残余应力的超声波检测与校准_徐春广

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机车车轮与车轴残余应力的超声检测

测分辨率，间距太大又会降低接收到的Ｌｃｒ波信噪比，使测量结果不稳定。本文综合考虑车轮踏面、车
轴的尺寸与曲率半径，选择３５ｍｍ作为间距，该数值反映了应力测试平均值的范围。
２超声应力检测系统与原理
超声应力检测系统由软件系统和硬件系统组
波在空气中传播的干扰和损耗较大，不能直接从空
气中射入，选择声速较小的有机玻璃作为入射前的
介质，有机玻璃声速为２７３０ｍ／ｓ。根据Ｓｎｅｌｌ定理：［１３］
狏１ｓｉｎθ２＝狏２ｓｉｎθ１
（３）
式中：狏１为有机玻璃声速；狏２为钢材声速；θ１为超声
将试件放到电子拉伸机上进行拉伸试验，如图２所示。拉伸时以１ｔ为梯度，最大加载到９ｔ，每整吨拉伸时用超声应力检测系统的犓值标定模块进行声时差测量。
图２应力系数标定试验
３．３试验数据及处理每种试件重复加载５次，分别得到５组车轮与
３材料应力系数标定
试验获取车轮车轴材质的应力系数犓值，它反映了该材质所受应力与声速的对应关系。３．１试验设备和参数说明
电子拉伸机能够拉伸的最大吨位为１６ｔ，拉伸试件的材质分别取自机车车轮、车轴，试件尺寸与加工要求满足《无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》（ＧＢ／Ｔ３２０７３－２０１５）。３．２试验过程

管道焊缝残余应力超声环形组合测量方法

管道焊缝残余应力超声环形组合测量方法郭军;周世圆;徐春广;潘勤学【摘要】重点阐述基于临界折射纵波(LCR波)的超声环形组合探头管道焊缝残余应力的测量方法,该方法用于实际测量,可提高管道焊缝残余应力检测的效率.详细介绍了检测系统硬件和软件,并对残余应力与纵波声速的线性关系进行实验分析,通过切块分离法验证了该方法测量输送管道焊缝残余应力的可行性.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】3页(P90-92)【关键词】临界折射纵波;管道焊缝;残余应力;环形组合【作者】郭军;周世圆;徐春广;潘勤学【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TH1231 引言工业管道系统广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域。

目前管道输送量越来越大，输送压力也越来越高，加之复杂服役环境因素的影响，管道的表面和内部广泛存在残余应力分布不均匀现象，尤其是焊缝处和热影响区等局部，当残余应力达到管道材料的屈服极限应力时，便会导致管道焊缝处的开裂，造成重大损失［1］。

因此，对在役管道的残余应力检测就显得极为重要。

工业应用上，通常采用漏磁法、X射线法、超声法等无损检测方法对在役管道实施检测［2］，其中超声检测法除具有现场适应性强、对人体无害、使用灵活、可即时得到检测结果的特点外，还可以实现带防腐防护层下的管道表面和亚表面的残余应力检测，这些优越的检测特性使得超声检测技术将成为在役管道残余应力检测的重要检测方法。

而超声应力测量中，对于残余应力较敏感的超声波波型是临界折射纵波［3］，该纵波沿试件的次表面传播，可以测量构件表面下方一定深度的应力值。

笔者详细介绍了一套管道焊缝残余应力的超声环形组合测量系统。

2 临界折射纵波检测残余应力2.1 临界折射纵波的产生机理如图1所示，由压电晶片产生超声波，从一种材料(介质Ⅰ)以一定倾斜角入射到被检测材料(介质Ⅱ)，在两种不同声阻抗介质间的界面处发生波型转换。

一种钢轨残余应力的超声在线检测精密夹持装置[发明专利]

