基于开槽法的超声应力换能器LCR波检测深度校准研究

基于开槽法开展了超声应力换能器LCR波检测深度校准研究。其原理是当开槽深度超过LCR波渗透深度时,波的传播会受开槽的影响。首先,采用弹性波时域显式物理场,建立了LCR波渗透深度的有限元研究模型,仿真了LCR波的产生及传播过程,并且分析了槽型对LCR波及检测深度的影响。通过声时差与幅值变化幅度2个特征参数,得出矩形槽比梯形槽更适合用于校准换能器的检测深度。在此基础上,开展不同频率换能器检测深度校准试验,制定不同深度的矩形槽试块,分别校准了2.5、5、7.5 MHz频率下的LCR波渗透深度,并对2.5 MHz的实验结果开展不确定度评定。结果表明:2.5 MHz换能器的LCR波检测深度10次测量的平均值为2.85 mm,与标称值的误差为0.15 mm,合成标准不确定度为0.29 mm。研究结果对于校准不同频率下换能器检测深度及提高应力测量空间分辨率具有意义,并且可为LCR波渗透深度的经验公式提供实验参考。

45号钢腐蚀程度的超声非线性检测实验研究

腐蚀会显著降低金属零件的使用性能,检测金属零件的腐蚀程度对确保其安全使用具有重要意义。超声非线性技术已被应用于检测材料微损伤、残余应力和黏结状态等方面,其能否用于检测腐蚀程度倍受关注。本文搭建了基于超声非线性技术的临界折射纵波(criticalrefraction longitudinal wave,简称LCR波)混频检测系统,检测不同腐蚀程度的45号钢试件的非线性系数,随后根据超声非线性效应的机理结合材料的微观形貌对差频非线性系数的变化原因进行分析。实验结果表明:差频非线性系数对材料腐蚀程度十分敏感,随着45号钢试件腐蚀程度增加,差频非线性系数随之增加。超声非线性技术可以有效地实现对金属材料腐蚀程度的表征。

超声临界折射纵波定量评定合金钢近表层布氏硬度试验方法的研究

为了解决合金钢构件布氏硬度无损、在线、在役定量监/检测问题,构建并使用先进临界折射纵波参量试验装置,开展了超声临界折射纵波定量评定合金钢近表层布氏硬度的试验,测量超声临界折射纵波在合金钢标定试件上的传播特性参量,计算评定布氏硬度所需的检测参量,即声速及衰减系数。通过改变收、发探头前沿间距和标定试件的显微织构,观察上述变化对超声波传播特性参量的影响,遴选并评定合金钢标定试件布氏硬度敏感检测参量,建立了临界折射纵波定量评定45#钢标定试件近表层布氏硬度标定映射关系的数学模型,并验证其预测准确度。结果表明,试验所得的临界折射纵波检测参量对标定试件布氏硬度的敏感程度不同,声速与布氏硬度具有较强的关联性,且声速预测模型的测量误差为实际应用的10%,满足要求;而衰减系数不能作为评价合金钢近表层布氏硬度性能的检测参量。本研究为采用超声无损检测方法评定合金钢构件布氏硬度提供了一定的借鉴。

基于临界折射纵波法的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测

盆式绝缘子是GIS的关键绝缘器件,与两侧气室法兰通过螺栓进行紧固连接,当螺栓松动时会导致盆式绝缘子应力分布不均,从而影响GIS运行的安全性和稳定性。文中提出了一种基于超声临界折射纵波(L_(CR))的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测方法,根据L_(CR)波在盆式绝缘子法兰表面的传播声时差来反映螺栓松动情况。结果表明,当相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓之间的法兰表面声时差变化最大,且变化量大于24 ns;当不相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓正对的法兰表面声时差变化最大,且声时差变化量大于10 ns,并且螺栓松动程度越大,超声传播声时差变化量越大。该检测方法可实现对盆式绝缘子法兰螺栓松动的检测,判断螺栓松动数量及位置,具有一定的工程实用价值。

