本发明一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法属于超声检测技术领域，涉及一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法。该方法采用了耦合剂直接耦合的造波方式，超声波经单一耦合剂介质，直接入射至被测材料，采用的直耦造波式超声探头为“一发双收”的应力测量模式。首先设计并组装直耦造波式超声探头，将组装后的直耦造波式超声探头放置到被测材料的表面，并保持测量基面与表面充分接触。耦合剂经由阀口被稳定注入到耦合剂空腔中，形成超声波直接传播通路，进行表面残余应力超声检测。该方法同时完成造波与耦合，超声波传播界面少，保证了接收信号质量，提高了信噪比。采用的应力测量模式，保证声时差计算精度，提高了测量空间分辨率。
1.一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法，其特征是，该方法采用了耦合剂直接耦合的造波方式，超声波经单一耦合剂介质，直接入射至被测材料，采用的直耦造波式超声探头为“一发双收”的应力测量模式，有利于保证声时差计算精度；方法的具体步骤如下：第一步设计并组装直耦造波式超声探头
直耦造波式超声探头的结构设计：在探头基体(5)上分别加工安装发射换能器(2)、第一接收换能器(3)和第二接收换能器(4)的圆孔和螺纹孔，应保证直耦造波式超声探头入射轴线(a)、第一接收轴线(b)和第二接收轴线(c)均与测量基面(s)的法向成第一临界角θ，且三个轴线设计在同一平面内；第一临界角θ需满足如下条件，式中，v1为超声波在耦合剂中的传播声速，v2为超声波在被测材料中的传播声速；
入射轴线(a)与第一接收轴线(b)呈镜面对称；第一接收轴线(b)与第二接收轴线(c)平行，并保证第一接收轴线(b)与第二接收轴线(c)间的测量距离d，在探头基体(5)上分别加工有三个阀口(6)；
组装：采用的直耦造波式超声探头为“一发双收”的结构形式，即“一发”为发射换能器(2)，“双收”由第一接收换能器(3)和第二接收换能器(4)完成；将发射换能器(2)、第一接收换能器(3)和第二接收换能器(4)分别沿入射轴线(a)、第一接收轴线(b)和第二接收轴线(c)嵌入安装到探头基体(5)中，并分别用螺栓组件(1)进行紧固，即完成直耦造波式超声探头组装；
将组装后的直耦造波式超声探头放置到被测材料(7)的表面(f)，并保持测量基面(s)与表面(f)充分接触；采用的耦合剂直接耦合造波方式，在外部压力条件下，耦合剂经由阀口(6)被稳定注入到耦合剂空腔(e)，形成超声波直接传播通路；
第三步采用直耦造波式超声探头进行表面残余应力超声检测，
首先，发射换能器(2)按照一定频率发射脉冲式超声波(C)；在表面(f)形成临界折射纵波；同时，第一接收换能器(3)和第二接收换能器(4)分别采集获得具有一定时延的第一接收临界折射纵波(D)和第二接收临界折射纵波(E)；进行波形相关包络分析，计算获得第一接收临界折射纵波(D)和第二接收临界折射纵波(E)的声时差Δt；将声时差Δt带入如下公式，计算获得测量距离d间的表面残余应力σ＝B(Δt-Δt0) (2)
式中，B为声弹性常数，Δt0为测量距离d间的无应力状态声时差；实际测量时，声弹性常数B和无应力状态声时差Δt0需经实验标定获得。
一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于超声检测技术领域，特别涉及一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法。
背景技术
[0002] 残余应力检测已成为重大装备制造和服役过程中不可或缺的重要环节之一。应力超声检测法因其具有对被测件无损伤、测量效率高、装置结构简单、便携操作等优点，可满足于面向现场环境检测的迫切需求，发展潜力大。
