用於殘餘應力測量的方法
2023-06-05 18:31:16 3
專利名稱：用於殘餘應力測量的方法
技術領域：
本發明涉及一種用來測量金屬試樣中的殘餘應力的方法，其中藉助於一個超聲換能器把具有基本頻率的超聲入射波引入金屬試樣的表面中，超聲入射波藉助於一個入射波檢測器測量，而隨後的超聲出射波藉助於一個出射波檢測器測量，並且把超聲入射和出射波的測量值用來確定殘餘應力。
該方法特別適用和適合於以非破壞方式，使用超聲掃描技術來確定和測繪殘餘應力在整塊鋁板中的值和分布。儘管本發明將在下面相對於該用途解釋，但本發明不限於此，而是也可以用來測量其他機械或顯微結構參數，如晶粒尺寸分布或結構。
軋制鋁板經常用來製造複雜加工零件。由於與鍛或鑄鋁初級產品的結構和性能相比，軋制鋁板具有相當均勻和可預測的內部結構和機械性質，所以軋制鋁板的使用在航空器和航天工業中具有特殊意義。鋁板的製造是一個多步驟過程，並且包括鋁錠的鑄造、把鋁錠熱軋到通常高達275mm(毫米)的希望厚度、幾個熱處理步驟、及諸如延伸或冷壓之類的機械加工的施加。在製造過程的進行期間，應力形成在板中，其大部分通過熱處理和機械加工的施加除去。然而，一些殘餘應力可能保持在板中。依據殘餘應力的數值，板的完整性可能受到危害。例如，在由鋁板加工出複雜零件的過程期間，殘餘應力在加工操作的每個步驟之後釋放。這每次產生一些變形。這有時可能使加工的零件完全不適於打算使用的用途。對於由軋制鋁板加工的多種零件，例如在航空器建造中使用的那些，加工操作是一個複雜和漫長的過程。當已經消耗相當量的材料和生產時間時，經常發現由板中殘餘應力造成的變形。因此，非常重要的是，鋁板的生產者和最終用戶都能肯定在這些板中的殘餘應力處於最小。這通過使用能夠測量在整塊板中的殘餘應力、且適於在線使用的非破壞方法才是可能的。
有多種當前由板製造者使用以得到殘餘應力在每塊獨立板中的指示的試驗方法。在一種這樣的試驗方法中，從板的規定區域除去一個試樣，並且夾持在固定位置。通過加工從試樣除去規定厚度的幾層，並且在每個步驟，由一個偏角儀測量偏轉的數值。該方法的一個缺陷在於它是一種破壞性試驗。試樣僅能從靠近板端部的區域取出。另外，切削試樣將導致釋放一些應力。結果，試驗不會正確地代表整塊板。
另一種經常使用的方法是，由ASTM E 837-92規定的「用來通過鑽孔應變計法確定殘餘應力的標準試驗方法」。在該方法中，把三個應變計置於板上感興趣區域的上方，並且在應變計應變片的幾何中心鑽一個孔。用應變記錄儀器測量釋放的應變，並且諸結果與感興趣區域中的殘餘應力值有關。該方法的一個缺點在於其半破壞特點；它在試驗區域處留給板幾個淺孔，這可能影響板用於進一步處理。而且，為了估計殘餘應力在整塊板中的值，必須鑽多個孔；該過程不僅耗時，而且也影響板的未來使用。
有多種已知已經償試作為一種估計殘餘應力的工具的非破壞性試驗方法，但發現他們都不適於日常操作。一個例子是使用在ASTM E915-90中描述的X射線衍射技術。另一個例子是使用原來打算用來確定透明試樣中殘餘應力的光彈法，使用在ASTM C 978-87中描述的偏光顯微鏡和光滯後補償程序。兩種以上方法都需要精心的試驗室工作，並且試驗結果是不確定的。
而且金屬試樣的其他參數，特別是與試樣體積有關的參數，如晶粒尺寸分布和結構，通常通過取出在感興趣的點處的試樣樣品、並且進行離線試驗而確定，以建立感興趣參數的值。正象與殘餘應力測量有關所描述的，這些參數的確定也具有確定是離線的、破壞性的、耗時的及限於較小區域的缺點。
