专利名称：用于残余应力测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种用来测量金属试样中的残余应力的方法，其中借助于一个超声换能器把具有基本频率的超声入射波引入金属试样的表面中，超声入射波借助于一个入射波检测器测量，而随后的超声出射波借助于一个出射波检测器测量，并且把超声入射和出射波的测量值用来确定残余应力。
该方法特别适用和适合于以非破坏方式，使用超声扫描技术来确定和测绘残余应力在整块铝板中的值和分布。尽管本发明将在下面相对于该用途解释，但本发明不限于此，而是也可以用来测量其他机械或显微结构参数，如晶粒尺寸分布或结构。
轧制铝板经常用来制造复杂加工零件。由于与锻或铸铝初级产品的结构和性能相比，轧制铝板具有相当均匀和可预测的内部结构和机械性质，所以轧制铝板的使用在航空器和航天工业中具有特殊意义。铝板的制造是一个多步骤过程，并且包括铝锭的铸造、把铝锭热轧到通常高达275mm(毫米)的希望厚度、几个热处理步骤、及诸如延伸或冷压之类的机械加工的施加。在制造过程的进行期间，应力形成在板中，其大部分通过热处理和机械加工的施加除去。然而，一些残余应力可能保持在板中。依据残余应力的数值，板的完整性可能受到危害。例如，在由铝板加工出复杂零件的过程期间，残余应力在加工操作的每个步骤之后释放。这每次产生一些变形。这有时可能使加工的零件完全不适于打算使用的用途。对于由轧制铝板加工的多种零件，例如在航空器建造中使用的那些，加工操作是一个复杂和漫长的过程。当已经消耗相当量的材料和生产时间时，经常发现由板中残余应力造成的变形。因此，非常重要的是，铝板的生产者和最终用户都能肯定在这些板中的残余应力处于最小。这通过使用能够测量在整块板中的残余应力、且适于在线使用的非破坏方法才是可能的。
有多种当前由板制造者使用以得到残余应力在每块独立板中的指示的试验方法。在一种这样的试验方法中，从板的规定区域除去一个试样，并且夹持在固定位置。通过加工从试样除去规定厚度的几层，并且在每个步骤，由一个偏角仪测量偏转的数值。该方法的一个缺陷在于它是一种破坏性试验。试样仅能从靠近板端部的区域取出。另外，切削试样将导致释放一些应力。结果，试验不会正确地代表整块板。
另一种经常使用的方法是，由ASTM E 837-92规定的“用来通过钻孔应变计法确定残余应力的标准试验方法”。在该方法中，把三个应变计置于板上感兴趣区域的上方，并且在应变计应变片的几何中心钻一个孔。用应变记录仪器测量释放的应变，并且诸结果与感兴趣区域中的残余应力值有关。该方法的一个缺点在于其半破坏特点；它在试验区域处留给板几个浅孔，这可能影响板用于进一步处理。而且，为了估计残余应力在整块板中的值，必须钻多个孔；该过程不仅耗时，而且也影响板的未来使用。
有多种已知已经偿试作为一种估计残余应力的工具的非破坏性试验方法，但发现他们都不适于日常操作。一个例子是使用在ASTM E915-90中描述的X射线衍射技术。另一个例子是使用原来打算用来确定透明试样中残余应力的光弹法，使用在ASTM C 978-87中描述的偏光显微镜和光滞后补偿程序。两种以上方法都需要精心的试验室工作，并且试验结果是不确定的。
而且金属试样的其他参数，特别是与试样体积有关的参数，如晶粒尺寸分布和结构，通常通过取出在感兴趣的点处的试样样品、并且进行离线试验而确定，以建立感兴趣参数的值。正象与残余应力测量有关所描述的，这些参数的确定也具有确定是离线的、破坏性的、耗时的及限于较小区域的缺点。
本发明的目的在于，提供一种用来在线非破坏地测量在诸如铝试样之类的整个金属试样中，特别是在整块轧制铝板中，的诸如晶位尺寸分布、结构及特别是残余应力之类的参数的方法。该目的通过一种方法实现，该方法的特征在于，对于选择的入射选通时间，计算被测超声入射波和基本频率的周期波的入射卷积积分值，并且在选择的出射选通时间期间，计算被测超声出射波和基本频率的周期波的出射卷积积分值，及使用入射卷积积分和出射卷积积分的计算值确定残余应力。
