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螺栓轴力超声波测量技术中残余轴力的测量方法储火;石小岗【摘要】为了研究超声波测量技术中残余轴力测量方法.基于螺栓轴力超声波飞行时间特性曲线,提出一种无需拆卸螺栓的特性曲线法,并与目前实验室常用的将螺栓拆卸后测量残余变形的拆卸法进行了实验比较.特性曲线法能够很好地应用于螺栓残余轴力监测,其测量精度与拆卸法相当,较真实残余轴力值偏小.【期刊名称】《精密成形工程》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】6页(P119-124)【关键词】螺栓;超声波;残余轴力【作者】储火;石小岗【作者单位】泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201;泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201【正文语种】中文【中图分类】TH131.3螺栓连接是汽车设计中最常见的螺纹紧固连接形式，合理的螺栓轴力是螺栓连接的主要设计目标。
螺栓的真实轴力在螺栓实际服役工况下很难准确测量，所以在螺栓的实际应用中一般通过测量其他量来间接得到螺栓轴力[1]。
为控制和检测螺栓拧紧时的预紧力和服役状态下的应力状态，目前螺栓轴力测试方法主要有扭矩扳手法、电阻应变片电测法、光折射方法、磁敏电阻传感器测量法、超声波测量法等。
扭矩扳手法中，螺栓螺纹面和支承面的摩擦因数具有离散性大，测量误差较大的特点；电阻应变片电测法[2]、光折射方法和磁敏电阻传感器法的设备复杂和工作条件苛刻，目前主要应用于实验室条件下的测量和分析[3]；随着超声波无损检测技术和设备的发展进步，超声波测量螺栓轴力技术在汽车工业得到了越来越广泛的应用。
许昆朋等[4]基于螺栓夹紧力和超声波测量的基础理论，介绍了螺栓夹紧力超声波测量的工程应用优势和价值，何存富等[5]研究了扭转剪应力对螺栓紧固应力声弹性测量的影响。
随着螺栓制造工艺及拧紧技术的进步，塑性区紧固法已得到越来越多的应用。
这种方法是将螺栓拧紧到屈服点以上，进入塑性区，以实现对材料强度的充分利用[6—7]。
螺栓在日常服役过程中，外部载荷作用也可能使螺栓发生屈服。
KW-4C 铁路数字式超声波检测仪直探头校验法直探头校准（单晶探头）根据声速和探头零点的已知情况，确定校准步骤。
若声速未知，则应先进行声速校准；若声速已知，则跳过声速校准，调节声速为已知声速后用一点法进行探头零点校准。
1、已知材料声速校准步骤：（1）材料声速设置为已知材料声速，（2）把探头耦合到校准试块上，（3）设定闸门逻辑为单闸门方式，即设为进波报警或失波报警逻辑，把闸门套住一次回波，此时声程测量的就是一次回波处的声程，（4）调节探头零点，使得状态行的声程测量值（S）与试块的已知厚度相同，此时所得到的探头零点就是该探头的准确探头零点。
2、未知材料声速校准步骤：（1）先初步设定一大概的声速值；（2）调节闸门逻辑为双闸门方式；（3）将探头耦合到一个与被测材料相同且厚度已知的试块上；（4）移动闸门A的起点到一次回波并与之相交，调节闸门A的高度低于一次回波ZHUI高幅值至适当位置，闸门A不能与二次回波相交；（5）移动闸门B的起点到二次回波并与之相交，调节闸门B的高度低于二次回波ZHUI高幅值至适当位置，闸门B不能与一次回波相交；（6）调节声速，使得状态行显示的声程测量值（S）与试块实际厚度相同，此时，所得到的声速就是这种探伤条件下的准确声速值。
（7）设定闸门逻辑为单闸门方式，即设为进波报警或失波报警逻辑，此时声程测量的就是一次回波处的声程；（8）调节探头零点，使得状态行的声程测量值（S）与试块的已知厚度相同，此时所得到的探头零点就是该探头的准确探头零点。
