一种超声波残余应力检测系统及测量方法与流程

1.本发明涉及焊接残余应力检测领域，具体公开了一种超声波残余应力检测系统及测量方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.焊接是工业生产中最重要的一种连接方式，焊接质量决定着焊接产品质量，由于焊接残余应力过大引起的焊接接头破坏是最主要的焊接破坏。焊接接头的残余应力无损检测对生产实践中优化焊接工艺具有非常重要的指导作用。残余应力的无损检测方法主要有中子衍射法、同步辐射法、磁粉法、x射线衍射法和超声波检测法。其中，超声波法是近几年来发展最快的残余应力无损检测方法，具有测试速度快、无辐射、设备轻便、成本较低等优点。
4.超声波法测量残余应力属于间接性测量，超声波中的临界折射波(lcr波)波速对应力的变化反应比较敏感，是超声波测应力主要应用的波形之一。其主要检测理论是：相同的传播距离下，测得临界折射纵波在零应力样中的传播时间t0(零应力传播时间t0)和临界折射纵波超声波在待测样中的超声传播时间t，二者之差直接反应待测样的残余应力值。在对焊接部位进行超声波残余应力测试时，不仅待测样中沿超声波传播方向的残余应力会影响临界折射纵波的波速，还有很多影响因素也会对波速产生影响，影响因素主要包括与超声波传播方向垂直的残余应力、待测样中的微观组织(加工过程中造成的材料晶粒大小的不一致、材料织构以等现象)、超声探头与待测样表面的耦合压力。有些影响因素对超声波传播速度的影响甚至与焊接残余应力对超声波传播速度的影响在同一个数量级，严重影响超声波残余应力测试方法的测试精度，限制了超声波残余应力测试法的发展。而且，材料组织差异也会导致激发临界折射纵波的第一临界角不同，现有技术用基于母材计算出的第一临界角检测待测焊件不同区域的残余应力必然存在较大测量误差。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的发明目的是提供一种超声波残余应力检测系统及测量方法，该超声波残余应力检测系统及方法可对待测焊件进行声各向异性检测和衰减度测试，可实现同一测量区域不同方向残余应力检测，从而得到测试区域的二维平面应力场，而且该系统可减小材料组织效应影响，大大提高超声波检测法的测量精度。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明的实施例提供了一种超声波残余应力检测系统，包括残余应力检测单元、声各向异性检测单元和衰减度测试单元；所述残余应力检测单元包括发射探头和接收探头；
8.所述的衰减度测试单元的纵波平探头；所述的声各向异性检测单元包括横波探头；所述的发射探头、接收探头、纵波平探头和横波探头均与多通道超声卡和数据处理中心
电连接；所述数据处理中心包括：
9.数据库模块，包括材料的晶粒度u与纵波信号衰减度m的关系数据库、零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库、声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库、第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库；
10.所述的取向方位角确定模块，通过声各向异性检测单元的检测结果确定待测焊件的声主轴方向和超声波残余应力检测的取向方位角；
11.纵波衰减度计算模块，通过衰减度测试单元的测试结果，调用数据库模块中晶粒度u与纵波信号衰减度m的关系数据库，计算待测焊件测试区域的晶粒度；
12.残余应力计算模块；通过纵波衰减度计算模块得到的晶粒度和取向方位角确定模块确定的取向方位角，调用第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，确定第一临界角，并将所述第一临界角传给残余应力检测单元调节超声探头角度，进行残余应力检测；然后根据残余应力检测单元的检测结果，调用零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库、声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，确定待测焊件测试区域的零应力传播时间和声弹性系数，计算测试区域的残余应力值。
