馬加濤,何攀聰,駱 琦,紀(jì)軒榮,袁懋誕

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006;2.廣州多浦樂(lè)電子科技股份有限公司,廣州 510663)

殘余應(yīng)力是消除外部機(jī)械載荷和不均勻溫度場(chǎng)之后,仍然存在于材料內(nèi)部的應(yīng)力[1]。焊接、鍛壓、切削加工、噴丸、熱處理等過(guò)程都會(huì)使材料產(chǎn)生不均勻塑性變形或者相變,導(dǎo)致殘余應(yīng)力的出現(xiàn)。殘余應(yīng)力,尤其是殘余拉應(yīng)力,一般情況下是有害的,會(huì)導(dǎo)致工件變形和尺寸不穩(wěn)定,產(chǎn)生應(yīng)力疲勞、加速應(yīng)力腐蝕等。因此,殘余應(yīng)力的精準(zhǔn)、可靠測(cè)量,對(duì)于完善工件的制造工藝和保證其安全使用有重要的意義[2-3]。

根據(jù)對(duì)工件的影響,金屬結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法可以分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。有損檢測(cè)主要原理是通過(guò)破壞工件進(jìn)行殘余應(yīng)力的釋放,通過(guò)測(cè)量殘余應(yīng)力釋放過(guò)程中的位移或者應(yīng)變來(lái)計(jì)算該工件中的殘余應(yīng)力。常見(jiàn)的有損檢測(cè)方法有鉆孔法、切條法等。無(wú)損檢測(cè)方法是利用工件內(nèi)殘余應(yīng)力引起的聲、光、磁等特性變化,借助專用儀器對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)方法主要包括壓痕應(yīng)變法、X射線衍射法[4]、磁測(cè)法[5]、超聲法等。與其他方法相比,超聲法不會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生破壞,操作簡(jiǎn)單,檢測(cè)效率高,且對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求低?，F(xiàn)有超聲應(yīng)力檢測(cè)根據(jù)所使用的波型可以分為體波法、臨界折射縱波法、表面波法和導(dǎo)波法等。HE等[6]使用臨界折射縱波對(duì)變截面不銹鋼工件的絕對(duì)應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量,并使用應(yīng)變片驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果。HU 等[7]通過(guò)有限元仿真優(yōu)選了非線性超聲表面波的檢測(cè)頻率,并實(shí)現(xiàn)了不同鋁合金的應(yīng)力測(cè)量。原帥等[8]研究了薄板結(jié)構(gòu)中不同模態(tài)蘭姆波對(duì)應(yīng)力的敏感程度,并對(duì)薄板多個(gè)位置進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)量,檢測(cè)誤差小于±15 MPa。

現(xiàn)有超聲應(yīng)力檢測(cè)研究主要在試驗(yàn)室環(huán)境下通過(guò)常規(guī)超聲檢測(cè)裝置進(jìn)行,設(shè)備的集成度低、便攜性差,無(wú)法滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)快速、靈活的檢測(cè)需求。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員陸續(xù)研制出更適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的便攜式超聲應(yīng)力專用檢測(cè)設(shè)備。STEPOMSKI等[9]分析了螺栓中超聲導(dǎo)波的多模態(tài)和頻散特性,并研制出了基于線性調(diào)頻壓縮技術(shù)的便攜式螺桿應(yīng)力檢測(cè)儀。華東理工大學(xué)李海權(quán)等[10]采用MSP430單片機(jī)結(jié)合使用直流升壓電路產(chǎn)生的高壓尖脈沖研制出基于臨界折射縱波的超聲應(yīng)力檢測(cè)儀,并通過(guò)聲彈性系數(shù)的標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了應(yīng)力測(cè)量的可行性。宋文濤等[11]將超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)和調(diào)控系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了工件應(yīng)力的自主調(diào)節(jié)與監(jiān)測(cè)。