材料声速未知，设置接近的材料声速为5920m/s，设置闸门逻辑为双闸门方式，同时探头零点设置为0；将探头耦合到50mm的标定试块上，并将闸A门调到与一次回波相交的位置，将B闸门调到与二次回波相交的位置。
超声波在仪器仪表校准中如何提高校准效率在当今的工业生产和科学研究中，仪器仪表的准确性和可靠性至关重要。
而校准工作则是确保仪器仪表性能的关键环节。
超声波作为一种先进的检测技术，在仪器仪表校准中发挥着越来越重要的作用。
如何充分利用超声波技术提高校准效率，成为了一个值得深入探讨的课题。
首先，我们需要了解超声波校准的基本原理。
超声波是一种频率高于20kHz 的机械波，它在介质中传播时具有良好的指向性和穿透能力。
在仪器仪表校准中，通常利用超声波的传播速度和反射特性来测量距离、厚度、液位等参数，并与标准值进行比较，从而实现校准。
要提高超声波在仪器仪表校准中的效率，选择合适的超声波设备是关键。
市场上的超声波校准设备种类繁多，性能各异。
在选择时，需要考虑校准的精度要求、测量范围、工作环境等因素。
例如，对于高精度的仪器仪表校准，应选择具有高分辨率和低测量误差的超声波设备；而对于恶劣的工作环境，如高温、高压、腐蚀等条件，需要选择具有相应防护等级和耐用性的设备。
优化校准流程也是提高效率的重要途径。
在进行超声波校准时，可以事先制定详细的校准计划，合理安排校准顺序和时间。
例如，对于多个需要校准的仪器仪表，可以按照其重要性和使用频率进行排序，优先校准关键设备。
同时，在校准过程中，应尽量减少不必要的操作步骤，提高工作的连贯性和流畅性。
此外，提高操作人员的技能水平对于提升校准效率也至关重要。
操作人员需要熟悉超声波校准设备的操作方法和工作原理，掌握正确的测量技巧和数据处理方法。
定期进行培训和技术交流，让操作人员了解最新的校准技术和行业标准，能够有效地提高他们的工作效率和校准质量。
在校准过程中，数据的准确采集和处理是非常重要的环节。
采用先进的数据采集系统，能够快速、准确地获取超声波测量数据。
同时，利用高效的数据处理软件，对采集到的数据进行自动分析和计算，减少人工处理的时间和误差。
例如，通过软件可以实现对数据的自动筛选、拟合和统计分析，快速得出校准结果。
螺栓超声波检测标准
螺栓超声波检测是常用的无损检测方法之一，其原理是利用超声波遇到障碍时的反射和折射现象来判断缺陷的大小和位置。
以下是螺栓超声波检测的步骤和标准：
1. 检测前准备：确保螺栓表面清洁，无油污、锈蚀等影响检测结果的因素。
2. 确定检测参数：根据螺栓规格和检测要求，选择合适的超声波探头、频率和耦合剂等参数。
3. 检测操作：将超声波探头放置在螺栓表面，调整探头位置和角度，使超声波束垂直于螺栓轴线方向，然后进行扫描。
4. 缺陷识别：根据超声波仪器荧屏上显示的波形和波幅大小，判断是否存在缺陷。
常见的缺陷包括裂纹、气孔、夹杂等。
5. 记录与报告：对检测结果进行记录和整理，编写检测报告，包括检测人员、检测日期、螺栓规格、检测参数、缺陷描述及处理建议等信息。
对于螺栓超声波检测的标准，不同的国家和地区可能有不同的标准。
例如，在欧洲，常用的标准是EN 《金属材料无损检测超声检测》。
在国内，常
用的标准是GB/T 《无损检测超声检测螺栓、螺钉和螺柱的超声检测方法》。
需要注意的是，对于不同类型的螺栓和不同的应用场景，可能需要采用不同的检测方法和标准。
因此，在实际应用中，应根据具体情况选择合适的检测方法和标准。
.. 超声波仪器直探头的校准直探头校准：材料声速和探头零点。
超声波直探头的校准：以TUD300配置的直探头为例，它是一个频率2.5MHz, 直径20mm 的单晶探头。
1.采用探头校准校仪器：（自动校准）此功能键在收发功能键中。