13.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的残余应力检测单元包括中心定位台，在所述的中心定位台的相对两个侧面各固定有平行导轨架，每对平行导轨架上均滑动连接有探头固定装置，两个探头固定装置上安装有用于残余应力检测的超声探头。
14.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述中心定位台包括底座和位于底座上部呈筒体形态的升降旋转装置，平行导轨架安装于升降旋转装置的相对外侧壁上；所述中心定位台的底座底面边缘对称分布有吸盘。
15.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述升降旋转装置外壳的顶端为边缘设置有角度刻度的定位盘；所述底座上表面边缘设置有定位指针，所述定位指针位于升降旋转装置外部，指向升降旋转装置，与所述定位盘边缘设置的角度刻度配合确定所述升降旋转装置外壳相对于底座的旋转角度。
16.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的探头固定装置包括耦合压力调整部和声束角度调整部；所述的耦合压力调整部固定于声束角度调整部上。
17.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述耦合压力调整部包括外部的箱体，在所述的箱体内从上到下依次水平设置有上移动板、固定板和下移动板；所述下移动板和下移动板之间至少固定连接有两个穿过固定板的弹簧；每个弹簧内部设置有用于支撑弹簧的支撑杆，所述支撑杆下端与下移动板固定连接；所述支撑杆上端穿过上移动板为自由端。
18.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，至少一个所述弹簧与上移动板的下表面之间安装有压力传感器。
19.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述上移动板的中部设置有供调力螺钉穿过的通孔，固定板上设置有与所述通孔位置垂直对应的用于固定调力螺钉下端的螺纹通孔；所述调力螺钉上端的螺钉头紧压上移动板，下端拧入所述固定板上的螺纹通孔。
20.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的声束角度调整部包括底座，底座的上部为具有凸圆弧导轨面的u型槽轨，底座底部设置由压力传感器和电阻传感器组成的耦合监测器；所述耦合监测器的输出端与数据处理中心连接；探头固定楔块与所述u型槽轨的侧壁滑动连接，且探头固定楔块的凹圆弧面与u型槽轨的凸圆弧导轨面配合，所述探头固定楔块上部设置有探头安装腔，用于安装残余应力检测的超声探头。
21.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述声束角度调整部通过玻璃底座夹具与耦合压力调整部下移动板下表面的中部固定连接。
22.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的声各向异性检测单元包括横波探头，所述的横波探头置于待测焊件上远离焊缝的母材区域表面，通过多通道超声波卡激发横波探头对所述母材区域进行声各向异性检测。
23.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的另一种可能的实施方式，所述的衰减度测试单元包括纵波平探头，所述的纵波平探头置于待测焊件的测试区域表面，通过多通道超声卡激发纵波平探头对待测焊件的测试区域进行衰减度测试。
24.第二方面，本发明实施例还提供了一种超声波残余应力检测系统的检测方法，包括以下步骤：
25.s1、通过声各向异性检测单元对待测焊件上远离焊缝的母材区域进行声各向异性检测；
26.s2、通过衰减度测试单元对待测焊件的测试区域进行纵波衰减度测试；
27.s3、将残余应力检测单元的中心定位台置于待测焊件测试区域的表面；
28.s4、将超声波传播方向记为方向一，并记超声波传播方向与所述步骤s1得到的声主轴方向之间的角度为第一取向方位角θ
x
；数据处理中心的残余应力检测模块通过调用数据库模块中晶粒度u与纵波信号衰减度m的关系数据库，计算出测试区域的晶粒度计算值u