本發明的目的在於，提供一種用來在線非破壞地測量在諸如鋁試樣之類的整個金屬試樣中，特別是在整塊軋制鋁板中，的諸如晶位尺寸分布、結構及特別是殘餘應力之類的參數的方法。該目的通過一種方法實現，該方法的特徵在於，對於選擇的入射選通時間，計算被測超聲入射波和基本頻率的周期波的入射卷積積分值，並且在選擇的出射選通時間期間，計算被測超聲出射波和基本頻率的周期波的出射卷積積分值，及使用入射卷積積分和出射卷積積分的計算值確定殘餘應力。
為了該描述起見，把卷積積分定義成0w(t)p(x-t)dt]]>其中τ是選通時間，w(t)是被測超聲波，而p(t)是基本頻率的周期波。最好，為了簡單起見而不損害精度或靈敏度，對於x＝0計算積分的值。定義的卷積積分也稱作w(t)與p(t)之間的互相關。使用模擬電子計算電路或模擬計算機能計算卷積積分的值。然而，計算卷積積分值的較快和較通用的方法是使用數字計算機。在該情況下，以正常間隔抽樣檢測器的輸出，並且通過一個包括周期波在抽樣超聲波的相同間隔處的值的陣列，定義周期波。通過用選通時間內對應飛行時間的陣列的定義值乘以抽樣值並且求和相乘結果，能確定卷積積分的值。為了提高本發明的方法的靈敏度，至少出射選通時間具有不等於基本頻率周期的整數倍的長度。
本發明基於這樣一種新的發明性理解按照提出方法計算的卷積積分的值，對於具有與基本頻率的周期波的波長相對應的波長的出射波分量的相位角變化非常敏感。
按照物理術語表示，根據本發明的方法基於對選擇頻率的縱波的超聲衰減的測量，受到穿過試驗下試樣的厚度的、在選擇頻率範圍的超聲速度變化的的影響，並且把他們在一個其值對諸如要測量的殘餘應力之類的參數非常敏感的數學函數中相結合。
根據本發明的測量方法特別適於連續地進行。在測量整塊板上的殘餘應力的情況下，使用浸沒法能掃描整塊板，同時在線進行「殘餘應力因數」的測量。試驗結果可以以C掃描形式呈現，其中顯示殘餘應力的變化和分布。
用於衰減測量的一般程序是，把試樣放置在由超聲換能器產生的超聲波的槽中。需要至少兩個信號來計算衰減一個基準信號和一個以後出射發射的或回波信號，兩者都不飽和。其中在該描述中參考入射超聲波，這應該理解成包括任何基準信號或在超聲測量中通常使用的波。當使用接觸測量時，基準信號可能是早先的回波。對於諸如板段之類的試樣，使用浸沒法更實際，其中換能器和試樣都浸沒在通常是水的液體耦合劑中。對於基準(入射波)和返回(出射波)信號可以使用任意兩個回波。就厚部分而論，通常把入射表面信號用於基準信號，而把從背面反射的第一回波用作返回回波。這是因為就厚部分而論，多重來回反射對於精確測量太弱。
根據本發明的以上方法可以用來計算衰減係數，作為用於單頻率下殘餘應力測量的基礎。在實際中，超聲換能器不以單頻率操作，而是他們具有一個可用的頻率範圍。
提出的方法帶來另外的優點入射波和出射波通過卷積的處理，促使濾去基本頻率和除去寄生信號。
藉助於一個實施例得到本發明方法對靈敏度的改進，該實施例的特徵在於對於兩個對稱π/2移位的周期波，計算用於入射波和出射波的卷積積分的值，並且分別由出射卷積積分和入射卷積積分的計算值的平方和的平方根的比值，計算殘餘應力。
在該實施例中，最佳地利用在入射波和以後出射波中的信息內容。生成的比值對出射波具有等於基本頻率的頻率的分量的相位非常敏感。生成比值可以認為是出射波和入射波功率比值的第一量級近似。
易於實現的本發明方法的實施例，既帶有數字計算機又帶有電子模擬硬體，其特徵在於周期波是正弦波。