1）校准需要两个和测量物体相同的材质且厚度已知的试块。
假设一个25mm ，另一个100mm 。
（用CSK-1A 试块宽100mm 、厚度25mm 。
）2）初步设定一个声速5920m/s ，将探头零点设定0.调整闸门为单闸门，闸门逻辑正或负。
3）调节探头范围为150mm ，大于100mm 这样能穿透工件有回波。
4）将耦合剂涂在25mm 厚的试块上耦合直探头，仪器上出现回波，移动闸门与一次回波相交，然后，调到探头校准功能菜单，按确认键确认声程值，同时探头校准菜单内出现一个数字，调节拨轮使该数字与试块厚度相同即25mm 。
5）用同样的方法测100mm 厚的试块，使该数字与试块厚度相同即100mm 。
6）再按确认键完成自动校准。
此时仪器的材料声速、探头零点被自动调整为准确数值。
2.未知材料声速直探头的校准：1）先设定一个大概的声速值5920m/s 。
同时，探头零点设为0。
2) 假设一个已知厚度100mm 的工件。
（用CSK-1A 试块宽100mm 。
）3）调节闸门逻辑为双闸门，及A 、B 闸门同时出现在液晶屏上。
4）将直探头耦合在100mm 的试块上，仪器上出现回波，移动A 闸门与一次回波。
相交，并低于回波最高幅值至适当位置，A 闸门不能与二次波相交5）以同样方法移动B 闸门与二次回波相交，并低于回波最高幅值至适当位置，B 闸门不能与一次波相交。
此时，状态栏中显示一个声程值。
6）调节声速使该声程值与试块实际厚度相同100mm 。
所得的声速就是准确声速。
7）然后，调节闸门逻辑为单闸门A 闸门，移动A 闸门与一次波相交，此时，状 态栏中显示一个声程值。
8）调节探头零点使该声程值与试块实际厚度相同100mm 。
螺栓应力测量的超声波法综述@2l』31994INFORMATIONONE!￡Q垦?21?螺栓应力测量的超声波法综述华北电力学院王璋寺梁立德威郭铁桥7~t3t,3摘要全面介绍丁超声波螺拴预紧力的测量方法,讨论影响测量精度的主要因素,井给出了饪正补偿的方法.最后结合电力系统的具体情况,指出了此方法在ca;-中应用时必须解决的几个理论和技术难点.关键词螺棰预应力超声波剐量温度补偿●——,.一——一J._—一些进展4.本文垒面介绍了超声波螺检1引言螺拴是工程中普遍应用的一种联接方式,施加于其上的预应力对于联接件的性能,寿命都有很大影响.如在法兰联接的螺检中,如果预紧力过大,就会导致垫片压渍,法兰变形过大等机械损伤;反之,若螺栓预紧力不足,不但会引起泄漏,而且还会加剧联接部件的振动,造成接口松脱等故障.在电厂中,由于不能很好地控制汽轮发电机组中大轴联接螺栓的预紧力,导致大轴弯曲而诱发汽轮发电机组轴系的振动.同样,在管路中则会造成高压气体的泄漏.因此,在工程中对螺栓预紧力控制的必要性是众所周知的.但是,由于许多难以预测的因素直接影晌着螺检预紧力精度的控制,在现场安装过程中如何精确地控制预紧力的大小,以及如何对在役螺栓预紧力进行监测,一直是一个亟待解决的问题.传统的控制螺栓预紧力的工具,如扭力扳手,液压拉伸器等部局限于安装时预紧力的控制,并且离散性很大.至干监测在役螺栓的剩余预紧力则完垒是不可能的.在过去的十多年内,国外提出了一种新的监测控制螺栓预紧力的方法——超声波螺检应力测量法Cl32.国内在此方面也儆了一些理论和实验研究工作,取得了一预紧力的测量方法,讨论影响测量精度的主要因素,并给出了修正补偿的方法.最后结合电力系统的具体情况,指出了此方法在电厂中应用时必须解决的几个理论和技术难点.2螺栓应力测量的原理螺栓应力测量的原理是声弹性理论在工程中的应用.根据声弹性理论的观点,固体中的声速与应力有关.这种关系一般来说是非线性的,但在工程应用的精度范围内,以进行应力分析测量为目的时,把它近似为线性处理是完垒可行的.