c
；调用零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，计算出测试区域θ
x
方向的零应力传播时间t
x0
，；调用声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，计算出测试区域θ
x
方向的声弹性系数k
x
；调用第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库α，计算出测试区域θ
x
方向的第一临界角α
x
；然后将计算得到的测试区域θ
x
方向的第一临界角α
x
传给残余应力检测单元；
29.s5、首先将用于残余应力检测的超声探头安装于探头固定楔块的探头安装腔内，调整超声波入射角度至所述步骤s4得到的测试区域θ
x
方向的第一临界角α
x
；然后调整探头固定装置位置，对待测焊件的测试区域进行残余应力检测，采集临界折射纵波在测试区域θ
x
方向的传播时间t
x
，并计算测试区域θ
x
方向的声时差δt
x
，δt
x
＝t
x0
‑
t
x
；所述临界折射纵波在测试区域θ
x
方向的传播距离为l；
30.s6、调整超声波的传播方向至与步骤s4中所述方向一垂直的方向，记为方向二，并记超声波传播方向与所述步骤s1得到的声主轴方向之间的角度为第二取向方位角θ
y
；
31.s7、重复步骤s4获得测试区域θ
y
方向的零应力传播时间t
y0
、声弹性系数k
y
和第一临界角α
y
；调整超声波入射角度至测试区域θ
y
方向的第一临界角α
y
，对待测焊件的测试区域进行残余应力检测，采集临界折射纵波在测试区域θ
y
方向的传播时间t
y
，并计算测试区域θ
y
方向的声时差δt
y
，δt
y
＝t
y0
‑
t
y
；所述临界折射纵波在测试区域θ
y
方向的传播距离为l；
32.s8、根据公式计算待测焊件测试区域θ
x
方向的残余应力σ
x
和测试区域θ
y
方向的残余应力σ
y
：
33.s9、调整超声波的传播方向，按照步骤s4
‑
s8的操作对待测焊件测试区域其他方向的残余应力进行检测，从而获得待测焊件测试区域的二维应力场。
34.与现有技术相比，该超声波残余应力检测系统的有益效果如下：
35.1.可对待测焊件进行声各向异性检测和衰减度测试，确定超声波残余应力检测时超声波传播方向的材料织构和测试区域的晶粒度，从而对声弹性公式中的系数进行修正，减小材料晶粒度和组织织构效应的影响，大大降超声波低残余应力检测的误差。
36.2.可通过调整探头固定装置在平行导轨架上的位置调节超声收发探头之间的距离，调整并精确确定测试区域，灵活性高；还可根据工件状态和生产需要，实现不同区域内残余应力的测试，满足客户和生产需要；可通过调节探头固定楔块在u型槽轨上的位置调节超声波探头与待测工件表面之间的角度(超声波测试的声束角)，实现超声波残余应力检测时不同区域不同方向第一临界角的调整修正，提高检测精度，而且可以进行不同种工件材料的残余应力测试，降低检测设备的生产成本以及加工周期，提高工作效率。
37.2.探头固定装置的耦合压力调整部操作简单方便，通过中心定位台升降旋转装置的高度调整和下移动板的位置调整可精确控制耦合压力，有效避免测试过程中耦合压力波动而产生的测量误差，还可保证进行残余应力测试时超声探头与测试表面的耦合状态与标定时所用的耦合状态相同，降低耦合状态对超声波系统应力测量的影响，进一步提高超声波检测法的测量精度；
38.3.旋转升降装置可方便地实现同一测量区域不同方向残余应力检测，可克服仅考虑与超声波传播方向同向应力的声弹性效应测量双轴应力场的不足，实现对测试区域表面二维平面应力场的精确测量。
39.总之，该超声波残余应力检测系统可对待测焊件进行声各向异性检测和衰减度测试，可实现同一测量区域不同方向残余应力检测，从而得到测试区域的二维平面应力场，而且该系统可方便精确地调整超声探头位置、超声波声束角和耦合状态，实现超声波残余应力检测时不同区域不同方向第一临界角的调整修正，减小材料组织效应影响，集成度高，大大提高超声波检测法的测量精度。