为了该描述起见，把卷积积分定义成∫0τw(t)p(x-t)dt]]>其中τ是选通时间，w(t)是被测超声波，而p(t)是基本频率的周期波。最好，为了简单起见而不损害精度或灵敏度，对于x＝0计算积分的值。定义的卷积积分也称作w(t)与p(t)之间的互相关。使用模拟电子计算电路或模拟计算机能计算卷积积分的值。然而，计算卷积积分值的较快和较通用的方法是使用数字计算机。在该情况下，以正常间隔抽样检测器的输出，并且通过一个包括周期波在抽样超声波的相同间隔处的值的阵列，定义周期波。通过用选通时间内对应飞行时间的阵列的定义值乘以抽样值并且求和相乘结果，能确定卷积积分的值。为了提高本发明的方法的灵敏度，至少出射选通时间具有不等于基本频率周期的整数倍的长度。
本发明基于这样一种新的发明性理解按照提出方法计算的卷积积分的值，对于具有与基本频率的周期波的波长相对应的波长的出射波分量的相位角变化非常敏感。
按照物理术语表示，根据本发明的方法基于对选择频率的纵波的超声衰减的测量，受到穿过试验下试样的厚度的、在选择频率范围的超声速度变化的的影响，并且把他们在一个其值对诸如要测量的残余应力之类的参数非常敏感的数学函数中相结合。
根据本发明的测量方法特别适于连续地进行。在测量整块板上的残余应力的情况下，使用浸没法能扫描整块板，同时在线进行“残余应力因数”的测量。试验结果可以以C扫描形式呈现，其中显示残余应力的变化和分布。
用于衰减测量的一般程序是，把试样放置在由超声换能器产生的超声波的槽中。需要至少两个信号来计算衰减一个基准信号和一个以后出射发射的或回波信号，两者都不饱和。其中在该描述中参考入射超声波，这应该理解成包括任何基准信号或在超声测量中通常使用的波。当使用接触测量时，基准信号可能是早先的回波。对于诸如板段之类的试样，使用浸没法更实际，其中换能器和试样都浸没在通常是水的液体耦合剂中。对于基准(入射波)和返回(出射波)信号可以使用任意两个回波。就厚部分而论，通常把入射表面信号用于基准信号，而把从背面反射的第一回波用作返回回波。这是因为就厚部分而论，多重来回反射对于精确测量太弱。
根据本发明的以上方法可以用来计算衰减系数，作为用于单频率下残余应力测量的基础。在实际中，超声换能器不以单频率操作，而是他们具有一个可用的频率范围。
提出的方法带来另外的优点入射波和出射波通过卷积的处理，促使滤去基本频率和除去寄生信号。
借助于一个实施例得到本发明方法对灵敏度的改进，该实施例的特征在于对于两个对称π/2移位的周期波，计算用于入射波和出射波的卷积积分的值，并且分别由出射卷积积分和入射卷积积分的计算值的平方和的平方根的比值，计算残余应力。
在该实施例中，最佳地利用在入射波和以后出射波中的信息内容。生成的比值对出射波具有等于基本频率的频率的分量的相位非常敏感。生成比值可以认为是出射波和入射波功率比值的第一量级近似。
易于实现的本发明方法的实施例，既带有数字计算机又带有电子模拟硬件，其特征在于周期波是正弦波。
最好，为了处理入射波，周期波的振幅等于入射波的振幅，并且最好为了处理出射波，周期波的振幅等于出射波的振幅。
诸如正弦波、和当希望时还有余弦波之类的周期波，能在数字计算机中定义为一个阵列，或者通过已知电子电路以选择的高精度和希望的基本频率产生。最好使用数字计算机进行计算。
本发明方法的另外一个实施例的特征在于周期波具有在15与35MHz之间、最好在20与30MHz之间的基本频率。
用来实现本发明方法的最佳频率范围，考虑到超声换能器的性能和衰减系数对残余应力的灵敏度，在15与35MHz之间，最佳范围在20与30MHz之间延伸。对于该范围中的频率，入射波的和出射波的抽样间隔大约是0.01μsec(微秒)。这也是在定义周期波的阵列中连续点之间的间隔。