雖然這些超聲應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備能夠滿足特定場(chǎng)景下的應(yīng)力檢測(cè),但實(shí)際檢測(cè)效果受環(huán)境溫度和耦合狀態(tài)的影響很大。溫度會(huì)引起傳播聲速和聲程變化,因此,通常需要通過(guò)溫度標(biāo)定進(jìn)行溫度補(bǔ)償[12-13]。此外,當(dāng)工件中存在應(yīng)力梯度時(shí),通常需要更換不同頻率的超聲探頭進(jìn)行不同深度的應(yīng)力測(cè)量。這會(huì)引起探頭與工件之間聲學(xué)耦合條件的改變,而超聲應(yīng)力測(cè)量設(shè)備需要對(duì)納秒級(jí)的時(shí)間變化進(jìn)行精確測(cè)量,因此,頻繁更換探頭會(huì)嚴(yán)重影響超聲應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確度。針對(duì)這些問(wèn)題,文章開(kāi)展了基于臨界折射縱波的四通道差分式超聲應(yīng)力檢測(cè)儀研制工作。通過(guò)設(shè)計(jì)組合式超聲探頭實(shí)現(xiàn)4個(gè)不同頻率的超聲激勵(lì),并通過(guò)雙通道接收的差分方式自動(dòng)補(bǔ)償溫度對(duì)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果的影響。最后利用所研制儀器對(duì)鋁合金與鈦合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定和應(yīng)力測(cè)量分析。

1 差分式臨界折射縱波應(yīng)力測(cè)量原理

超聲應(yīng)力測(cè)量的基本原理是聲彈性效應(yīng)。最早由HUGHES和KELLY推導(dǎo)出介質(zhì)內(nèi)彈性波聲速與應(yīng)力的關(guān)系[14],不同模式超聲對(duì)應(yīng)力的敏感程度不一,而臨界折射縱波是所有模態(tài)中對(duì)應(yīng)力最敏感的模態(tài)[11,15]。當(dāng)材料內(nèi)存在應(yīng)力且在材料的彈性極限以內(nèi)時(shí),超聲臨界折射縱波沿著應(yīng)力方向傳播的速度隨應(yīng)力大小改變,其相互關(guān)系為

式中:v0和v分別為無(wú)應(yīng)力和有應(yīng)力狀態(tài)下臨界折射縱波的傳播速度;σ為材料中的應(yīng)力;k為聲彈性系數(shù),與材料的彈性常數(shù)相關(guān)。

式中:λ和μ為材料拉梅常數(shù),代表其二階彈性模量;m和l是材料的三階彈性模量。

對(duì)式(1)求導(dǎo)得

由于應(yīng)力對(duì)超聲波傳播速度的改變非常小,可以認(rèn)為v≈v0,因此,聲速變化可近似為一階無(wú)窮小,將式(3)簡(jiǎn)化為

若測(cè)得應(yīng)力狀態(tài)下臨界折射縱波傳播速度的改變量dv,代入式(4)則可以算出應(yīng)力值σ。若臨界折射縱波的傳播距離固定為L(zhǎng),對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間為

此時(shí)工件中的應(yīng)力變化可表示為

由式(5)可知,被測(cè)工件中應(yīng)力大小與聲波傳播時(shí)間變化呈線性關(guān)系。因此,可以通過(guò)臨界折射縱波的聲時(shí)差實(shí)現(xiàn)應(yīng)力測(cè)量。

由于材料中的聲速和聲程還會(huì)隨著環(huán)境溫度變化,且這種變化量在超聲應(yīng)力測(cè)量中不可忽略,為了盡量避免溫度對(duì)應(yīng)力測(cè)量的影響,采用一發(fā)兩收方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雙接收式臨界折射縱波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,其工作時(shí),超聲在楔塊中以第一臨界角斜入射,可在被測(cè)材料中激勵(lì)出沿近表面?zhèn)鞑サ呐R界折射縱波,此時(shí)根據(jù)斯涅爾定律,入射角即第一臨界角為

式中:v l1和v l2分別為楔塊和被測(cè)材料中的縱波聲速。

沿結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑サ呐R界折射縱波被兩個(gè)接收探頭以同樣角度接收。當(dāng)兩接收探頭之間的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí),其聲波傳播時(shí)間隨之變化。探頭1和2接收到臨界折射縱波的時(shí)間t1和t2分別為