40.此外，本发明方法可调整探头固定楔块在u型槽轨上的位置，实现对待测焊件不同区域焊进行残余应力测试时第一临界角的调整修正，提高检测精度；本发明方法可消除晶粒度、材料组织各向异性、耦合压力对声弹性系数k和零应力传播时间t0的影响，显著提高了超声波对焊接接头残余应力的测试精度；本发明方法在检测沿超声波传播方向的残余应力时，考虑垂直于超声波传播方向的残余应力的影响，提高了超声波对焊接接头残余应力的测试精度，并可全面测量待测焊件测试区域的二维平面应力场。
附图说明
41.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
42.图1是本发明根据一个或多个实施方式的超声波残余应力检测系统的整体结构框图；
43.图2是本发明根据一个或多个实施方式的残余应力检测单元的正视结构示意图；
44.图3是本发明根据一个或多个实施方式的残余应力检测单元的俯视结构示意图；
45.图4是本发明根据一个或多个实施方式的残余应力检测单元的右视结构放大示意图；
46.图5是本发明根据一个或多个实施方式的左侧探头固定装置正视结构放大示意图；
47.图6是本发明根据一个或多个实施方式的探头固定装置的耦合压力调整部的正视局部剖视放大示意图；
48.图7是本发明根据一个或多个实施方式的升降旋转机构的内部结构示意图；
49.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
50.100残余应力检测单元，200声各向异性检测单元，300衰减度测试单元，400多通道超声卡，500数据处理中心；
51.110中心定位台，120平行导轨架，130探头固定装置；
52.111底座，112升降旋转装置，113吸盘，114定位盘，115定位指针；
53.112a升降电机、112b滚珠丝杠、112c螺母副、112d安装底板、112e旋转电机、112f旋转轴；
54.121水平通槽，122平动驱动电机；
55.131耦合压力调整部、131a箱体，131b固定板，131c上移动板，131d下移动板，131e弹簧，131f压力传感器，131h支撑杆，131g调力螺钉，131k滑杆；
56.132声束角度调整部，132a玻璃底座，132b u型槽轨，132c探头固定楔块；132d锁紧螺钉，132e弧形通槽；
57.133玻璃底座夹具，133a基座，133b夹爪；
58.510数据库模块、520取向方位角确定模块、530纵波衰减度计算模块,540残余应力计算模块。
具体实施方式
59.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
60.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
61.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是
电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
63.正如背景技术所介绍的，现有技术中利用超声波测量残余应力的误差比较大，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可以提高超声波检测精度的系统及方法。
64.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例公开了一种超声波残余应力检测系统，包括残余应力检测单元100、声各向异性检测单元200和衰减度测试单元300；
65.声各向异性检测单元200包括可进行声各向异性检测的横波探头；
66.衰减度测试单元300包括可进行衰减度测试的纵波平探头；
67.残余应力检测单元100包括可进行残余应力检测的发射探头和接收探头；
68.残余应力检测单元100中残余应力检测的发射探头和接收探头、衰减度测试单元300的纵波平探头和声各向异性检测单元200的横波探头均与多通道超声卡400和数据处理中心500电连接，数据处理中心500包括数据库模块510、取向方位角确定模块520、纵波衰减度计算模块530和残余应力计算模块540。该超声波残余应力检测系统可对待测焊件进行声各向异性检测和衰减度测试，可实现同一测量区域不同方向残余应力检测，从而得到测试区域的二维平面应力场，而且该系统可减小材料组织效应影响，大大提高超声波检测法的测量精度。具体的，可对待测焊件进行声各向异性检测和衰减度测试，确定超声波残余应力检测时超声波传播方向的材料织构和测试区域的晶粒度，从而对声弹性公式中的系数进行修正，减小材料晶粒度和组织织构效应的影响，大大降超声波低残余应力检测的误差。