基于有限元模拟的超声应力系数标定及分析

应力系数的标定作为超声应力检测最为关键的环节,决定应力检测的精度。应力系数的传统试验标定对于被测物表面粗糙度、耦合剂厚度、声匹配块与被测物接触力等检测因素十分敏感。加之各影响因素之间的耦合作用,使得精确标定出应力系数愈加困难。文章提出把应力系数分为反映材料声弹性效应的基本值和考虑各类检测因素的影响值两部分,可能是当前较为实用的办法。基于有限元软件建立多物理场耦合的超声应力检测模型,施加不同的拉伸载荷,分析临界折射纵波到达时间与不同应力值之间的关系。结果表明:模拟标定45#钢的超声应力系数基本值为13.7 MPa/ns。同时通过4组单轴水平拉伸试验标定出检测因素影响值分别为1.0 MPa/ns、1.7 MPa/ns、2.8 MPa/ns和6.8 MPa/ns。在合理情况下,应力系数基本值直接决定应力系数的大小,检测因素对应力系数值的影响应该较小。检测因素影响值6.8 MPa/ns达到应力系数基本值13.7MPa/ns的49.6%,超出合理范围,观察发现这是声匹配块与被测面耦合后尚存在局部微小间隙的结果,可判定为无效数据。有限元模型在理想检测条件下模拟获得应力系数基本值,通过比较应力系数基本值和检测因素影响值,可以判断检测质量的优劣,减小应力系数标定数据的离散性,提高超声应力检测结果的可信度。

超声临界折射纵波测量应力的温度影响

超声临界折射纵波(LCR波)法是无损检测工作状态下结构应力的有效方法。超声LCR波法是敏感测量方法,温度直接影响超声波的传播速度,也会引起超声换能器的尺寸变化。根据超声波测量应力的基础理论-声弹性理论,分析声弹性系数和零应力下飞行时间与温度的定量关系,得到超声波测量应力的温度补偿公式,通过试验测量不同温度下超声LCR波飞行时间。结果表明温度对超声LCR波测量应力的影响归结于温度对超声LCR波传播声程的影响,温度越高超声LCR波传播的有效声程越长;设计的一发两收超声换能器可有效地消除声楔块和耦合剂的影响,将温度的影响程度降低至10%,可显著提高测量精度和稳定性;试验测量与理论计算得到的飞行时间与温度关系有着良好的一致性,充分验证了补偿公式的准确性。

超声测量非均匀应力场及应力梯度的研究

利用临界折射纵波对高强度7050-T7451铝合金预拉伸板中的不同位置的应力进行了测量,并对1MHz和5MHz频率的临界折射纵波在含有应力梯度材料中的传播规律进行了研究。结果表明:临界折射纵波的速度与材料中的应力具有较好的线性关系,能够用来对应力大小进行无损评价。温度和耦合条件是影响超声法应力测量的主要因素。温度不变时,不同部位的实测误差小于40MPa,在测量较高应力时,这一误差可以忽略不计。非均匀应力场的测量结果与实际应力分布基本一致。在含有应力梯度的材料中,1MHz临界折射纵波的速度变化大于5MHz临界折射纵波的变化,这说明不同频率的临界折射纵波能反映不同深度的应力。利用这一规律,将可能对材料中沿深度方向变化的近表面应力梯度进行超声无损评价。

轧辊表面残余应力测试方法的对比试验研究

轧辊体积大且辊面状态又不好,尤其是热轧辊的表面常有氧化膜和微裂纹,在测量时又不能损伤轧辊表面,因此,轧辊残余应力的测量较困难。为验证临界折射纵波法测轧辊表面残余应力的准确性,用超声波法、X射线法和盲孔法对同一试件进行了应力测量。对这3种测量方法所测得的结果进行比较后,评价超声波法的可靠性和有效性。试验结果显示:临界折射纵波法测试的应力值与X射线衍射法和盲孔法测试的结果具有较好的一致性。