式中:L1為發(fā)射探頭與接收探頭間的距離;L2為雙接收探頭的距離;L0為楔塊內(nèi)部聲程。

雙接收探頭的時(shí)間差Δt為

假設(shè)當(dāng)溫度T發(fā)生變化時(shí),楔塊與被測(cè)試件中聲速都會(huì)隨之發(fā)生線性變化,溫度系數(shù)分別為αl1和αl2,則單探頭接收與雙探頭接收兩種情況下,時(shí)間隨溫度變化可分別表示為

由于楔塊中聲速的溫度系數(shù)通常大于被測(cè)金屬材料的溫度系數(shù),采用雙探頭接收的差分式檢測(cè)系統(tǒng)可以大幅度降低溫度對(duì)聲時(shí)的影響。且僅需考慮雙接收探頭的距離L2,而不用考慮發(fā)射與接收楔塊中的超聲傳播路徑,從而避免了實(shí)際聲程不確定帶來(lái)的計(jì)算誤差。此外,聲程的準(zhǔn)確測(cè)量可以在測(cè)量范圍改變時(shí)快速確定應(yīng)力系數(shù),無(wú)需重新進(jìn)行應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定。

此外,臨界折射縱波的傳播深度與超聲波的頻率有關(guān),其經(jīng)驗(yàn)公式為D=V×f-0.96,其中V為被測(cè)材料的縱波聲速;f為臨界折射縱波的檢測(cè)頻率[11]。因此,基于上述一發(fā)兩收方式,調(diào)整激勵(lì)探頭的頻率,可以實(shí)現(xiàn)L2區(qū)域中不同深度的應(yīng)力測(cè)量。因此,文章將發(fā)射探頭設(shè)計(jì)為四頻率組合式探頭,分別激勵(lì)4個(gè)晶片產(chǎn)生不同頻率的臨界折射縱波信號(hào),檢測(cè)信號(hào)被兩個(gè)寬帶探頭同時(shí)接收,從而在無(wú)需更換超聲探頭的前提下實(shí)現(xiàn)不同頻率下的應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定與應(yīng)力測(cè)量。

2 四通道超聲應(yīng)力檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)常見(jiàn)金屬材料的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)時(shí),應(yīng)力導(dǎo)致的聲時(shí)差變化為納秒級(jí)別,因此,應(yīng)力檢測(cè)儀的采樣率至少需要達(dá)到109Sa·s-1。同時(shí),為了滿足不同厚度工件和不同深度的應(yīng)力測(cè)量,儀器的頻率設(shè)計(jì)為0.5～20.0 MHz,對(duì)應(yīng)激勵(lì)信號(hào)脈沖寬度為25～1 000 ns,與常規(guī)超聲探傷儀參數(shù)接近。由于檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)楔塊與被測(cè)工件衰減為毫伏級(jí)別,需要放大電路將其放大至可被采集卡接收,放大電路增益設(shè)計(jì)為0～110 d B。

設(shè)計(jì)的應(yīng)力儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要包括主控制器、超聲檢測(cè)電路、輸入輸出設(shè)備和電源等模塊。為提高應(yīng)力儀的集成度,應(yīng)力儀以FPGA 為主控單元(采用INTEL公司Arria Ⅴ系列),該元器件屬于工業(yè)級(jí)應(yīng)用產(chǎn)品,片上有1.9×105個(gè)邏輯單元,18個(gè)收發(fā)器,3個(gè)鎖相環(huán),384個(gè)通用I/O(輸入/輸出)接口;外圍硬件包括晶振,JTAG(聯(lián)合測(cè)試工作組)接口、EPCS(串行存儲(chǔ)器)和EPCQ(四串行存儲(chǔ)器)、SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)和SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。輸入輸出設(shè)備包括顯示屏、USB接口和鍵盤。儀器主機(jī)采用插入式電源適配器和鋰電池兩種供電方式,以適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。