69.如图2至图4示出，所述残余应力检测单元100的具体结构是：包括中心定位台110，中心定位台110相对侧面上各固定有一对平行导轨架120，且不同侧的两个相对位位置的平行导轨架位于同一条直线上；每对平行导轨架120均滑动连接有一个探头固定装置130，即包括两个探头固定装置130，在探头固定装置130上安装有用于残余应力检测的超声探头，所述的超声探头包括发射探头和接收探头；在其中一个探头固定装置130上安装发射探头，在另外一个探头固定装置130上安装接收探头。
70.所述中心定位台110包括底座111、位于底座111上部呈筒体形态的升降旋转装置112，平行导轨架120安装于升降旋转装置112的相对外侧壁上；所述中心定位台110的底座111底面边缘对称分布有高强度吸盘113。
71.进一步的，本实施例中所述升降旋转装置112包括呈中空筒体形态的外壳、调整升降旋转装置112外壳高度的升降机构和调整升降旋转装置112外壳相对于底座111的旋转角度的旋转机构；所述的升降机构可以是气缸、电机丝杠升降机构等；所述的旋转机构可以是电机驱动机构，也可以是电机+传动机构构成的旋转机构。在本实施例的图7中给出了本实施例中采用的升降旋转机构的内部结构示意图(本图仅为结构示意图，用于辅助理解技术方案)。图7示出，本例中所述升降旋转装置112的升降机构包括安装于底座111上表面的升降电机112a、升降电机112a顶端呈立轴向的滚珠丝杠112b和与所述滚珠丝杠112b配合的螺母副112c；所述升降旋转装置112的旋转机构包括与所述螺母副112c固定连接的安装底板112d，安装于安装底板112d上的旋转电机112e和通过所述旋转电机112e带动旋转的旋转轴112f；所述旋转轴112f顶端与升降旋转装置112的外壳内壁固定连接，可带动升降旋转装置112的外壳旋转。
72.进一步的，所述升降旋转装置112外壳的顶端为边缘设置有角度刻度的定位盘114；所述底座111上表面边缘设置有定位指针115，所述定位指针115位于升降旋转装置112外部，指向升降旋转装置112，定位指针115与所述定位盘114边缘设置的角度刻度配合确定所述升降旋转装置112外壳相对于底座111的旋转角度。
73.图5为本实施例左侧探头固定装置正视结构放大示意图，左侧和右侧的探头固定装置结构相同，相互对称，因此本实施例中省略了右侧的探头固定装置的附图，本实施例中以左侧的探头固定装置为例进行说明：在附图5中所述探头固定装置130包括上部的耦合压力调整部131和下部的声束角度调整部132；
74.图6为本实施例探头固定装置的耦合压力调整部的正视局部剖视放大示意图，图6示出，所述耦合压力调整部131的具体结构是：包括外部的箱体131a、水平固定于箱体131a中部的固定板131b，位于所述固定板131b上方的上移动板131c和位于所述固定板131b下方的下移动板131d；所述下移动板131d的上表面固定连接有至少两个对称分布的弹簧131e；弹簧131e穿过固定板131b的通孔与上移动板131c的下表面固定连接，弹簧131e内部设置有用于支撑弹簧131e的支撑杆131h，所述支撑杆131h下端与下移动板131d的上表面固定连接；所述支撑杆131h上端为自由端，上移动板131c上设置有供支撑杆131h穿过的支撑杆通孔；至少一个弹簧131e与上移动板131c的下表面之间安装有压力传感器131f；所述上移动板131c的中部设置有供调力螺钉131g穿过的调力螺钉通孔，固定板131b上设置有与所述调力螺钉通孔位置垂直对应的用于固定调力螺钉131g下端的螺纹通孔；所述调力螺钉131g上端的螺钉头紧压上移动板131c，下端拧入所述固定板131b上的螺纹通孔。
75.如图5所示，所述声束角度调整部132的具体结构是：包括玻璃底座132a，玻璃底座132a的上部为具有凸圆弧导轨面的u型槽轨132b，玻璃底座132a底部设置由压力传感器和电阻传感器组成的耦合监测器；所述耦合监测器的输出端与数据处理中心500连接；所述探头固定楔块132c与所述u型槽轨132b的侧壁滑动连接，且探头固定楔块132c的凹圆弧面与u型槽轨132b的凸圆弧导轨面配合，所述探头固定楔块132c上部设置有探头安装腔，用于安装残余应力检测的超声探头；