根据实际测量时的超声波的类型不同,超声波螺栓应力测量有以下两种基本方法..2.1超声纵波测量法把螺栓的应力状态看成单向应力状态.如果用表示螺栓中无应力(=0)时的超声纵波传播速度,表示螺栓应力(o->O)时的超声纵波传播速度, 由声弹性理论可知(p0,z,,均为材料常数)V=()(1)P.1一(2)p2^十厶u22?电力情报1994或—(3)式(3j中的"一"表明沿张应力方向传播的超声纵波速度随着应力增_大而减小.A为比例系数.另外.由于应力的作用.螺栓的长度也有变化,此变化对超声波在螺栓中传播的时蒯有影响.若用,J和L分别表示=0和>0时螺栓的长度,则::一I(4)丁—E假定超声纵波沿螺检垒长往返一次所需要的时间在0和>0时分别为t和f,于是有:(5)r==V㈦0(1一)而相对时间变化率:==1Af00一理论分析和实验测量都表明,A是很小的,且A《1,故可近似假定1一A≈1,若令K=1/E+A,则得:一At:K或:(8)^此式表明,螺检中的正应力与超声纵波在其中传播时间的相对变化量成正比. 在用理论或实验确定了螺栓材料参数后,就可由实测的超声纵波传播相对时闷变化量Af/f.确定螺栓中的应力值.2.2超声纵横波测量法在超声纵波测量螺栓应力的过程中,需要知道无应力时螺栓的长度(或传播时间),这对工程中已紧固好的螺栓来说是很难办到的.超声纵横渡测量方法可避开此难点.假定螺栓为单向应力状态,则超声纵,横渡在螺栓内沿轴向传播的速度分别为:()_(1丽UP)烈^十J.(卜('(-_盯)VTo((10'式中的下标T,L分别表示横波和纵波.下标0和口表示无应力状态和应力状态.由式(9),(10)可推得:c(等哇(?_2)式中比例系数K,K可由实验测定,这样只要能测得超声波传播时问的相对变化量就可由式(I1)(I2)分别计算出螺栓内张力大小.但必须知道无应力状态下超声波在其中的传播时间.在这里引入参数N.和N一并且定义:Ⅳ.Do一等''L于是由式(11),(12)可推得:oN)/(JvKl—N0KT)(13)此式中,N与材料有关,可通过理论计算得到,也可由实验测定.在用实验方法测定时,对于同一批螺栓仅傲一次实验就可确定.在实际测量中,只要测得超声纵波在螺栓中的传播时间f和超声横渡在螺栓的传播时间f就可由式(13)确定螺栓中的应力岳3王璋奇等:螺栓应力测量的超声波祛综述?23? 3影响测量精度的因素在用超声波测量螺检应力时,其精度要受到很多因素的影响,除了测量系统本身的误差外,还有以下几个方面的影响必须予以考虑,以采取措施消除它们对测量精度的影响.3.1试件几何参数的修正工程实际中联接件螺检的几何形状如图l所示(各符号意义见图).图1螺栓和螺纹形状示意目围2螺栓的At/t--~r由线一般来说,在螺纹部分和螺杆部分螺检内的应力沿轴向分布是不均匀的,因此,由前面公式(8)或(13)求出的都是平均值.若要知遭螺杆部分的应力,则必须引入形状因子,它与螺纹类型及螺检尺寸参数有关.修正后螺杆部分的应力可表示为(超声纵渡测量法和超声纵横波测量法中几何修正参数相同):K=K.一N)/(ⅣKL—N0KT)(14)确定形状因子的方法有近似计算法和实验法.(1)用近似理论确定形状因子从理论上可得到形状因子的近似计算(15)共中:(争)(1ann孚+tann孚)+(e+e2)]1r3.7/d(1+1.2s/df)12i【—而_J(2)用实验法测定K,对同一螺栓改变e1+e2的长度,量绘制变化前后超声波(横渡,纵波均可) 的声应力曲线,即At/f—曲线(如图2所示),由两组曲线的斜率M和M就可求得K的值.在实验数据处理时,为了方便起见,把K的计算公式(15)改写成::0其中:L..=争)(tanh孚+tanh孚)】Liz=争)..)