圖2 基于FPGA的超聲應(yīng)力檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖

2.2 超聲檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

應(yīng)力儀的檢測(cè)電路系統(tǒng)主要包括超聲激勵(lì)電路、信號(hào)處理和接收電路等。該儀器由4條相同超聲激勵(lì)電路組成,用于激勵(lì)發(fā)射探頭的4個(gè)晶片。為了提高回波信號(hào)的幅值穩(wěn)定性和分辨率,應(yīng)力儀通常使用負(fù)方波激勵(lì)發(fā)射探頭[16-17]。由于激勵(lì)探頭的負(fù)方波信號(hào)所需電壓較高,同時(shí)為了縮短下降沿時(shí)間,因此,場(chǎng)效應(yīng)管Q1選擇耐壓值大、開(kāi)關(guān)速度快的BSZ42DN25NS3-G,場(chǎng)效應(yīng)管Q2 型號(hào)為TP2424。所選用場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為UCC27524,包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道,能夠提供驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2所需的大電流。設(shè)計(jì)的超聲激勵(lì)電路在輸出端可以輸出最大幅值為400 V 的負(fù)方波信號(hào),同時(shí)可以通過(guò)FPGA控制電路使負(fù)方波的脈沖寬度(可調(diào))為25～1 000 ns。

臨界折射縱波信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)介質(zhì)通過(guò)接收探頭進(jìn)入信號(hào)處理電路。為了將接收到的信號(hào)中的高壓信號(hào)與放大電路隔離,保護(hù)放大電路,利用二極管的單向?qū)щ娦?在放大電路的輸入處設(shè)置了雙向限幅電路。接收到的超聲信號(hào)電壓幅值一般為毫伏級(jí)別,為了避免其淹沒(méi)在環(huán)境噪聲中,需要放大電路對(duì)其進(jìn)行放大。放大電路由3個(gè)AD603放大器組成,AD603單片可調(diào)最大增益為42 d B,可以通過(guò)外界電阻改變帶寬和增益大小。為實(shí)現(xiàn)所需0～110 d B的增益,前兩級(jí)放大電路程控增益調(diào)節(jié)范圍為0～40 d B,第三級(jí)程控增益調(diào)節(jié)范圍為0～30 d B。

應(yīng)力檢測(cè)要求高采樣率以滿足微小渡越時(shí)間的測(cè)量,該儀器選用ADC08D的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集,其采樣率高達(dá)1 GHz,能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為分辨率為8 bit的數(shù)字信號(hào)。由于ADC08D為差分采集,因此還需利用差分放大器AD8330設(shè)計(jì)單端轉(zhuǎn)差分放大電路,從而將經(jīng)過(guò)高通和低通濾波電路的單端信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘?hào)。

2.3 應(yīng)力儀程序設(shè)計(jì)

應(yīng)力儀的程序設(shè)計(jì)包括硬件邏輯程序和操作軟件兩部分。硬件邏輯程序使用硬件描述語(yǔ)言Verilog進(jìn)行編寫,開(kāi)發(fā)軟件為Quartus,同時(shí)可作為硬件電路驅(qū)動(dòng)部分硬件,包括脈沖激勵(lì)、AD轉(zhuǎn)換器和顯示屏等。操作軟件由C++編寫,用來(lái)控制所有的硬件設(shè)備,并實(shí)現(xiàn)應(yīng)力檢測(cè)功能。檢測(cè)過(guò)程中,應(yīng)力儀將兩個(gè)接收探頭接收到的臨界折射波信號(hào)在屏幕上進(jìn)行顯示,該顯示界面如圖3所示,調(diào)整閘門大小和位置框選頭波信號(hào)后,儀器分別獲取閘門內(nèi)信號(hào)幅值出現(xiàn)的時(shí)間,得到所需的聲時(shí)差Δt,同時(shí)顯示和記錄測(cè)量得到的應(yīng)力值σ。