76.所述探头固定楔块132c与u型槽轨132b的侧壁滑动连接的具体方式是：所述u型槽轨132b的两侧壁均设有供锁紧螺钉132d穿过的、与凸圆弧导轨面平行的弧形通槽132e，探头固定楔块132c与u型槽轨132b侧壁相对的侧面上设有与锁紧螺钉132d配合的螺纹盲孔；通过锁紧螺钉132d穿过u型槽轨132b侧壁的弧形通槽132e实现滑动连接，并可通过拧紧锁紧螺钉132d使螺钉头压紧u型槽轨132b的侧壁定位。
77.所述声束角度调整部132通过玻璃底座夹具133与耦合压力调整部131下移动板131d下表面的中部固定连接，具体连接方式是：所述玻璃底座夹具133包括安装于所述耦合压力调整部131下移动板131d下表面的基座133a和安装于基座133a上的至少两个对称分布的夹爪133b，所述夹爪133b末端开有螺纹通孔，玻璃底座132a的侧壁上开有螺纹盲孔，所述夹爪133b末端的螺纹通孔与玻璃底座132a的侧壁上的螺纹盲孔位置对应；通过紧固螺钉依次拧入夹爪133b末端的螺纹通孔和玻璃底座132a侧壁上的螺纹盲孔实现玻璃底座夹具133对玻璃底座132a的夹紧，从而实现声束角度调整部132与耦合压力调整部131下移动板131d下表面中部的固定连接；
78.本实施例中所述平行导轨架120与探头固定装置130滑动连接的具体方式是：所述
每个平行导轨架120由两导轨组成，探头固定装置130位于平行导轨架120的两导轨之间，所述两导轨侧壁均设置有水平通槽121，水平通槽121的边缘处设置有刻度(水平通槽121的边缘设置的刻度没有在图2和图3中表示)；探头固定装置130的耦合压力调整部131的箱体131a上设置有与所述两个水平通槽121滑动配合的两个滑杆131k，所述滑杆131k末端连接有可控制滑杆131k沿水平通槽121滑动的平动驱动电机122，所述平动驱动电机122的控制端与数据处理中心500连接。
79.本实施中的多通道超声卡包括：
80.横波探头激发模块，其与横波探头相连，激发横波探头对所述母材区域进行声各向异性检测；
81.纵波平探头激发模块，其与纵波平探头相连，激发纵波平探头对待测焊件的测试区域进行衰减度测试射超声波纵波信号；
82.本实施例中的数据库模块510包括材料的晶粒度u与纵波信号衰减度m的关系数据库u＝f(m)，零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，t0＝ψ(u，θ)、声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，k＝ω(u，θ)、第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库α＝φ(u，θ)。
83.本实施例中所述数据库模块510中零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库、声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库、第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库的建立方法是：
84.a、通过热处理方法制备晶粒度试样n组，并通过金相处理，显微镜或电子背散射衍射计算出n组晶粒度测试样的晶粒度，记为u
n
，n＝1，2
……
n
‑
1，n；
85.b、对每个晶粒度试样进行声各向异性检测，通过不同偏振方向上的超声波横波波速变化确定每个晶粒度试样的声主轴方向并标定，记晶粒度试样表面与所述声主轴方向呈θ
m
角度的方向为取向方位角为θ
m
的方向，其中θ
m
＝10
m
°
，m＝0、1、2、
…
36；
86.c、对晶粒度试样的声主轴方向和各个取向方位角方向进行零应力传播时间标定；标定过程中，首先调整超声波入射角度，根据接受探头接收到的超声波波形信号确定晶粒度为u
n
的晶粒度试样取向方位角为θ
m
时的第一临界角α
mn
，通过零应力传播时间标定得到晶粒度u
n
的晶粒度试样取向方位角为θ
m