专利名称：一种钢轨残余应力的超声在线检测精密夹持装置专利类型：发明专利
发明人：徐春广,李骁,潘勤学,肖定国,徐浪,郭军,宋文涛
申请号：CN201210380835.5
申请日：20121010
公开号：CN102865953A
公开日：
20130109
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种钢轨残余应力的超声在线检测精密夹持装置，主要针对传统钢轨超声应力无损检测中无法同时对轨头、轨腰进行应力检测，无法整体测量、移动测量和在役测量的问题，提出了一种基于三抓定心原理设计的轨头、轨腰应力阵列测量的加持装置。

该装置一次装卡即可完成整根铁轨轨头、轨腰部分的应力测量工作，操作简单并具有很高的稳定性。

由于探头预紧力精确可调，保证了整套装置测量的准确性。

本发明可以满足各类钢轨轨头、轨腰的超声应力测量实验任务并能够推广到各类轧制型钢的超声应力测量实验任务中，具有广泛的适用性。

申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
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构件残余应力梯度无损检测装置[发明专利]

专利名称：构件残余应力梯度无损检测装置
专利类型：发明专利
发明人：徐春广,尹鹏,李志向,卢钰仁,宋剑峰,宋文渊,栗双怡申请号：CN201910672400.X
申请日：20190724
公开号：CN111595938A
公开日：
20200828
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本申请涉及残余应力无损检测技术领域，尤其涉及一种构件残余应力梯度无损检测装置。

该无损检测装置包括多组对称设置的发射换能器和接收换能器，越靠近对称轴的发射换能器的激励频率越大；与多组发射换能器和接收换能器耦合连接的声楔块，声楔块的发射连通区和接收连通区内分别穿过其顶面朝向其底面倾斜设有多组发射通道和接收通道，各发射换能器与各发射通道一一对应耦合连接，各接收换能器与各接收通道一一对应耦合连接，发射连通区及接收连通区底面压紧于被检测构件的表面；与发射换能器及接收换能器电连接的计算处理模块。

该无损检测装置解决了无法同时检测构件不同渗透深度的残余应力值的问题。

申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
代理机构：北京华夏正合知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：韩登营
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螺栓拉应力超声无损检测方法徐春广

+ 4μ
+
m
，
（ 2）
K0
=
λ+
2 3
μ，
（ 3）
其中，Vijk中 i 表示波的传播方向，j 表示波的偏振方向， k 表示单轴应力的作用方向，ρ0 为材料密度，λ，μ 为材料的二阶弹性常数，l，m，n 为材料的三阶弹性常数。
根据弹性力学基本假设，在轴向应力小于螺栓材料的屈服极限之前，可以认为螺栓钢为完全弹性体。那么，当测量温度恒定（室温）状态下，螺栓材料的二阶、三阶弹性常数不会随着轴向应力的增加
2L'（ 1 + Δt × β） 1 + σ
( ) [ ] ρ0
×

TL
－
2
×
（
L
－
L'）（ 1 VL0
+
E Δt ×
β）
2

=
λ
+
2μ
+
σ 3K0
λ
+ μ
μ（
4λ
+
10μ
+
4m）
+ λ + 2l ，
（ 7）
2L'（ 1 + Δt × β） 1 + σ
( ) [ ] ρ0
×
Abstract Based on the acoustoelasticity theory，there is a certain relationship between the ultrasonic velocity and stress． By the combination of shear wave and longitudinal wave，this paper provides a non-destructive way to evaluate axial stress in a tightened bolt． For measuring the bolt axial stress in different situations such as at low load or high load，this paper also proposes the calculation methods under conditions of stress measurement corresponding load factor． Austenitic stainless steel bolt （ A2-70） and low-carbon steel bolt（ 4． 8） are used of the test samples． Error between theoretical measurement and test results is less than 2． 9367% at an average level． The accuracy of this method has also been improved． Key words Shear wave and longitudinal wave，Bolt axial stress，Acoustoelasticity theory