圖3 四通道應(yīng)力儀界面

2.4 四頻率發(fā)射探頭的設(shè)計(jì)與制備

設(shè)計(jì)并制備了適配檢測(cè)儀的四頻率組合式超聲發(fā)射探頭,該探頭的結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖4所示。其主要包括匹配層、4個(gè)并列排布的不同頻率的壓電晶片(晶片頻率分別為0.50,2.25,5.00,7.50 MHz)、吸聲材料、阻尼塊、電纜線和外殼等,探頭封裝后的探頭尺寸為20 mm×13 mm×16 mm(長(zhǎng)×寬×高)。在實(shí)際應(yīng)力檢測(cè)工程應(yīng)用中,探頭的各晶片頻率和尺寸可以根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的厚度和深度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)整。文章所設(shè)計(jì)0.50 MHz主要用于驗(yàn)證應(yīng)力儀在低頻范圍的激勵(lì)效果,為工程實(shí)踐中厚板應(yīng)力測(cè)量提供技術(shù)支撐,而2.25,5.00,7.50 MHz為超聲檢測(cè)的常用工作頻率。在測(cè)量過(guò)程中,應(yīng)力儀分別激勵(lì)該探頭的4個(gè)晶片,能夠在不更換探頭的前提下使被測(cè)介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生不同頻率的臨界折射縱波,避免應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中更換探頭所導(dǎo)致的位置和耦合誤差。

圖4 四頻率探頭結(jié)構(gòu)示意與實(shí)物

3 檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 不同頻率臨界折射縱波的激勵(lì)

對(duì)儀器的硬件與軟件整體調(diào)試之后,則需要對(duì)4個(gè)不同頻率的臨界折射縱波進(jìn)行激勵(lì)和測(cè)試,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)對(duì)不同材料的應(yīng)力系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,再對(duì)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,以評(píng)估檢測(cè)儀的整體性能。為保證探頭的準(zhǔn)直和耦合,文章設(shè)計(jì)和制作了相應(yīng)滑軌和夾持裝置,該裝置可以根據(jù)工件尺寸和應(yīng)力分布情況進(jìn)行探頭和楔塊位置的調(diào)整和固定,兩接收探頭最小間距為15 mm,試驗(yàn)中相對(duì)位置設(shè)置為60 mm,以驗(yàn)證儀器的均勻應(yīng)力標(biāo)定與測(cè)試效果。

首先,選用7 N75鋁合金試件進(jìn)行臨界折射縱波的激勵(lì)試驗(yàn),工件尺寸為25 mm×25 mm×155 mm(長(zhǎng)×寬×高,下同),其縱波聲速為6 260 m·s-1。楔塊選用的材料為聚苯乙烯,該材料中的聲速為2 337 m·s-1,根據(jù)式(6)計(jì)算得到臨界折射角約為22°。檢測(cè)儀激勵(lì)發(fā)射探頭,信號(hào)經(jīng)過(guò)該工件傳播后,接收探頭接收到的各頻率超聲信號(hào)如圖5所示。從圖5可以看到,4個(gè)頻率均可以在25 mm 厚的鋁板中產(chǎn)生臨界折射縱波,且到達(dá)時(shí)間接近,但各頻率的能量峰值到達(dá)時(shí)間不一致,而且頻率越低,其偏差越大,尤其是0.5 MHz晶片,說(shuō)明對(duì)有限厚度金屬板,下邊界的限制會(huì)產(chǎn)生一定程度的頻散現(xiàn)象。為有效地在結(jié)構(gòu)中激勵(lì)臨界折射縱波,所激勵(lì)的臨界折射縱波波長(zhǎng)需要遠(yuǎn)小于試件的結(jié)構(gòu)厚度。同時(shí),隨著頻率的增加,由于超聲信號(hào)的衰減增大,接收信號(hào)的幅值也隨之減小。因此,需要適當(dāng)控制臨界折射縱波激勵(lì)探頭與接收探頭之間的距離。

圖5 鋁板中不同頻率的臨界折射縱波信號(hào)