最好，為了處理入射波，周期波的振幅等於入射波的振幅，並且最好為了處理出射波，周期波的振幅等於出射波的振幅。
諸如正弦波、和當希望時還有餘弦波之類的周期波，能在數字計算機中定義為一個陣列，或者通過已知電子電路以選擇的高精度和希望的基本頻率產生。最好使用數字計算機進行計算。
本發明方法的另外一個實施例的特徵在於周期波具有在15與35MHz之間、最好在20與30MHz之間的基本頻率。
用來實現本發明方法的最佳頻率範圍，考慮到超聲換能器的性能和衰減係數對殘餘應力的靈敏度，在15與35MHz之間，最佳範圍在20與30MHz之間延伸。對於該範圍中的頻率，入射波的和出射波的抽樣間隔大約是0.01μsec(微秒)。這也是在定義周期波的陣列中連續點之間的間隔。
與使用超聲測量技術測量殘餘應力有關的一個問題是，衰減係數對殘餘應力的靈敏度出現在高於50MHz的超聲頻率下。在這些頻率下，由於較高的衰減，從諸如鋁板之類的厚部分壁難以得到可使用的回波或出射信號。對於鋁板的可用頻率或多或少地限於約35MHz，在該頻率下衰減係數對殘餘應力變化的靈敏度較低。把頻率降低到30MHz產生較小的衰減，儘管對殘餘應力的靈敏度下降。與使用速度測量來監視殘餘應力變化有關的困難在於殘餘應力在鋁板中的變化一般在10MP的量級，這將引起小至0.01mm/μsec的速度變化。對於典型的鋁板，這對應於約50毫微秒的飛行時間。當前可得到的超聲儀器一般不能測量這樣小的時間值，特別是在生產環境中。因此，速度測量不適於實際殘餘應力估計和描繪。
我們的發明方法使得有可能使用這樣一種超聲頻率，該頻率產生可使用的回波或出射信號，但在該頻率下直到現在還沒有由殘餘應力變化造成的實際飛行時間變化是可測量的。因為我們的發明方法對相位差非常敏感，並因此能在這些頻率下測量飛行時間變化，即殘餘應力。根據我們的方法的最佳範圍，在回波或出射信號的數值和由殘餘應力造成的飛行時間變化的意義上具有最佳值。
為了避免在入射波與返回波之間的幹擾，為了容易地進行結果的計算和顯示，及為了簡化用來實現該方法的設備構造，最好卷積積分的計算所基於的入射超聲波，是突發超聲波。
藉助於本發明的一個實施例，設備和方法的進一步簡化是可能的，該實施例的特徵在於選擇的入射選通時間等於選擇的出射選通時間。
當用數字計算機實現該方法時，只要定義一個選通時間，當使用電子硬體門實現該方法時，能減小不同項的數量。
驚奇的是已經發現，通過本發明的另外一個實施例能改進該方法的靈敏度和解析度，該實施例的特徵在於用於入射波和出射波的檢測器的電氣輸出的至少一個，在進行卷積之前被給以直流偏置。
還發現，入射選通時間的長度，及特別是出射選通時間的長度，也影響靈敏度和解析度。直流偏置、和選擇的選通時間或選通次數的長度的最佳值取決於基本頻率的值。機械或顯微結構參數對超聲波的衰減和飛行時間的影響是依賴於頻率的。因此，通過在一定頻率範圍內選擇正確頻率，根據本發明的方法能用來確定選中的機械或顯微結構參數，如晶粒尺寸分布、結構或殘餘應力。而且根據要確定的參數，能優化直流偏置和選通時間，特別是出射選通時間。
已經表明，當用這樣一種方法測量殘餘應力時，能得到非常靈敏和高解析度的測量，該方法的特徵在於當測量殘餘應力時，在入射波和出射波最大振幅的15與35％之間、最好在20與30％之間進行積分之前，用於入射波和出射波的檢測器的電氣輸出的至少一個給予直流偏移。
該方法的一個實施例對試樣用戶特別有益，該實施例的特徵在於金屬試樣由超聲換能器和/或檢測器掃描，以形成參數分布的平面視圖。