L_(CR)波应力检测中互相关时延估计的误差分析

根据声弹性理论,将应力检测转化为超声波的传播时延估计,建立基于互相关时延估计的临界折射纵波(LCR波)应力检测系统。LCR波在发射、传播及接收过程中存在各种影响因素,这些因素导致接收到的LCR波波形及信噪比发生了较大变化。通过克拉美罗下界(CRLB)理论得到这些变化是限制时延估计精度的根本因素。利用MATLAB进行仿真验证,得到了不同的影响因素对时延估计精度的影响不同。

基于电磁加载的铝板应力超声检测

针对低应力条件下超声检测方法空间分辨率与检测精度相互制约的问题,提出了基于电磁加载的超声应力检测方案。通过对金属板进行电磁加载,将电磁应力与板内应力相叠加,间接增强声弹性效应,在保证应力测量精度的前提下缩短超声测量声程,使得应力检测的空间分辨率得以提高。设计了用于金属板材的电磁加载装置及配套的脉冲激励电源,基于有限元仿真分析了电磁加载系统对铝板的应力加载效果。搭建了铝板电磁加载实验平台,通过对比传统方法与电磁加载下超声应力检测的结果,验证了方案的可行性。

基于电磁加载的铝板残余应力在线检测方法研究

基于临界折射(longitudinal critically refracted,LCR波)纵波的声弹性效应原理,可以对金属内部残余应力实现无损测量,具有广阔的应用前景。然而,金属材料的组织状态结构与在役环境对临界折射纵波的传播机制及声弹性响应特性影响较大,导致在工程实际中金属残余应力的在役检测精度较低。针对该问题,提出采用电磁加载装置对金属板分别在线施以电磁拉力和电磁压力,对金属声弹性系数进行在线测量。基于LCR波速与应力之间的对应关系,同时考虑电磁力作用下的铝板弹性形变,推导金属声弹性系数和残余应力的在线计算方程,进而给出基于电磁加载的金属声弹性系数和残余应力的在线检测方法。通过对铝板进行电磁加载试验,实现对声弹性系数和残余应力的在线检测,实验测得的应力误差值约为4.8%,验证了残余应力在线检测方法的可行性。

纯铁低周疲劳表面/亚表面损伤临界折射纵波评价

金属材料构件表面/亚表面损伤严重降低构件的表面完整性。针对早期力学损伤的评价难题,研究了基于临界折射纵波(critically refracted longitudinal wave,LCR)的无损评价方法。以纯铁低周疲劳损伤为对象,分析其循环应力-应变响应及组织形貌演变,建立了LCR波归一化幅值与疲劳加载周次的对应关系,并与常规超声脉冲回波法对比分析。结果表明:对于薄片状试样,LCR波在测试过程中的稳定性显著高于常规超声脉冲回波法,且前者归一化幅值与加载周次呈单调递减关系,后者归一化幅值和超声衰减系数与加载周次关系并不单调,证实LCR波适于工程构件表面/亚表面力学损伤无损评价。

基于临界折射纵波无损评价激光熔覆层应力

基于临界折射纵波声弹性理论对激光熔覆层应力的评价方法进行研究.结果表明,激光熔覆层各向异性组织及层间界面是导致其临界折射纵波信号信噪比低、波形畸变程度大的主要因素,弹性极限内随应力的增大,临界折射纵波信号间时间差基本呈线性规律增大,当应力达到658 MPa时,再随应力的增大,时间差呈跳跃趋势变化,激光熔覆层各向异性组织引起的熔覆层不均匀塑性变形是导致上述结果的主要因素,且随应力的增大该影响程度亦逐渐增大.应力验证结果最大相对误差为4.5%,因而认为采用临界折射纵波法可实现激光熔覆层应力的无损评价.