，传播距离为l时的零应力传播时间通过对每个晶粒度试样的声主轴方向和每个取向方位角方向进行零应力传播时间标定获得大量数据，从而建立第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库α＝φ(u，θ)，零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，t0＝ψ(u，θ)；
87.d、对晶粒度测试样的声主轴方向和各个取向方位角方向进行声弹性系数拉伸标定，得到晶粒度为u
n
的晶粒度试样取向方位角为θ
m
时的声弹性系数k
mn
，通过对每个晶粒度试样的声主轴方向和每个取向方位角方向进行声弹性系数拉伸标定获得大量数据，从而建立声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，k＝ω(u，θ)。
88.本实施例中的所述取向方位角确定模块520通过声各向异性检测单元200的检测结果确定待测焊件的声主轴方向和超声波残余应力检测的取向方位角；
89.本实施例中的所述纵波衰减度计算模块530通过衰减度测试单元300的测试结果，调用数据库模块中晶粒度u与纵波信号衰减度m的关系数据库u＝f(m)，计算待测焊件测试区域的晶粒度；
90.本实施例中的所述残余应力计算模块540通过纵波衰减度计算模块530得到的晶粒度和取向方位角确定模块520确定的取向方位角，调用第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库α＝φ(u，θ)，确定第一临界角，并将所述第一临界角传给残余应力检测单元100调节超声探头角度，进行残余应力检测；然后根据残余应力检测单元100的检测结果，调用零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，t0＝ψ(u，θ)、声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，k＝ω(u，θ)，确定待测焊件测试区域的零应力传播时间和声弹性系数，计算测试区域的残余应力值。
91.进一步的，基于上述系统，本实施例还提供了一种用上述超声波残余应力检测系统进行超声波残余应力的方法，其步骤如下：
92.s1、通过声各向异性检测单元200对待测焊件上远离焊缝的母材区域进行声各向异性检测；
93.该步骤的具体操作是：将横波探头置于待测焊件上远离焊缝的母材区域表面，通过多通道超声波卡400激发横波探头对所述母材区域进行声各向异性检测，数据处理中心500的取向方位角确定模块520根据不同偏振方向上的超声波横波波速变化确定待测焊件的声主轴方向并在母材上标定；
94.s2、通过衰减度测试单元300对待测焊件的测试区域进行纵波衰减度测试；
95.该步骤的具体操作是：将纵波平探头置于待测焊件的测试区域表面，通过多通道超声卡400激发纵波平探头对待测焊件的测试区域进行衰减度测试，数据处理中心500的纵波衰减度计算模块530根据纵波平探头发射的超声波纵波信号和接收的纵波回波信号计算出测试区域的纵波衰减度值，记为mc；
96.s3、将残余应力检测单元100的中心定位台110置于待测焊件测试区域的表面，通过升降旋转装置112的升降机构调整升降旋转装置112外壳的高度，进而调整平行导轨架120和探头固定装置130的高度，使声束角度调整部132的玻璃底座132a底面不接触测试区域表面；所述平行导轨架120方向即为超声波传播方向；
97.s4、将超声波传播方向记为方向一，并记超声波传播方向与所述步骤s1得到的声主轴方向之间的角度为第一取向方位角θx；数据处理中心500的残余应力检测模块540通过调用数据库模块510中晶粒度u与纵波信号衰减度m的关系数据库u＝f(m)，计算出测试区域的晶粒度计算值u
c
，u
c
＝f(m
c
)；调用零应力传播时间t0与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，t0＝ψ(u，θ)，计算出测试区域θx方向的零应力传播时间t
x0
，t
x0
＝ψ(uc，θx)；调用声弹性系数k与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库，k＝ω(u，θ)，计算出测试区域θ
x
方向的声弹性系数k
x
，k
x
＝ω(uc，θx)；调用第一临界角α与晶粒度u和取向方位角θ的复合关系数据库α＝φ(u，θ)，计算出测试区域θ