[0003] 基于临界折射纵波的应力超声检测是测量获得零件表面残余应力的主要手段，其中构造高可靠的临界折射纵波是核心环节，亦称为造波技术。常规造波方法大多采用有机玻璃楔块实现该类波型造波，即楔块造波。为保证有机玻璃楔块与被测件间的声阻抗匹配，需在探头-楔块、楔块-被测材料结合面间涂抹大量耦合剂，或者将探头及被测件整体浸入耦合剂中。实际测量中，发射换能器发出的超声波需经过“耦合剂-楔块-被测材料”介质间的多重界面才能到达接收换能器。多界面引起的超声波能量损失较大，从而造成接收到的超声信号质量差，声时信号的信噪比低，声时差计算误差增大，显著影响应力的测量精度。另外，这种楔块造波方法产生的多界面能量衰减对于较高频率超声波传播是不能忍受的，进而阻碍了通过提高超声频率以改善测量精度的方法尝试。通过打破换能器与被测材料间的楔块阻碍，采用耦合剂直接造波，称为直耦造波。减少传播界面数量，提高声时信号的信噪比，为探索一种新的超声临界折射纵波的造波及表面残余应力高精度检测方法提供了可行性。
[0004] 2008年，丁杰雄等在发明专利CN101121741A中公开了一种临界折射纵波测构件内部切向应力的辅助装置，实现了可变角度楔块造波，但额外增加的界面会加剧超声衰减；2013年，王晓等在发明专利CN103543206A中采用了一种水浸耦合的方式进行铝合金拉伸板残余应力的检测，然而该方法无法满足大型板件测量要求。
[0005] 上述方法或装置均未提及基于直耦造波的表面残余应力超声检测方法。
发明内容
[0006] 本发明主要解决的问题是克服现有方法的不足，针对常规楔块造波方式下超声波多界面传播易导致声能衰减快、声时信号信噪比差的问题，发明一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法。该方法采用了耦合剂直接耦合的造波方式，超声波经单一介质-耦合剂，直接入射至被测材料，减少了超声传播路径的介质界面数量，有利于抑制超声信号能量衰减，显著提高了超声信号的信噪比；采用“一发双收”的应力测量模式，有利于保证声时差计算精度，提高了测量空间分辨率；超声测量探头结构简单、体积小、便于操作。
[0007] 本发明采用的技术方案是一种直耦造波的表面残余应力超声检测方法，其特征是，该方法采用了耦合剂直接耦合的造波方式，超声波经单一耦合剂介质，直接入射至被测材料，采用的直耦造波式超声探头为“一发双收”的应力测量模式，有利于保证声时差计算精度；方法的具体步骤如下：
[0008] 第一步设计并组装直耦造波式超声探头
[0009] 直耦造波式超声探头的结构设计：在探头基体5上分别加工安装发射换能器2、第一接收换能器3和第二接收换能器4的圆孔和螺纹孔，应保证直耦造波式超声探头入射轴线a、第一接收轴线b和第二接收轴线c均与测量基面s的法向成第一临界角θ，且三个轴线设计在同一平面内；第一临界角θ需满足如下条件，
[0010]
[0011] 式中，v1为超声波在耦合剂中的传播声速，v2为超声波在被测材料中的传播声速。
[0012] 入射轴线a与第一接收轴线b呈镜面对称；第一接收轴线b与第二接收轴线c平行，并保证第一接收轴线b与第二接收轴线c间的测量距离d，在探头基体5上分别加工有三个阀口6；
[0013] 组装：采用的直耦造波式超声探头为“一发双收”的结构形式，即“一发”为发射换能器2，“双收”由第一接收换能器3和第二接收换能器4完成；将发射换能器2、第一接收换能器3和第二接收换能器4分别沿入射轴线a、第一接收轴线b和第二接收轴线c嵌入安装到探头基体5中，并分别用螺栓组件1进行紧固，即完成直耦造波式超声探头的组装；
[0014] 第二步注入耦合剂
