬材料中的縱波聲速CW4= 2SW4/tW4= 5926米/秒。
[0122] 2. 3楔塊加工
[0123] 將楔塊材料加工成如附圖1所示的形狀，其中L = 100mm, a = arcsin(C材料/C模 塊）=29。
[0124] (3)測量標定
[0125] 3.1連接設備
[0126] 將探頭安裝在楔塊上；脈沖信號發生器的輸出接口和同步接口分別與多通道數字 示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連接；通過同軸電纜將任意一個探頭接到脈沖 信號發生器的發射/接收接口，將另一探頭接到多通道示波器的另一個接收接口。
[0127] 3. 2確定測量參數
[0128] 在待測板材上分別沿軋制方向和寬展方向取下一個長200mm，寬20mm，厚度為板 材厚度的拉伸試樣。將楔塊利用耦合劑耦合在拉伸試樣任意軋制表面的中心，楔塊的長度 方向與拉伸試樣的長度方向平行。打開脈沖信號發生器和多通道數字示波器，測量發射脈 沖與接收脈沖的時間間隔A = 23. 728微秒。再將楔塊耦合在拉伸試樣另一軋制表面的中 心，測量發射脈沖與接收脈沖的時間間隔t2 = 23. 722微秒，h和t2的算數平均值稱為零應 力時間tQ = 23. 725微秒。對拉伸試樣施加逐漸增加的軸向拉伸應力，直到軸向拉伸應力 達到拉伸試樣屈服強度的75%，在加載過程中，載荷每增加40MPa，記錄一次發射脈沖與接 收脈沖的時間間隔。以載荷為縱坐標，以發射脈沖與接收脈沖的時間間隔為橫坐標，在直角 坐標系上繪制載荷與時間間隔關系曲線，將曲線進行線性擬合，擬合后直線的斜率稱為聲 彈性系數K = 25. 3兆帕/納秒。
[0129] (4)殘余應力場測量
[0130] 4. 1測量各點的聲傳播時間
[0131] 將楔塊耦合在待測金屬薄板表面，楔塊的長度方向與待測金屬薄板的軋制方向平 行。移動楔塊對待測金屬薄板進行掃查，在每行掃查過程中，楔塊每前進50_讀取并記錄 一次發射脈沖與接收脈沖的時間間隔，每行之間的距離為1〇_，直到整個待測金屬薄板掃 描完畢。將楔塊的長度方向與待測金屬薄板的寬展方向平行，采用上述掃查方式再進行一 次掃查，如圖2所示。完成上述兩次掃查后再對薄板的另一個軋制面進行同樣的兩次掃查。
[0132] 4. 2計算各點的殘余應力
[0133] 待測金屬薄板各測量區域的殘余應力用以下公式計算：
[0134] σ j = K(ti-t0)
[0135] 式中：〇 i代表各區域的殘余應力，K代表聲彈性系數，&代表每一區域測得的發射 波與接收波之間的時間間隔，h代表零應力時間。
[0136] 4. 3繪制殘余應力場圖
[0137] 以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬薄板兩個側邊的距離分別為直角坐標 系的橫坐標和縱坐標，以每次測量時的殘余應力值為堅坐標，繪制殘余應力三維分布圖。
【權利要求】
1. 一種超聲波無損測量金屬板內部殘余應力場的方法，其特征在于：該方法的步驟 是： (1) 選擇探頭 根據待測金屬板的材質和厚度選擇探頭，探頭選擇時需要遵循以下原則：第一，探頭發 出的在待測材料中傳播的超聲縱波波長處于板材厚度的10%到20%之間；第二，如使用圓 形晶片探頭，其晶片直徑小于待測板材厚度的1. 8倍，如使用方形晶片探頭，晶片的最大邊 長小于板材厚度的2倍； (2) 楔塊加工 2. 1測量楔塊材料中的縱波聲速 將探頭使用同軸電纜連接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，脈沖信號發生器的輸 出接口和同步接口分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連接，在 楔塊材料上加工出兩個相對平行的平面，在其中一個平面上任選一點A，測量該點到相對平 面的垂直距離，將超聲探頭利用耦合劑耦合在A點上，通過示波器測量出超聲波在相對 平面上返回的一次底波和二次底波之間的時間間隔，楔塊材料中的縱波聲速2S 模塊/t模塊； 2. 