x
方向的第一临界角α
x
，α
x
＝φ(u
c
，θ
x
)；然后将计算得到的测试区域θ
x
方向的第一临界角α
x
传给残余应力检测单元100；
98.s5、首先将用于残余应力检测的超声探头安装于探头固定楔块132c的探头安装腔内，通过调节声束角度调整部132的探头固定楔块132c在所述u型槽轨132b的位置，调整超声波入射角度至所述步骤s4得到的测试区域θ
x
方向的第一临界角α
x
；然后调整探头固定装置130在平行导轨架120上的位置，对待测焊件的测试区域进行残余应力检测，采集临界折射纵波在测试区域θ
x
方向的传播时间t
x
，并计算测试区域θ
x
方向的声时差δt
x
，δt
x
＝t
x0
‑
t
x
；所述临界折射纵波在测试区域θ
x
方向的传播距离为l；
99.进一步的，该步骤中的所述残余应力检测操作包括首先通过升降旋转装置112的升降机构调整升降旋转装置112外壳的高度，从而调整平行导轨架120和探头固定装置130的高度，使声束角度调整部132的玻璃底座132a底面接触测试区域表面，再通过耦合压力调整部131调整超声波残余应力检测的耦合压力，直至耦合压力与标定零应力传播时间和声弹性系数时所用的耦合压力一致，然后进行超声波残余应力检测；
100.s6、通过升降旋转装置112的升降机构调整升降旋转装置112外壳的高度，从而调整平行导轨架120和探头固定装置130的高度，使声束角度调整部132的玻璃底座132a底面不接触测试区域表面；然后通过升降旋转装置112的旋转机构调整升降旋转装置112外壳相对于底座111的旋转角度，从而调整超声波的传播方向至与步骤s4中所述方向一垂直的方向，记为方向二，并记超声波传播方向与所述步骤s1得到的声主轴方向之间的角度为第二取向方位角θy；
101.s7、重复步骤s4获得测试区域θy方向的零应力传播时间ty0、声弹性系数ky和第一临界角αy；首先通过调节声束角度调整部132的探头固定楔块132c在所述u型槽轨132b的位置，调整超声波入射角度至测试区域θy方向的第一临界角αy，对待测焊件的测试区域进行残余应力检测，采集临界折射纵波在测试区域θy方向的传播时间ty，并计算测试区域θy方向的声时差δty，δty＝ty0
‑
ty；所述临界折射纵波在测试区域θy方向的传播距离为l；进一步的，本步骤中的残余应力检测操作包括首先通过升降旋转装置112的升降机构调整升降旋转装置112外壳的高度，从而调整平行导轨架120和探头固定装置130的高度，使声束角度调整部132的玻璃底座132a底面接触测试区域表面，再通过耦合压力调整部131调整超声波残余应力检测的耦合压力，直至耦合压力与标定零应力传播时间和声弹性系数时所用的耦合压力一致，然后进行超声波残余应力检测。
102.s8、根据下面的公式计算待测焊件测试区域θ
x
方向的残余应力σ
x
和测试区域θ
y
方向的残余应力σ
y
：
[0103][0104]
s9、调整超声波的传播方向，按照步骤s4
‑
s8的操作对待测焊件测试区域其他方向的残余应力进行检测，从而获得待测焊件测试区域的二维应力场；所述调整超声波传播方向的具体操作是：通过升降旋转装置112的升降机构调整升降旋转装置112外壳的高度，从而调整平行导轨架120和探头固定装置130的高度，使声束角度调整部132的玻璃底座132a底面不接触测试区域表面；再通过升降旋转装置112的旋转机构调整升降旋转装置112外壳相对于底座111的旋转角度，从而调整平行导轨架120方向，平行导轨架120方向即为超声波传播方向。
[0105]
本例中所述步骤s5中先调整探头固定装置130在平行导轨架120上的位置，对待测焊件的测试区域进行残余应力检测，采集临界折射纵波在测试区域θ
x
方向的传播时间t
x
的具体方法是：固定一侧探头固定装置130在平行导轨架120上的位置，调整另一侧探头固定装置130在平行导轨架120上的位置，进行两次残余应力检测，所述两次残余应力检测临界折射纵波的传播距离差区域即为待测焊件的测试区域，两次残余应力检测临界折射纵波传
播的声程差即为临界折射纵波在测试区域θ
x
方向的传播时间t
x
。
[0106]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。