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Study on the Technology of Ultrasonic Testing and Calibration for Residual Stress
XU Chun-guang, SONG Wen-tao, LI Xiao, JIN Xin, LIU Hai-yang, PAN Qing-xue (School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China) Abstract: Based on acoustoelasticsticity effect, the relationship between ultrasonic and stress is studied, the sensitivity of different types of ultrasonic are discussed, then the generation principle of critically refracted longitudinal wave (LCR wave), bolt stress testing and nonlinear ultrasonic testing technology are also analyzed. Further, in order to ensure that the testing results are exact and achieve the traceability, the calibration technology of ultrasonic residual stress testing is studied. And then verified it by experiment. The LCR wave is excited in certain depth of tested material through oblique incidence method. Curvature acoustic wedge, temperature compensation algorithm and accurate measurement algorithm of acoustic time difference are designed. The absolute calibration method executed by tensile testing machine, the calibration method with C style ring and shot peening stress block are verified by the experiments. Finally, we establish a system of ultrasonic stress testing and calibration, and apply it to test residual stress distribution in pipe welds, car body, shafts, inner wall of the tube, bolt, materials with coating layer, glass and ceramics, and so on. Key words: residual stress; ultrasonic; nondestructive testing; calibration
引言
残余应力是一种固有应力，是当构件没有外部因素作用时，在构件内部保持平衡而存在的应力。机械加工如挤压、拉拔、轧制、校正、切削、磨削、表面滚压、喷丸或锤击等，以及热加工的焊接、切割等，不可避免地产生残余应力。残余应力的影响一般是有害的，如在残余应力、工作温度及工作介质的共同作用下，构件的抗疲劳强度、抗脆断能力、
u I U I exp ik ( N J X J Vt )
i
4）传播方向和偏振方向都垂直于应力方向的剪切波，见图 1(d)， 2 0V132 m n 2 （10） 3 2 2 5）传播方向垂直于应力方向、偏振方向平行于应力方向的剪切波，见图 1(e)，
280
2014 年电子机械与微波结构工艺学术会议论文集
2014 年 8 月
和无损伤三大类。有损伤的方法有：切片法、轮廓法等，半损伤的方法有盲孔法、环芯法、深孔法等，有损和半损法都属于应力释放的范畴；无损的方法有 X 射线衍射法、中子衍射法、磁性测定法、扫描电子声显微镜法和超声波法等。 2012 年，意大利 Rossini 教授对比分析各种检测方法后认为，超声波法具有高分辨率、高渗透力和对人体无伤害的特点，是残余应力的无损检测发展方向上最有前途的技术之一[2]。本文基于声弹性理论，研究了超声波与应力的关系，探讨了超声波残余应力检测的校准技术，而后进行验证实验。将超声应力检测与校准系统应用到管道焊缝、装甲车体、火炮身管内壁等的残余应力分布检测中，取得了良好的应用效果。

C IJKL IK t JL
i
X X
J
uK
2

L
i
uI
2
t
2
（3）
将式（2）代入式（3）中，可得：
i i 2 CIJKL N J N L t JL N J N L V IK U K 0 （4）
其特征方程为：
DIK iV 2 IK 0
2 uK i i uI IK t JL CIJKL X J X L t 2
超声与应力的关系当固体为各向同性时，方程（4）可以解析地表达出来，具体推导详见文献[5]。由此，可在笛卡尔坐标系下，建立固体中超声波的传播速度与应力的方程如下[6-8]： 1）沿应力方向传播的纵波，见图 1(a)，
2 0V133
n 2 m （11） 3 2 4
(2 ) (1 ) 0 （12） (3 2 )