[0015] 将组装后的直耦造波式超声探头放置到被测材料7的表面f，并保持测量基面s与表面f充分接触；采用的耦合剂直接耦合造波方式，在外部压力条件下，耦合剂经由阀口6被稳定注入到耦合剂空腔e中，形成超声波直接传播通路；
[0016] 第三步采用直耦造波式超声探头进行表面残余应力超声检测，
[0017] 首先，发射换能器2按照一定频率发射脉冲式超声波C；在表面f形成临界折射纵波；同时，第一接收换能器3和第二接收换能器4分别采集获得具有一定时延的第一接收临界折射纵波D和第二接收临界折射纵波E；进行波形相关包络分析，计算获得第一接收临界折射纵波D和第二接收临界折射纵波E的声时差Δt；将声时差Δt带入如下公式，计算获得测量距离d间的表面残余应力σ，
[0018] σ＝B(Δt-Δt0) (2)
[0019] 式中，B为声弹性常数，Δt0为测量距离d间的无应力状态声时差；实际测量时，声弹性常数B和无应力状态声时差Δt0需经实验标定获得。
[0020] 本发明的有益效果是本发明提出的耦合剂直接耦合的临界折射纵波造波方法，同时完成造波与耦合；超声波传播界面少，保证了接收信号质量，提高了信噪比。采用“一发双收”的应力测量模式，有利于保证声时差计算精度，提高了测量空间分辨率。超声测量探头结构简单、体积小、便于操作。附图说明：
[0021] 附图1为直耦造波式超声应力测量原理图；附图2为探头整体装配图；其中，1-螺栓组件，2-发射换能器，3-第一接收换能器，4-第二接收换能器，5-探头基体，6-阀口，7-被测材料，a-入射轴线，b-第一接收轴线，c-第二接收轴线，d-测量距离，e-耦合剂空腔，f-被测材料表面，s-超声探头测量基面，θ-第一临界角；
[0022] 附图3为超声发射与接收信号图，其中C-脉冲式超声波，D-第一接收临界折射纵波，E-第二接收临界折射纵波，Δt-声时差。具体实施方式：
[0023] 结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。
[0024] 直耦造波式超声探头关键参数及其组装：采用纯水作为耦合剂，被测材料为5052铝合金；常温20℃条件下，超声纵波在纯水中声速为1497m/s、在5052铝合金中声速为6320m/s，带入方程(1)计算第一临界角θ为13.70°；测量距离d为19mm；超声探头各部分的几何关系如附图1所示。发射换能器2、第一接收换能器3和第二接收换能器4分别沿入射轴线a、第一接收轴线b和第二接收轴线c嵌入安装到探头基体5中，并分别由螺栓组件1进行紧固，完成直耦造波探头的装配，附图2为探头整体装配图。
[0025] 直耦造波的表面残余应力超声检测方法：首先将超声探头测量基面s与被测材料表面f充分接触；将耦合剂经由阀口6注入耦合剂空腔e中；在超声发射装置调控下，发射换能器2按照一定频率激发出脉冲式超声波C；超声波C经耦合剂入射至被测材料7，在表面f形成临界折射纵波，传播过程如图1所示。第一接收换能器3与第二接收换能器4实时进行超声信号的接收，接收信号分别为第一接收临界折射纵波D和第二接收临界折射纵波E，如附图3所示。对第一接收临界折射纵波D和第二接收临界折射纵波E进行波形相关包络分析，计算获得两个纵波的声时差Δt为5862.1ns。
[0026] 将被测材料5052铝合金制成8mm厚标准拉伸试件，在材料拉伸机进行阶梯形式的拉伸，标定获得公式(2)中的声弹性常数B＝3.9479MPa/ns，测量距离d间的无应力状态声时差Δt0＝5845.2ns。将声时差Δt＝5862.1ns带入公式(2)中，计算获得测量距离d＝19mm间的表面残余应力σ＝66.72MPa。
[0027] 本发明提出的耦合剂直接耦合的临界折射纵波造波方法，通过耦合剂同时完成造波与耦合；超声波传播界面少，保证了接收超声波的信号质量；“一发双收”的超声探头结构紧凑，便于操作。
