超声应力检测系统原理介绍

内蒙古包头市包钢集团轨梁轨钢厂
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航空涡轮盘残余应力检测应用
叶轮盘是航空发动机的重要组成部分，在服役期间，叶轮盘长期受到 交变载荷的影响，残余应力集中会导致轮盘的变形，甚至产生微裂纹，严 重影响了航天发动机的安装精度和使用寿命，以及叶轮盘服役期间的安全 性。
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涡轮盘检测结果
涡轮盘幅板残余应力二维分布图（A面）。
cr为第一临界角
超声波折射现象中的折射角不仅与入射 角有关系，还与超声波在两种介质中的传 播速度有关
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产品介绍
临界折射纵波(LCR波) 有机玻璃楔块中的纵波通过界面传入钢材时，形成折射纵波，当入射角为
第一临界角时，折射纵波沿试件表面和亚表面传播，称为临界折射纵波。
临界折射纵波
临界折射纵波信号波形

自紧应力改变 量
t 为声时差，
K为应力常数。
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临界折射纵波自紧应力测量系统方案
一发一收的自紧力测量模式
读取采样数据 数字滤波 互相关分析 得出声时差
数据Baidu Nhomakorabea合
标标定定或或测测量量
声时差
应力常数
自紧力值
计算机软件流程图
一发一收测量模式的误差因素： (1)温度变化 (2)耦合状态 (3)测量仪器电气延时
第一临界角
当纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质当中时，会有一个特 殊入射角使折射纵波的折射角等于90度，这个角度就是第一临界角。
压电 晶片
Ι
Π
ө0 ө0
入射 纵波
Өs
Ө1
反射纵波 折射纵波
折射横波
sin 0 sin l sin s
V0
Vl
Vs
cr sin 1(V0 V1)
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产品介绍
根据声弹性理论，工件有自紧应力和无自紧应力情况下,超声波在其 中的传播速度是不同的，且传播速度与自紧应力的大小和状态有一定的 关系。
LCR波在零自紧应力介质中的声速为：
2
V0
0
二阶弹性系数
零自紧应力状态的介质密度
LCR波沿自紧应力方向的声速为：
V

(

2

针对国营447厂火炮身管自紧应力层分布进行的研究
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西部管道局西气东输管道残余应力现场测量应用：
专为西部管道局科技中心开发了一套适用于1219输油管道的焊缝残余应力超声测量系统。
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西部管道局西气东输457管道残余应力现场测量应用：
1#钢 钢
2#钢 钢
测测测测测测测 测测测测测测
测测测测测测测 测测测测测测
残余应力分析仪
产品原理
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超声残余应力测量概述
残余应力 是指构件在制造或使用过程中，
受力后，由于应力场、温度场和组 织不均匀性等原因，在外力撤除后 构件内仍保留的应力。
宏观上，残余应力分为拉伸应力 和压缩应力； 微观上，残余应力分为微观结构 应力和晶内亚结构应力。
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残余应力检测方法－声时法
西部管道局根据测试结果将问题管道送往廊坊管道 局做打压试验，爆管的结果与测试结果吻合。
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铁轨残余应力检测应用
随着高速列车的应用和发展，铁路运输安 全受到重视，铁轨在使用过程中受到交变热应 力作用，残余应力集中会导致铁轨断裂失效。 针对这一问题，我们研制了铁轨残余应力超声 检测系统，实现对轨头、轨腰和轨底的残余应 力检测。
涡轮盘幅板残余应力二维分布图（B面）
应力值变化折线图
应力值变化折线图
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超声残余应力分析仪软硬件：
临界折射纵波应力测量系统（硬件）
临界折射纵波应力测量系统（软件）
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特点及指标
➢配备高频数据采集卡 ➢实时显示A扫图像 ➢结果显示残余应力值的大小和拉压状态 ➢检测结果自动保存，Word文档形式输出 ➢磁吸式传感器可手动断磁，传感器可吸 附于被测件表面 ➢集成了温度传感器，通过温度补偿消除 温度对检测结果的影响。 ➢软件界面简单直观，便于操作。 ➢系统应力检测范围大，重复性好，精度 高电池板供电，可以适应各种野外和现场 检测
适用范围 检测深度
厚 度 3mm 以 上 ， 外 径 100mm 以上铁磁性管道焊缝和管道 母材的残余应力检测
大于2mm
防腐层厚度 0.5~3.0mm
检测范围 -1000MPa~＋1000MPa
检测误差 ±30MPa
工作温度 -20℃~＋50℃
可信度 使用寿命
测量次数5000以内为95%
实验室环境5年，恶劣环境2 年
3

2



4
10

4m



2l

)
1 2
0
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残余应力超声无损检测原理
测量原理
发射探头
x
(v0 , t0 )
零自紧力
0
发射探头
x
(v, t )
有自紧力
自紧应力测量公式：
接收探头
试样
0
接收探头
试样
K(t t0 ) Kt
装甲车体焊缝残余应力场测量应用：
对国营617厂、618场装甲车焊缝及母材残余应力分布进行检测
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火炮身管内壁残余应力现场测量应用：
HP身管内表面自紧层应力扫查装置
火炮身管在使用过程中会受到高温
高压冲击，通常要进行机械自紧和液 压自紧，提高抗烧蚀、抗疲劳以及承 受高膛压的能力由于自紧应力分布不 均匀而导致炮管弯曲变形，甚至发生 炸膛的事故，我们研制了火炮身管内 壁残余应力检测系统
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温度补偿研究：
温度补偿实验
时 差 （ ns）
250 第一次测试 第二次测试
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
温度（℃）
温度补偿（线性）
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残余应力分析仪
产品应用
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钢板焊接应力残余应力检测：
45号钢焊缝附近残余应力场分布研究
时 差 (ns)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0 -250 -200 -150 -100 -50
0
50 100 150 200 250
距 焊 缝 中 心 距 离 （ mm）
45号钢焊缝附近应力分布测量图
由检测结果可知在焊缝两侧，越靠近焊缝的位置拉应力越大，在远 离焊缝的位置，应力状态由拉应力向压应力过渡，与理论状态相符
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测量的准确性研究：
拉伸试验对比验证测试系统图
时 差 （ ns）
应 力 --时 差 20
第一次测试
18
第二次测试
第三次测试
16
第四次测试
14
12
10
8
6
4
2
0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 应 力 （ MPa）
拉伸试验对比验证结果（线性）