2測量待測金屬板材中的縱波聲速 仍采用2. 1中的方法連接探頭、脈沖信號發生器和多通道數字示波器，測量待測金屬 板材某一位置的厚度SW4，將超聲探頭利用耦合劑耦合該位置上，通過示波器測量出此時 超聲波的一次底波和二次底波之間的時間間隔，待測金屬材料中的縱波聲速C W4= 2S 材料/t材料； 2. 3楔塊加工 楔塊的截面為等腰梯形，楔塊的底面為矩形，楔塊的厚度小于梯形底邊的長度，梯形底 角角度為a larcsir^C^^/C^g)，在兩相對的斜面上鉆螺紋孔，螺紋孔的直徑與探頭的外 徑相匹配，螺紋孔的中心線與其所在斜面垂直，兩個螺紋孔的中心線延長線分別與梯形底 邊相交的兩個交點間的距離L = 15-100mm， (3) 測量標定 3. 1連接設備 將兩個探頭分別安裝在楔塊的兩個螺紋孔上；脈沖信號發生器的輸出接口和同步接口 分別與多通道數字示波器的輸入接口和同步接口通過同軸電纜連接；通過同軸電纜將任意 一個探頭接到脈沖信號發生器的發射/接收接口，將另一探頭接到多通道示波器的另一個 接收接口； 3. 2確定測量參數 在待測板材上分別沿軋制方向和寬展方向取下一個長200-300mm，寬10-30mm，厚度 為板材厚度的拉伸試樣，將楔塊利用耦合劑耦合在拉伸試樣任意軋制表面的中心，楔塊底 面的長度方向與拉伸試樣的長度方向平行，打開脈沖信號發生器和多通道數字示波器，測 量超聲波發射信號與接收信號的時間間隔A，再將楔塊耦合在拉伸試樣另一軋制表面的 中心，測量超聲波發射信號與接收信號的時間間隔t 2，將h和t2的算數平均值稱為零應 力時間t(l，對拉伸試樣施加軸向拉伸應力，直到軸向拉伸應力達到拉伸試樣屈服強度的 70% -80%，在加載過程中，載荷每增加10-100MPa，記錄一次發射脈沖與接收脈沖的時間 間隔，以載荷為縱坐標，以超聲波發射信號與接收信號的時間間隔為橫坐標，在直角坐標系 上繪制載荷與時間間隔關系曲線，將曲線進行線性擬合，擬合后直線的斜率稱為聲彈性系 數K; (4)殘余應力場測量 4. 1測量各點的聲傳播時間 將楔塊耦合在待測金屬板材表面，楔塊底面的長度方向與待測金屬板材的軋制方向平 行，移動楔塊對待測金屬板材進行掃查，在每行掃查過程中，楔塊每前進20?150mm讀取并 記錄一次超聲波發射信號與接收信號的時間間隔，每行之間的距離為10?200mm，直到整 個待測金屬板材掃描完畢，將楔塊底面的長度方向與待測金屬板材的寬展方向平行，采用 上述掃查方式再進行一次掃查，完成上述兩次掃查后，再對金屬板材的另一個軋制面進行 同樣的兩次掃查； 4. 2計算各點的殘余應力 待測金屬板材各測量區域的殘余應力用以下公式計算： σ j = K(ti-t〇) 式中：〇 i代表各區域的殘余應力，K代表聲彈性系數，&代表每一區域測得的超聲波發 射信號與接收信號之間的時間間隔，h代表零應力時間， 4. 3繪制殘余應力場圖 以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬板材軋制面的兩個鄰邊的距離分別為直角 坐標系的橫坐標和縱坐標，以每次測量時的殘余應力值為堅坐標，繪制殘余應力三維分布 圖；或者以楔塊每次測量時的中心位置與待測金屬板材軋制面的兩個鄰邊的距離分別為直 角坐標系的橫坐標和縱坐標，連接測得的殘余應力值相同的點，繪制殘余應力等高線圖。
【文檔編號】G01L1/25GK104048786SQ201410251085
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月9日 優先權日:2014年6月9日
【發明者】王曉, 梁菁, 史亦韋, 李國愛, 史麗軍 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院