一种超声波应力检测设备的金属材料应力系数校准方法

技术领域

本发明属于超声应力无损检测领域，具体涉及一种超声波应力检测设备的金属材料应力系数校准方法，适用于超声应力检测设备校准。

背景技术

在工件制造和服役过程中，会受到来自不同因素的作用和影响，当这些因素消失后，工件所受到的影响不能完全消失，这残留的影响就是工件的残余应力。工件原材料固有的残余应力，以及成型、热处理、机械加工和装配等制造过程残余应力遗传叠加作用下，极易诱发变形和开裂等问题。超声法检测是目前无损检测常用的方法之一，已经广泛应用于军事，航天等领域。

目前常用的超声检测设备都是基于临界折射纵波法，即超声波按一定的角度入射工件，可在工件内部产生临界折射纵波。根据声弹性定律，工件的残余应力会影响声传播的速度，采用两个超声换能器一收一发的方式，即可得到相对的残余应力值，由于残余应力引起的声速变化为微秒级。因此，需要特定装置对应力检测设备进行校准。实现精准的残余应力检测对构件及设备的稳定性具有重要意义。

文献检索发现，专利：（北京理工大学. 残余应力梯度分布定值试块:CN201710975003.0[P]. 2020-09-22.）提供了一种残余应力梯度分布定值试块。提供了一种校准应力检测设备的方法。该试块通过螺栓的预紧力让试块产生残余应力，但是在实际使用中，螺栓的预紧力不好控制且应力变化范围不大。

本发明通过一种定值试验台对应力检测系统进行校准，该装置结构简单、试样条加工方便。通过更换不同的砝码让试样条受不同的力，则试样条就会产生不同的应力值。超声残余应力检测设备在不同位置处检测到的相对残余应力值与有限元分析法和应变分析法得到的实际残余应力值进行对比，从而校准设备的应力系数。

发明内容

本发明涉及一种超声波应力检测设备的金属材料应力系数校准方法，适用于超声残余应力检测设备的应力系数调整。通过试样条受到的不同拉伸应力和压缩应力校准超声应力检测系统，减少检测设备的系统误差。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种超声波应力检测设备的金属材料应力系数校准方法，即定值试验台。包括基座、支撑座、压板、螺栓、试样条、应变片、固定螺母、吊钩、砝码、托盘、应变仪。

基座，基座应放置于水平工作台面上。

支撑座，支撑座通过螺栓连接于基座，两者相对固定。

压板，压板通过螺栓连接于支撑座，压板与支撑座有缺口空间，用于安装试样条。

螺栓，螺栓用于连接并紧固各个零部件。

试样条，试样条左右有两个通孔，用于固定和安装吊钩。试样条放置于支撑座缺口处，通过压板与螺栓固定。

应变片，应变片粘贴在试样条上，从而监测试样条的形变大小。

固定螺母，固定螺母把吊钩固定在试样条通孔位置处。

吊钩，吊钩被固定在试样条上，用于将托盘挂在吊钩处。

砝码，砝码放在托盘上面，让试样条受不同的力，从而使试样条得到不同的应力值。

托盘，托盘挂在吊钩处，用于放置砝码。

应变仪，应变仪与应变片通过信号线连接，将应变片的模拟信号转化为数字信号，并输出为试样条的应变值。

可选地，试样条的材料根据校准应力系数的材料确定，两者材料一致。

定值试验台的设计是为了制作标准的定值应力梯度试块，试块可以为校准应力检测仪器提供可靠的基准，后续可将测得的应力系数直接做成数据库录入到仪器中。目前常用的应力校准方法是用过标准试块在拉伸试验机上进行定点拉伸得到固定的应力值，以此来校准仪器的应力系数。与现有的应力系数校准方法相比，该方法装置简单，且通过应变分析法和有限元分析法两种不同的方法得到的数据，均可以用于校准仪器的应力系数。

附图说明

图1：定制试验台结构示意图；

图2：试样条结构示意图；

图3：定值试验台有限元分析应力梯度示意图；

图4：试样条的应力探测结果示意图；

其中，图中各附图标记：

1—基座 2—支撑座 3—压板 4—螺栓 5—试样条 6—应变片 7—固定螺母 8—吊钩 9—砝码 10—托盘 11—应变仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明具体实施方式作详细说明：

本发明提供了一种超声波应力检测设备的金属材料应力系数校准方法，具体设备如图1所示，包括基座1、支撑座2、压板3、螺栓4、试样条5、应变片6、固定螺母7、吊钩8、砝码9、托盘10、应变仪11。

具体的，螺栓4通过基座1的沉头孔与支撑座2的螺纹盲孔将基座1和支撑座2相连，保证两者的相对稳定。基座1应放置在水平工作台面上。

支撑座2顶部有4个螺纹盲孔和安装试样条5的缺口，在缺口处加工有螺纹盲孔，试样条5左右有2个通孔，压板3有5个沉头孔。安装时首先将试样条5放置在支撑座2的缺口处，然后将压板3放置在支撑座2和试样条5上面，再用螺栓4将压板3和支撑座2固定，再用螺栓4将试样条5压紧在压板3和支撑座2中间。

试样条5的材料应与应力检测设备所要校准的应力系数材料一致，如试样条5材料为钛合金，则校准的就是该设备对应的钛合金的应力系数。

试样条5在校准前，应通过热处理去除初始应力，校准前的试样条5温度应为15~25℃，因为超声法检测应力受温度影响较大，应避免温度对校准过程中出现的误差。

如图2所示，试样条5加工的缺口宽度为40~60mm，缺口深度在远离钩秤7一端应越来越小。如此，试样条5才会产生梯度式的应力值。

试样条5通过螺栓4固定在支撑座2和压板3之间，吊钩8用固定螺母7固定在试样条5的另一端的通孔，托盘10挂在吊钩8上。通过添加不同重量的砝码9，会使试样条5受不同大小的力产生形变，试样条5所受的应力就与砝码8的重量一一对应。试样条5加荷载后，通过应变片6得到的应变大小就可以得出该处的应力值大小。

应变片6粘贴在试样条5的加工缺口处，加载砝码9后在应变仪11中读取对应位置的应变大小并记录。用σ表示应力，ε表示应变量，E表示试样条5材料的杨氏模量，应力σ=E×ε。同一种材料的杨氏模量是相同的，通过应变仪11读出该应变片6处的应变大小之后，就可计算得出试样条5在该处的实际应力值。然后将应变片6去掉，用超声应力检测仪检测粘贴应变片6的位置，读取应力值。改变仪器的应力系数，让超声应力检测仪读取的应力值与计算得出的应力值两值相等。则该应力系数就是超声应力检测仪要校准的应力系数。

超声应力检测仪校准时为在线校准，校准过程中不卸载，即托盘10和砝码9仍挂在试样条5上。校准过程中，仪器至少要单点检测三次以上，以此保证数据的可靠性以及准确性。

如图3所示，根据钩秤7和砝码8的重量可以使用有限元分析算出试样条5所受应力大小，根据云图的颜色读出对应位置的应力大小。如图4所示，也可以使用软件的探测命令得出某点的应力值大小，此值与计算出的应力值一样，都是试样条的实际应力值，该值也可作为校准应力检测仪应力系数的依据。