一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头及测量方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头。

背景技术

工件中的残余应力往往会导致工件疲劳失效、变形等，对工件的服役性能和尺寸精度均有很大影响。同时，残余应力集中的区域，往往是工件容易萌生裂纹的部位，对残余应力分布和残余应力水平的准确测量对于监控工件的服役状况具有十分重要的意义。

燃气轮机压气机叶片是燃气轮机对气体压缩做功的核心部件，其在运行过程中由于气流冲击力、离心力等的作用，叶片往往存在着复杂的应力状态，从而导致叶片局部产生应力集中，从而引发局部材料塑性变形产生残余应力。

目前最为常用的残余应力测量方法是临界折射纵波法，一般采用一发一收形式的超声检测方式进行应力测量。但是对于压气机叶片等表面为不规则形状的工件，由于其复杂多变的外形轮廓，严重影响了探头与工件表面的良好耦合，使得压气机叶片某些曲率变化较大的部位的残余应力测量变的难以实施。

为克服以上缺点，设计了一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头，以达到与曲率变化较大的工件表面进行良好耦合，实现对不规则表面工件残余应力高精度超声检测。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头，克服了不规则表面工件超声探头耦合不良的缺陷，使超声测量探头即使是在曲率变化较大的不规则表面也能良好耦合，实现了不规则表面工件残余应力的准确测量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头，包括旋转连接杆，其两端分别一个超声探头，两个超声探头沿旋转连接杆的轴向中心对称设置，并且能够沿旋转连接杆的周向转动，其中一个发射探头，另一个为接收探头；

所述超声探头包括适形保护膜、用于对超声波横向聚焦的晶片和横向聚焦楔块；

所述适形保护膜位于横向聚焦楔块的底部，用于使横向聚焦楔块的底面与工件的表面完全贴合，晶片设置在横向聚焦楔块上，发射探头晶片的入射角和接收探头晶片的出射角能够产生临界折射纵波；

测量时，超声波经过发射探头的晶片聚焦后通过横向聚焦楔块传到至工件，再通过发射探头的横向聚焦楔块传到至晶片射出。

优选的，所述横向聚焦楔块远离旋转连接端的一端设置有斜面，晶片设置在斜面上。

优选的，所述晶片的表面为凸起的弧面。

优选的，所述适形保护膜为柔性膜。

优选的，所述适形保护膜的声阻抗应分别介于横向聚焦楔块和被检测工件之间。

优选的，所述适形保护膜的厚度为超声波波长的1/4，或1/4波长的整数倍。

优选的，所述横向聚焦楔块的上表面为凸起的弧面，使声阻抗沿弧面的径向从外侧向中心逐渐减小。

优选的，所述旋转连接杆包括相互套设的内杆和外杆，内杆和外杆能够相互转动，两个超声探头分别与内杆和外杆的端部固接。

优选的，所述内杆和外杆的套接端设置有轴向限位装置，用于对内杆和外杆的长度限位。

优选的，所述发射探头的横向聚焦楔块的超声波入射点与接收探头的横向聚焦楔块的超声波出射点之间的间距为5-10mm。

一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头的测量方法，将两个超声探头沿工件的纵向设置，并使横向聚焦楔块的底面与工件的表面完全耦合；

通过发射探头的晶片发射超声波，超声波经过聚焦后传播至发射探头的横向聚焦楔块，超声波在横向聚焦楔块中再次聚焦后传播至工件中，并形成临界折射纵波在工件中传播至接收探头的横向聚焦楔块，并被接收探头的晶片接收；

获得超声波的传播时间，根据工件的超声波的传播时间-残余应力曲线图，获得不规则表面工件内部的残余应力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头，通过可绕其中心轴向旋转的连接杆连接发射探头和超声探头，使探头可以适应工件沿纵向方向的曲面扭转；通过晶片和横向聚焦楔块对超声波进行聚焦，减小超声声束的横向尺寸，通过在楔块底部设置与之配合的适形保护膜，使超声探头对工件纵向和横向曲率变化适应的更好，以达到与曲率变化较大的工件表面进行良好耦合，实现对不规则表面工件残余应力高精度超声检测。