基于临界折射纵波法的CFRP应力检测

研究了不同纤维方向与应力方向对复合材料声弹性关系的影响。为了在材料内部激励临界折射纵波,本文根据斯涅耳定律设计了超声入射楔块,并搭建了声时差检测系统。并使用搭建的系统分别测量了0°、45°单向铺设的两种试样在0°、45°和90°方向的声时差变化,得到了不同加载方向和纤维方向组合情况下,由CFRP材料内部应力与声时差表征的声弹性关系。

基于临界折射纵波的超声波应力测量方法

在对现有各种残余应力测量方法进行分析比较的基础上,提出基于临界折射纵波的超声波技术测量应力。采用一发两收的探头布置形式,对5%Cr圆板进行超声应力测量,同时与应用X射线衍射法和盲孔法测得的结果进行比较。试验证明了基于临界折射纵波的超声波应力测量法的可行性。

L_(CR)波切向应力检测系统的声时测量研究

该文提出了一种基于声弹性理论,利用临界折射纵波(LCR)从表面测量零件内部切向应力的实验方案,并依据固体中超声波传播特性与零件内部应力状态的关系,搭建了基于传播声时的切向应力测量系统。系统中临界折射纵波在被测零件内传播声时的测量采用"过零检测"方式,以减小由不同电子器件间性能差异所造成的测量误差,并利用时间-数字转换芯片实现高精度的时间间隔测量,从而提高整个系统的测量准确性。

用于铝板声弹性系数标定的电磁加载装置设计

基于临界折射纵波对金属材料进行应力无损检测具有广泛的应用前景,该检测技术中金属材料声弹性系数的标定尤为重要。目前金属材料声弹性系数标定方法主要是采用机械加载方式对金属材料进行拉伸测试,这种方法不适用于一些在役金属构件的声弹性系数的测量。针对上述问题,该文基于洛仑兹力的产生机理设计了一种用于铝板声弹性系数标定的电磁加载装置。采用二维仿真模型对装置进行了尺寸参数分析与选择,建立三维有限元仿真模型计算铝板轴向电磁加载力。搭建了电磁加载实验平台,测量电磁加载状态下铝板中临界折射纵波的传播时间并计算铝板中轴向应力平均值,实验结果与仿真结果基本一致,验证了电磁加载装置的可行性。

超声法焊缝残余应力检测技术研究

文中基于声弹性理论,研究临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal wave,LCR wave)残余应力检测原理,通过超声波传播速度的变化,反映出构件表面和内部的残余应力,从而验证采用LCR波检测构件中残余应力的关键技术,具体包括LCR波的激发、接收和后续处理。设计并制作了基于声时的残余应力检测实验系统。声时是整个测量系统中的关键量,其测量水平决定残余应力的测量精度。在实现过程中采用"一发一收"的探头布局模式,通过测量固定长度上声时传播的变化,分析残余应力的分布情况。

冷轧辊的超声应力检测

轧辊内部不均匀分布的残余应力是造成轧辊失效的原因之一,因此,定量无损测量轧辊内残余应力的分布状态非常重要。为提高检测精度,消除探头斜楔块与被测轧辊之间温度差异对检测结果的影响,采用一发两收模式,基于临界折射超声纵波,检测冷轧辊表面的残余应力。结果表明,超声应力检测技术可应用于冷轧辊表面残余应力检测。

焊接残余应力超声无损检测技术

基于声弹性理论,针对天然气输送管道焊缝残余应力检测问题,本文提出了一种检测新技术,并研制残余应力超声检测系统。该系统采用一发一收的探头分布方式,传感器沿着管道直焊缝放置,传感器吸附于管道外壁并在管道表面及亚表面激发出临界折射纵波,测得管道外壁沿着直焊缝处的焊接残余应力分布情况,并且经过实验验证该系统对管道焊接残余应力测量的可靠性。针对温度变化较大环境下的曲面材料的残余应力检测问题,提出了温度补偿技术和曲率补偿技术。