對於用戶，試樣一般是半成品，由該半成品他通過加工製成最終產品。平面視圖，特別是表示具有不同殘餘應力的區域的平面視圖，給用戶提供在加工的同時能考慮的信息，從而防止殘餘應力對最終產品的影響，或者至少能很大程度地減小該影響。
如以前解釋的那樣，根據本發明的方法提供了一種用來確定相位角，或者換句話說，確定飛行時間的非常靈敏的程序。然而飛行時間也受厚度的影響。由厚度變化造成的飛行時間變化一般能區別於由諸如殘餘應力之類的參數引起的飛行時間變化。在延伸鋁板的情況下，厚度的變化如果有的話，則跨過板平穩地行進，而由殘餘應力造成的飛行時間變化相當突然。這種差別能形成用來區分一種形式與另一種形式的標準。各種程序可以用來分開殘餘應力變化的飛行時間指示與厚度變化的飛行時間指示。在厚度跨過板平穩變化的情況下可用的一種方法，是基於運動平均程序的應用。在跨過板的厚度變化較不平穩、並且甚至可能掩蓋殘餘應力變化的情況下，可以採用數學濾波器。另一種可能性是進行第一次高解析度、高精度掃描以確定跨過板的厚度變化，並且進行以後掃描以確定殘餘應力或另一個參數，及在確定該參數的值時考慮在第一次掃描中測量的厚度。
下面描述實現該方法的一個非限制性例子。根據該方法，可以把鋁板以已知方式放入到一個浸液槽中，該浸液槽裝有超聲掃描設施，即一個掃描橋、換能器操縱器、及包括脈衝發生器、接收器、前置放大器和數字數據獲得與處理系統的必要電子裝置。具有例如15至25MHz頻率範圍的寬帶超聲換能器用來獲得A掃描數據。對於每個掃描增量，數位化整個A掃描。使用入射門和出射門，入射表面(基準)和來自板後壁的第一回波都能捕獲。
在基本頻率在20與30MHz之間的頻率範圍中和用於出射門和入射門的選通時間都在1與4微秒之間，對於在1-4mV之間的直流偏置得到良好結果。放大率保持在這樣一種電平，從而基準信號清晰地未飽和。在這种放大率下，為了得到可使用的後壁回波，一個硬體時間校正增益(TCG)系統用來把10dB至30dB的放大率僅施加到後壁信號上；這種附加的增益在衰減計算時考慮。包含基準和後壁信號的門的長度設置到一個允許由機械變化造成的時間的適當變化的值；這對於每個門在1.5微秒的量級。包含基準信號的門通過一個「負觸發」系統及時地跟隨基準信號；一個峰值檢測器用來恆定地檢測在希望幅值下的基準信號，並且通過「負觸發」，在信號開始升高之前實際觸發門。包含後壁信號的門跟隨前表面門。這兩個信號然後聯繫起來；這將使得系統僅處理感興趣的兩個信號，而避免其餘的A掃描，並因而減小處理時間。兩個信號都與一個適當頻率和振幅的周期正弦信號卷積，即對於每個信號，定義一個正弦和一個餘弦分量，並且計算卷積積分的值。
對於每個掃描增量，計算基準信號的和後壁信號的卷積積分的值。對於基準信號，當門中該信號的位置跟隨門位置時，相位角是恆定的。另一方面，對於後壁信號，基本頻率分量的相位角不是恆定的；如果由諸如由板中殘餘應力引起的之類的顯微結構變化造成板中超聲速度的改變，則相位角變化。後壁回波的到達時間直接與速度變化有關。該變化在本發明中使用的頻率下對應於50毫微秒。對於典型的鋁板，這對應於0.008mm/微秒的速度差，當測量衰減或速度時這僅有可忽略的影響。然而，在本發明中，飛行時間的典型變化和生成的相位偏移，將引起「殘餘應力因數」0至0.5cm-1的變化。在從板得到的C掃描中，使用上述方法，由128等級彩色或黑白調色板能方便地顯示「殘餘應力因數」的變化。生成的C掃描清晰地表示「殘餘應力因數」在整塊板中的分布。在最後的C掃描中，MP的殘餘應力的值通過應用一個公式表示，該公式使殘餘應力的值與「殘餘應力因數」的變化有關。通過把「殘餘應力因數」的值與通過破壞性試驗，即在從板相應區域取出的樣品上進行鑽孔或偏轉試驗，得到的值相比較，經驗地建立這種關係。這種關係具有對數關係的形式，這能相對於由以前描述的方法得到的值來校準。
