残余应力的超声波检测与校准_徐春广

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)，
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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
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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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）。
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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