（2）
6）传播方向平行于应力的表面波，见图 1(f)，
式中：k 为波数，k=2π/波长；N 为平面波的单位法线方向，即传播方向的方向余弦；U 为振幅。对均匀变形的情况，初始坐标的声弹性方程（1）可以简化为：
(g)
传播方向垂直于应力的表面波
图 1 笛卡尔坐标系中的超声波与应力之间的关系 (a) 沿应力方向传播的纵波
(b)
垂直于应力方向传播的纵波
其中，对于纵波和剪切波，波速速用 3 个下标（如 VABC）表示，第 1 个下标表示波的传播方向，第 2 个下标表示质点的偏振方向，第 3 个下标表示单轴应力作用的方向；对于表面波，波速速用 2 个下标（如 VAB）表示，第 1 个下标表示波的传播方向，第 2 个下标表示单轴应力作用的方向。 1.3 不同类型超声波敏感度对比不同类型的超声波对应力的敏感程度不同，将式（7）~（13）中的波速 V 对应力 σ 求导，得出 dV=Kαdσ，其中 Kα 为应力敏感系数，Kα 的绝对值越大说明该类型波对应力越敏感。不同固体材料的弹性常数如表 1 所示[9]。
式中，声张量为：
i DIK C IJKL N J N L IK t JL
（5）
（6）
1 超声检测理论
1.1 声弹性理论声弹性理论基于有限变形连续介质力学，从宏观现象角度来研究弹性固体应力状态与弹性波波速之间的关系。理论研究表明：弹性波在有应力的固体材料中的传播速度不仅取决于材料的二阶弹性常数、高阶弹性常数和密度，还与应力有关，表现为声弹性效应。声弹性理论是超声波法应力测定的主要依据之一。初始坐标系下的应力介质中弹性波波动方程（声弹性方程）[3]：
11 21 ( 2 ) 1

式中： 21 1 (V11 / V1S ) 2 ； 11 1 (V11 / V1L )2 ， V1L、V1S 分别为无应力状态下固体中纵波和剪切波波速。
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2014 年电子机械与微波结构工艺学术会议论文集
2014 年 8 月
2 2 0V111
1.2
4 10 4m 2l 3 2

（7） 2）垂直于应力方向传播的纵波，见图 1(b)， 2 2 0V113 2l 2 2 m （8） 3 2 3）传播方向沿应力方向、偏振方向垂直于应力方向的剪切波，见图 1(c)，
抗应力腐蚀开裂及形状尺寸的稳定性都将大大下降[1]。同时，在构件表面积聚的残余应力会使构件表面形成表面裂纹或近表面裂纹，这种隐藏在构件近表面的缺陷往往是导致断裂的起点，更具隐蔽性和危险性。因此，探究有效的残余应力检测方法对改善构件的残余应力状况具有非常重要的意义。残余应力的检测技术始于 20 世纪 30 年代，发展至今共形成了数十种检测方法。将这些方法按照其对被测构件损伤与否分为有损伤、半损伤
7）传播方向垂直于应力的表面波，见图 1(g)，
12 22 ( 2 ) 1

(2 ) (1 Fra bibliotek 0 （13） (3 2 )
(f) 传播方向平行于应力的表面波
式中： 12 1 (V12 / V1L )2 ， 22 1 (V12 / V1S ) 2 。式（7）~（13）中，λ 和 μ 表示固体的二阶弹性常数；l、m、n 表示三阶弹性常数；ρ0 表示固体发生变形前的密度；σ 代表施加的单向应力（拉应力为正，压应力为负）。
2014 年电子机械与微波结构工艺学术会议论文集
2014 年 8 月
残余应力的超声波检测与校准
徐春广，宋文涛，李骁，靳鑫，刘海洋，潘勤学
（北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）摘要：基于声弹性理论，研究了超声波与应力的关系，探讨了不同类型超声波的敏感度，分析了 LCR 波产生的原理、螺栓应力检测、超声非线性检测技术等；进一步，为了确保检测值准确，实现溯源性，研究了超声波残余应力检测的校准技术。而后进行验证实验，采用斜入射方式在被测材料一定深度内激发出 LCR 波，设计了曲面透声楔、温度补偿算法及声时差精确测量算法；实验验证了拉伸机绝对校准法、C 形环应力校准法和喷丸应力试块校准法的可行性。建立超声应力检测与校准系统，将其应用到管道焊缝、装甲车体、轴类零件、火炮身管内壁、螺栓、涂覆层下、玻璃及陶瓷等的残余应力分布检测中。关键词：残余应力；超声；无损检测；校准