為了測量殘餘應力因數，使用一個數字式超聲掃描系統，使用如下程序為了以周期方式模擬前表面波形和後表面波形，用如下特徵定義一個正弦陣列和一個餘弦陣列-在每個陣列中數位化點的數量-數位化來自前表面波和後表面波的超聲信號的抽樣間隔，例如0.01微秒。
-與前表面信號的中心頻率相對應的MHz的頻率，例如20MHz。
在模擬的以下步驟中，每個前表面波和後表面波由以前定義的正弦和餘弦陣列處理。結果是用於前表面和後表面波形的周期波形式的一個陣列。這按如下進行(FS-Sine)(前表面正弦波陣列)＝∑前表面波×正弦陣列(FS-Cosine)(前表面餘弦波陣列)＝∑前表面波×餘弦陣列(BS-Sine) (後表面正弦波陣列)＝∑後表面波×正弦陣列(BS-Cosine)(後表面餘弦波陣列)＝∑後表面波×餘弦陣列其中求和在整個選擇的選通時間上進行。
在以上過程之前，最好把一個在2-3mV之間的直流偏置引入到前和後表面波中。在模擬過程之後，對於前和後表面使用其相應正弦和餘弦陣列分量計算傅立葉項前表面的傅立葉項＝[(FS-Sine)2+(FS-Cosine)2]1/2＝AFS後表面的傅立葉項＝[(BS-Sine)2+(BS-Cosine)2]1/2＝BFS由傅立葉項計算殘餘應力因數rsfrsf＝[-Ln(AFS/BFS)+T常數]/距離其中T常數是一個代表聲在不同介質之間的每個邊界處的不完全發射的項。
參照附圖將說明在由根據本發明的方法所測量、計算、和呈現的殘餘應力與使用有限元法的計算之間的一致性。
在附圖中，
圖1表示測量和計算的跨過150mm厚軋制和延伸鋁板的殘餘應力分布，而圖2表示使用有限元法計算的圖1的板的一部分的殘餘應力。
圖1表示測量的殘餘應力分布，並且跨過150mm厚、1250mm寬及5500mm長的鋁板揭示。該板被軋制、熱處理和淬火，並且以後在殘餘應力測量之前延伸。在圖1中的字母以增大的字母表順序指示具有增大殘餘應力的區域。在圖中，僅指示較大的區域，僅把殘餘應力範圍劃分成有限數量的步長。
圖2表示用有限元法對由圖1的線A、B限定的板的右上角部所計算的殘餘應力。具有可比較殘餘應力的區域用相同的字母指示。
在有限元計算中，僅考慮由軋制和延伸造成的平面影響，忽略淬火的影響。這說明圖2中的區域c1和d1不平行於板的長側延伸、而是受限制區域的事實。考慮到這點，有限元計算的、和使用本發明方法的殘餘應力測量的結果，表現出非常好的一致性，並且證實該方法適於大試樣的在線、非破壞性殘餘應力測量。
圖3、4、5、6和7表示用根據本發明的方法測量的實際波形、處理數據和殘餘應力的顯示。
圖3表示入射、前表面波的和出射、後表面波的代表。前表面波和後表面波聯繫起來，以減小處理時間。進一步能看到前表面波和後表面波都已經偏移一個直流電壓。
圖4以擴展的時間刻度表示前表面波。由圖3和4能看到使用負觸發。
圖5以擴展的時間刻度表示後表面波。
以0.01微秒的抽樣間隔抽樣前表面波和後表面波。以相同的抽樣間隔定義正弦和餘弦陣列。
在圖3、4和5中，FSH代表全刻度高度。