这样便得到:1LAt,tfⅡ0卉一2式公蝻-24一即:古击由此可解得:fl8)r19)=㈣,,M/MH,一式中:,_0=,_0+,_1',_D:.,_D+,_12把实测得到的M,M和,_,,_代入此式则可得,_再将,_..和实测得到的有关数据代入式(16)即可求得形状因子.总的来说,用实验得到的形状因子与理论计算结果相差很小,又由于实验测定方法中,△,/f—的曲线斜率(,M)对形状因子影响很大,故在确定斜率(,)时必须倍加小心.因此,在一般实测中,建议采用理论近似公式计算,而实验掼4定法则用于精度校核. 3.2温度对测量精度的影响温度和应力对超声波的速度都有影响.当O-:0时,超声波速度只受温度的影响,这一影响是由于温度对弹性常数及材料密度的影响所致.弹性常数与温度之间的关系是由晶格的非谐振性所制约的, 直接与材料的高阶弹性常数有关.由声弹性理论可推知:超声渡的传播速度与温度成线性关系,于是,当温度由参考温度r, 变化到测定温度r,时,无应力状态下,试件的长度和声速分别为:L0(一L0(r,0)【l+(r,一T0)](21)0(一V0(r,0)【1+p(T—T0)J(22)式中下标"0"表示无应力状态,为温度对超声波速度的影响系数,为材料的热胀系数.由此可推知,温度变化所引起的超声波(以纵波为例)在试件中传播的时问相对变化量:J:k/~)6T(23)当应力≠0时,由应力,温度变化所引起的超声波(以纵波为例)在试件中传播的时间相对变化量:^【=(一口)△T+Ko-(24)f0.从理论上讲.式中应为,的函数,但通过实验发现,在温度变化大时.随r,的变化非常小,几乎可以略去不计. 故这里可以认为与r,无关.由式(23),(24)可看出温度对超声波法测量螺栓应力的精度有很大影响,对于钢制螺栓,温度每变化1℃将会引起大约7MPa应力误差.在实际测量中必须考虑温度的修正问题.超声波传播时间与温度变化之闻的关系为线性关系且在温度变化不大的情况下.它与应力大小无关. 也就是说温度变化对△f/f—o-关系的曲线斜率几乎没有影响而仅对它的零点有影响.但必须注意,当温度变化较大时,必须考虑温度对的影响.此时,温度不仅影响△f/f—o-曲线的零点.同时也要影响它的斜率这种情况下如何修正还有待进一步研究.33应力状态的影响在前面的讨论中,我们假定螺拴中的应力是均匀分布的单轴应力.但实际中, 由于螺栓结构的限制,或外加载荷的原因,而不能保证单轴应力的条件,此时则必须加以修正.在大多数情况下,由于能够近似满足单轴应力条件,故不需要考虑应力状态的影响.当螺栓中有扭转剪应力时,单轴应3亡常奇等:螺检应力测量的起波法综述'25 力的条件不能满足,但实验研究表明,扭转势应刀对趟卢波在螺拴中传播律影响很小,实洲中可略去不计.其它应力状各对螺拴中超声波传播规律的影响程度问越较复杂,还有待1:进一步探|寸..4超声螺栓应力测量法在电厂中均应用前景据我们所知,还没有电厂应用超声波应力测量控制和监测螺栓中的预应力究其原因,不仅因为超声波应力测量珐是一种才面世不久的新技术,更重要的是电厂用螺栓还有许多特殊的问题有侍于人们去解决.前面已经讲到,温度对超声波应力测量的精度影响很大,在温度变化不大的情况下可以假定温度变化对At/一曲线斜率没有影响,而仅影响它的零点位置.不难发现,由于电厂中工作部件的温度都很高,很难满足"温度变化不大"的条件,因而在高温情况下如何修正和补偿温度变化对测量精度的影响是人们用超声波应力测量法监控电厂用螺栓预应力时必须解决的一个难题.电厂用螺栓声弹性系数,高阶弹性系数的测量数据很难找到,这也是限制此方法应用的另一个原因.于是,对这类材料的声弹性系数,高阶弹性系数进行测量是必要的.r-电厂所用螺栓,由于工作环境舶恶劣性和载荷的复杂性,很难满足"单轴应力条件".因此必须研究应力状态对超声波传播规律的影响问题,以便对测量结果进行修正补偿.在仪器设备方面,国内还没有成熟的技术设备可供电厂使用.