3.2 臨界折射縱波應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

為實(shí)現(xiàn)超聲應(yīng)力測(cè)量,首先需要對(duì)材料的應(yīng)力系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。為獲得準(zhǔn)確應(yīng)力,通常使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的拉伸機(jī)精確地產(chǎn)生均勻拉伸載荷,得到標(biāo)準(zhǔn)拉伸應(yīng)力。文章通過(guò)拉伸機(jī)對(duì)均勻薄板試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸,如圖6所示。受限于拉伸機(jī)夾持尺寸,拉伸試件厚度約為6 mm,試件材料為7N75鋁合金和TC4鈦合金,尺寸分別為400 mm×44.5 mm×6.22 mm 和400 mm×45.4 mm×6.44 mm。此外,由于0.5 MHz晶片在該厚度薄板中會(huì)產(chǎn)生大量蘭姆波信號(hào),難以分離出臨界折射縱波信號(hào),但根據(jù)超聲應(yīng)力檢測(cè)原理,臨界折射縱波的應(yīng)力系數(shù)僅與材料性質(zhì)有關(guān),在應(yīng)力系數(shù)確定后,可以利用0.5 MHz晶片對(duì)厚度超過(guò)12 mm 的金屬板進(jìn)行實(shí)際應(yīng)力檢測(cè)。故文章僅對(duì)2.25,5.00,7.50 MHz 3個(gè)頻率進(jìn)行臨界折射縱波應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定和測(cè)試。

圖6 應(yīng)力儀的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及拉伸試件

在應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)中,使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)工件進(jìn)行拉伸,每次測(cè)量點(diǎn)不少于10個(gè),每個(gè)應(yīng)力狀態(tài)保持不少于3 min,使用應(yīng)力儀記錄雙接收探頭所采集信號(hào)的聲時(shí)差。重復(fù)上述過(guò)程4次,最終得到3個(gè)頻率的拉應(yīng)力與聲時(shí)差的關(guān)系如圖7所示。為綜合考慮探頭耦合、頻率、人為操作等因素的影響,對(duì)所有的標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,擬合得到的直線斜率即為對(duì)應(yīng)材料的聲彈應(yīng)力系數(shù)?？芍?7N75鋁合金的聲彈應(yīng)力系數(shù)為2.640 MPa/ns,TC4鈦合金的聲彈應(yīng)力系數(shù)為5.658 MPa/ns。

3.3 應(yīng)力測(cè)試及誤差分析

將應(yīng)力系數(shù)輸入到超聲應(yīng)力儀中,分別對(duì)7N75鋁合金和TC4鈦合金進(jìn)行拉伸和應(yīng)力測(cè)試,將加載獲得的拉伸應(yīng)力與超聲應(yīng)力儀測(cè)量得到的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比,分析超聲應(yīng)力儀的測(cè)量誤差。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,可以看到,超聲應(yīng)力儀的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力數(shù)據(jù)基本吻合。其中,7N75鋁合金的應(yīng)力檢測(cè)誤差最大為20.6 MPa,TC4鈦合金的應(yīng)力檢測(cè)誤差最大為24.1 MPa,都在±30 MPa以內(nèi),證明了所研制的超聲應(yīng)力儀可以準(zhǔn)確地測(cè)量鋁合金和鈦合金的應(yīng)力。

圖8 鋁合金及鈦合金的超聲應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

基于臨界折射縱波的聲彈性效應(yīng)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)不同深度應(yīng)力的超聲檢測(cè)方法進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)并研制了差分式四通道超聲應(yīng)力檢測(cè)儀,并對(duì)鋁合金和鈦合金試件進(jìn)行了應(yīng)力系數(shù)測(cè)量和應(yīng)力測(cè)試,得到以下結(jié)論。

(1) 以FPGA為主控單元設(shè)計(jì)了超聲應(yīng)力檢測(cè)儀,同時(shí),利用程序控制放大器實(shí)現(xiàn)0～110 d B的高增益范圍可調(diào),配合高達(dá)1 GHz的采樣芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)超聲信號(hào)納秒級(jí)時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量。

(2) 設(shè)計(jì)了四頻率組合式超聲激勵(lì)探頭,該探頭可以在不改變耦合條件和探頭位置的情況下實(shí)現(xiàn)不同頻率的測(cè)量,為不同深度殘余應(yīng)力檢測(cè)提供技術(shù)支撐。

(3) 基于雙寬帶接收探頭設(shè)計(jì)了差分式四通道應(yīng)力儀,可以減少環(huán)境溫度帶來(lái)的聲速和聲程誤差。

(4) 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,對(duì)鋁和鈦合金薄板的殘余應(yīng)力檢測(cè)誤差在±30 MPa以內(nèi),能夠滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)量需求。