圖6表示把本發明的方法分別應用於圖3和4的前表面波和後表面波、在寬頻率範圍上實現的結果。如能由圖6看到的那樣，在15MHz與23MHz之間的頻率範圍內，得到在這種情況下的最高靈敏度。在本例子中選擇的(抽取的)值是每長度單位0.0566，77。進行計算的電腦程式這樣形成，從而它在寬頻率範圍上既處理前表面波又處理後表面波。這具有程序可用於以不同頻率操作的超聲換能器的優點。
為了得到C掃描，掃描試驗下的板。對於每個掃描增量，如上述那樣處理前表面波和後表面波，並且如果希望，則在把結果供給到一個或多個電平比較器之後，能進行殘餘應力的C掃描。表示在試驗下的板上的rsf分布的這種C掃描表示在圖7中。
權利要求
1.用來測量金屬試樣中殘餘應力的方法，其中藉助於一個超聲換能器，把具有基本頻率的超聲入射波引入到金屬試樣的表面中，藉助於一個入射波檢測器測量超聲入射波，而藉助於一個出射波檢測器測量以後的超聲出射波，並且把超聲入射和出射波的測量值用來確定殘餘應力，該方法的特徵在於，對於選擇的入射選通時間，計算被測超聲入射波和基本頻率的周期波的入射卷積積分的值，並且在選擇的出射選通時間期間，計算被測超聲出射波和基本頻率的周期波的出射卷積積分的值，及使用入射卷積積分和出射卷積積分的計算值確定殘餘應力。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於對於兩個對稱π/2移位的周期波，計算用於入射波和出射波的卷積積分的值，並且分別由出射卷積積分和入射卷積積分的計算值的平方和的平方根的比值，計算殘餘應力。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其特徵在於周期波是正弦波。
4.根據以上權利要求任一項所述的用來測量鋁金屬試樣中殘餘應力的方法，其特徵在於周期波具有在15與35MHz之間、最好在20與30MHz之間的基本頻率。
5.根據以上權利要求任一項所述的方法，其特徵在於卷積積分的計算所基於的入射超聲波，是突發超聲波。
6.根據以上權利要求任一項所述的方法，其特徵在於選擇的入射選通時間等於選擇的出射選通時間。
7.根據以上權利要求任一項所述的方法，其特徵在於用於入射波和出射波的檢測器的電氣輸出的至少一個，在進行積分之前被給以直流偏置。
8.根據以上權利要求任一項所述的方法，其中檢測器的至少一個帶有一個電氣輸出，該方法的特徵在於當測量殘餘應力時，在相關波最大振幅的15與35％之間、最好在20與30％之間進行卷積之前，用於入射波和出射波的檢測器的電氣輸出的至少一個被給以直流偏置。
9.根據以上權利要求任一項所述的方法，其特徵在於金屬試樣由超聲換能器和/或檢測器掃描，以形成參數分布的平面視圖。
全文摘要
測量金屬試樣中殘餘應力的方法,其中用超聲換能器把具有基本頻率的超聲入射波引入到金屬試樣的表面中,用入射波檢測器測量超聲入射波,用出射波檢測器測量以後的超聲出射波,該方法對於選擇的入射選通時間,計算測量的超聲入射波和一個基本頻率的周期波的入射卷積積分值,在選擇的出射選通時間期間,計算測量的超聲出射波和一個基本頻率的周期波的出射卷積積分值,使用入射卷積積分和出射卷積積分值確定殘餘應力。
文檔編號G01L1/00GK1261434SQ98806517
公開日2000年7月26日 申請日期1998年5月15日 優先權日1997年5月15日
發明者阿爾弗雷德·喬漢·彼特·哈斯勒, 豪默斯·格哈傑裡 申請人:荷高文斯鋁軋製品有限公司