已有的结果大多都是在实验室或者利用现有的超声波测量仪,配合示波器进行测量呵供选用的探头种类也较少,且应用范围受限.在电厂使用必须解决高温测量问题,研制在高温环境下能正常工作的探头(现有的探头,在1o0℃左右,性能就变得很差).另外,研究专用的小型便携式高精度超声波螺栓测量装置也是非常必要的.在成功解决上述几个主要问题之后.把超声波螺拴应力测量技术应用到电厂中,将会取得巨大的经济效益.它可以使操作人员精确控制汽轮发电机组联接螺栓的预应力,以提高机组运行的可靠性,延长寿命.控制监测汽缸盖的固定螺栓,以及热力管道联接件等的预应力,可以撼少泄漏,提高热效率.所有这些对于电厂能安垒生产,减少意外事故都具有重要意义.参考文献1HFukuokaeta1.AcoustvelasticStressAnalysisofResidualStressinaPatch—WeldedDisk. ExpMech,l987(7)2JDeputatUltrasonicTechniqueforMeasuring StressinScrews.9thWorld.ConferenceonNDT,19793BEGordonMeasurementofAppliedand ResidualStressesUsinganUItrasonic InstrumentationSystem.ISATransaction.1980(2)t.4冉启芳等用超声波方法测量螺栓应力.固体力学1982(I)5吴克成淋水深螺栓应力超声测量方法的改进华中工学院,1988(I)6何存富,吴克成温度对螺栓紧固应力超声测量的影响研究实验力学,l993(3)(修改稿日期:]993-1卜24)。
超声波探伤仪校准方法
超声波探伤仪的校准方法主要包括以下步骤：
1. 校准前的准备：确保探伤仪、标准试块和测量设备的完好性，同时要调整好背景和照明系统，确保测试环境符合要求。
2. 入射点的测试：调节探伤仪的发射强度，使被测探头阻尼值接近其等效阻抗值。
然后在声束方向与试块侧面积保持平行的条件下滑动探头，使试块
R100mm圆弧面的第一次回波幅度最高。
调节衰减器使回波幅度为垂直刻
度的50%，在得到R100mm圆弧面的最高回波时，读取与该圆弧中心记号对应的探头侧面的刻度，作为入射点，读数精确到。
3. K值的测试：折射角γ或K值变化直接影响超声波进入工件角度和波传播，为后续缺陷定位提供有效数据支撑，因此在探头使用前和使用后均需分别测量两参数值。
4. 校准后的确认：完成校准后，需要检查探伤仪的性能是否正常，如有问题应及时处理和调整。
需要注意的是，具体的校准步骤和方法可能因不同的仪器和标准而有所差异，因此在进行校准时应遵循相应的标准和规范，以确保测试结果的准确性和可靠性。
螺栓超声波测轴力原理
螺栓超声波测轴力原理是利用超声波测量螺栓的拉力或压力的一种方法。
超声波是一种高频声波，可以穿透物体并反射回来。
当超声波穿过螺栓时，会产生一个回波信号，这个信号的强度和螺栓的轴力有关。
通过分析回波信号的强度和时间延迟，可以确定螺栓的轴力大小。
螺栓超声波测轴力的优点是非侵入式、无需拆卸螺栓、无需人工干预等。
它可以在实际使用时进行螺栓轴力的监测，保证了设备的安全运行。
同时，由于超声波可以穿透大多数材料，因此该方法适用于不同类型的螺栓，包括高强度螺栓和复合材料螺栓。
螺栓超声波测轴力也有一些局限性，例如必须在螺栓上加装超声波传感器，需要对传感器进行校准和定位，仪器价格较高等。
但是，这些局限性相对于传统的螺栓检测方法来说仍是较小的。
因此，螺栓超声波测轴力将在工业领域中得到广泛应用，成为一种重要的螺栓检测手段。
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