附图说明

图1为本发明不规则表面工件的残余应力超声测量探头结构示意图；

图2为本发明不规则表面工件的残余应力超声测量探头横截面图；

图3为本发明不规则表面工件的残余应力超声测量探头工作示意图；

图4为本发明旋转连接杆的结构示意图。

附图标记说明：

1-第一超声探头，2-第二超声探头，3-旋转连接杆；

101-第一晶片，102-第一横向聚焦楔块，103-第一适形保护膜；

201-第二晶片，202-第二横向聚焦楔块，203-第二适形保护膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参照图1和图2，一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头，其特征在于，包括旋转连接杆3、结构相同的第一超声探头1和第二超声探头2，第一超声探头1为发射探头，第二超声探头2为接收探头。

上述第一超声探头1包括第一晶片101、第一横向聚焦楔块102和第一适形保护膜103。

上述第二超声探头2包括第二晶片201、第二横向聚焦楔块202、第二适形保护膜203。

旋转连接杆3两端分别与第一超声探头1和第二超声探头2固连，第一晶片101和第二晶片201具有横向自聚焦特性，第一横向聚焦楔块102和第二横向聚焦楔块202对超声波具有横向聚焦作用，第一适形保护膜103与第二适形保护膜203均为柔性耐磨材料制成。

第一晶片101和第二晶片201形状均为瓦型上凸，采用晶片自身弧度实现在横向方向的自聚焦特性。

第一横向聚焦楔块102和第二横向聚焦楔块202的上表面为瓦型上凸，分别与第一晶片101和第二晶片102配合，声阻抗在横向上从左右两侧向中间逐渐减小。

参阅图4，旋转连接杆3可绕其轴向旋转，并且在旋转过程中可以保持长度不变。

所述旋转连接杆包括相互套设的内杆和外杆，内杆和外杆能够相互转动，两个超声探头分别与内杆和外杆的端部固接，所述内杆和外杆的套接端设置有轴向限位装置，用于对内杆和外杆的长度限位。

第一适形保护膜103和第二适形保护膜203分别与第一横向聚焦楔块102和第二横向聚焦楔块202的下表面配合。

第一适形保护膜103的声阻抗应介于第一横向聚焦楔块102和被检测工件之间，第二适形保护膜203的声阻抗应介于第二横向聚焦楔块202和被检测工件之间，以保证较高比例的超声波传入工件。

第一横向聚焦楔块102的入射点和第二横向聚焦楔块202的出射点的间距A为5-10mm。

第一适形保护膜103和第二适形保护膜203的厚度应为探头中心频率对应的超声波波长的四分之一或其整数倍。。

第一晶片101和第二晶片201的入射角应保证在工件中可以产生临界折射纵波。

参考图2和图3，对本发明做进一步的说明：

将探头耦合在不规则表面工件上，通过旋转连接杆3适应工件沿纵向方向的曲面扭转，使第一超声探头1和第二超声探头2更好的耦合在工件表面。同时，通过第一适形保护膜103和第二适形保护膜203，使第一超声探头1和第二超声探头2对工件纵向和横向曲率变化更好的适应，使探头与工件的耦合更好更稳定。

通过第一晶片101发射超声波，由于第一晶片101为瓦型上凸形状，其具有自聚焦功能，使超声波在发射后具有往声束中心聚焦的趋势。此后，超声波在第一横向聚焦楔块102传播过程中，由于楔块材质声阻抗的特殊设计，使超声波在传播过程中进一步向楔块中心处聚焦，从而可减小第一横向聚焦楔块102底部的尺寸，使耦合效果更好。随后，超声波通过第一适形保护膜103进入工件中，形成临界折射纵波在工件中传播，并通过第二适形保护膜203、第二横向聚焦楔块202被第二晶片201接收，获得超声波的传播时间。根据已知的工件材质超声波的传播时间-残余应力曲线图，获得不规则表面工件内部的残余应力。

本发明提供的一种不规则表面工件的残余应力超声测量探头，通过可绕其中心轴向旋转的连接杆连接发射探头和超声探头，使探头可以适应工件沿纵向方向的曲面扭转；通过将晶片外形设计为瓦型外凸形式，使晶片产生自聚焦从而减小超声声束的横向尺寸；通过将楔块声阻抗设置为在横向方向从外侧向中心逐渐减小，进一步减小了超声声束的横向尺寸；通过在楔块底部设置与之配合的适形保护膜，使超声探头对工件纵向和横向曲率变化适应的更好，以达到与曲率变化较大的工件表面进行良好耦合，实现对不规则表面工件残余应力高精度超声检测。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。