与使用超声测量技术测量残余应力有关的一个问题是，衰减系数对残余应力的灵敏度出现在高于50MHz的超声频率下。在这些频率下，由于较高的衰减，从诸如铝板之类的厚部分壁难以得到可使用的回波或出射信号。对于铝板的可用频率或多或少地限于约35MHz，在该频率下衰减系数对残余应力变化的灵敏度较低。把频率降低到30MHz产生较小的衰减，尽管对残余应力的灵敏度下降。与使用速度测量来监视残余应力变化有关的困难在于残余应力在铝板中的变化一般在10MP的量级，这将引起小至0.01mm/μsec的速度变化。对于典型的铝板，这对应于约50毫微秒的飞行时间。当前可得到的超声仪器一般不能测量这样小的时间值，特别是在生产环境中。因此，速度测量不适于实际残余应力估计和描绘。
我们的发明方法使得有可能使用这样一种超声频率，该频率产生可使用的回波或出射信号，但在该频率下直到现在还没有由残余应力变化造成的实际飞行时间变化是可测量的。因为我们的发明方法对相位差非常敏感，并因此能在这些频率下测量飞行时间变化，即残余应力。根据我们的方法的最佳范围，在回波或出射信号的数值和由残余应力造成的飞行时间变化的意义上具有最佳值。
为了避免在入射波与返回波之间的干扰，为了容易地进行结果的计算和显示，及为了简化用来实现该方法的设备构造，最好卷积积分的计算所基于的入射超声波，是突发超声波。
借助于本发明的一个实施例，设备和方法的进一步简化是可能的，该实施例的特征在于选择的入射选通时间等于选择的出射选通时间。
当用数字计算机实现该方法时，只要定义一个选通时间，当使用电子硬件门实现该方法时，能减小不同项的数量。
惊奇的是已经发现，通过本发明的另外一个实施例能改进该方法的灵敏度和分辨率，该实施例的特征在于用于入射波和出射波的检测器的电气输出的至少一个，在进行卷积之前被给以直流偏置。
还发现，入射选通时间的长度，及特别是出射选通时间的长度，也影响灵敏度和分辨率。直流偏置、和选择的选通时间或选通次数的长度的最佳值取决于基本频率的值。机械或显微结构参数对超声波的衰减和飞行时间的影响是依赖于频率的。因此，通过在一定频率范围内选择正确频率，根据本发明的方法能用来确定选中的机械或显微结构参数，如晶粒尺寸分布、结构或残余应力。而且根据要确定的参数，能优化直流偏置和选通时间，特别是出射选通时间。
已经表明，当用这样一种方法测量残余应力时，能得到非常灵敏和高分辨率的测量，该方法的特征在于当测量残余应力时，在入射波和出射波最大振幅的15与35％之间、最好在20与30％之间进行积分之前，用于入射波和出射波的检测器的电气输出的至少一个给予直流偏移。
该方法的一个实施例对试样用户特别有益，该实施例的特征在于金属试样由超声换能器和/或检测器扫描，以形成参数分布的平面视图。
对于用户，试样一般是半成品，由该半成品他通过加工制成最终产品。平面视图，特别是表示具有不同残余应力的区域的平面视图，给用户提供在加工的同时能考虑的信息，从而防止残余应力对最终产品的影响，或者至少能很大程度地减小该影响。
如以前解释的那样，根据本发明的方法提供了一种用来确定相位角，或者换句话说，确定飞行时间的非常灵敏的程序。然而飞行时间也受厚度的影响。由厚度变化造成的飞行时间变化一般能区别于由诸如残余应力之类的参数引起的飞行时间变化。在延伸铝板的情况下，厚度的变化如果有的话，则跨过板平稳地行进，而由残余应力造成的飞行时间变化相当突然。这种差别能形成用来区分一种形式与另一种形式的标准。各种程序可以用来分开残余应力变化的飞行时间指示与厚度变化的飞行时间指示。在厚度跨过板平稳变化的情况下可用的一种方法，是基于运动平均程序的应用。在跨过板的厚度变化较不平稳、并且甚至可能掩盖残余应力变化的情况下，可以采用数学滤波器。另一种可能性是进行第一次高分辨率、高精度扫描以确定跨过板的厚度变化，并且进行以后扫描以确定残余应力或另一个参数，及在确定该参数的值时考虑在第一次扫描中测量的厚度。
下面描述实现该方法的一个非限制性例子。根据该方法，可以把铝板以已知方式放入到一个浸液槽中，该浸液槽装有超声扫描设施，即一个扫描桥、换能器操纵器、及包括脉冲发生器、接收器、前置放大器和数字数据获得与处理系统的必要电子装置。具有例如15至25MHz频率范围的宽带超声换能器用来获得A扫描数据。对于每个扫描增量，数字化整个A扫描。使用入射门和出射门，入射表面(基准)和来自板后壁的第一回波都能捕获。
在基本频率在20与30MHz之间的频率范围中和用于出射门和入射门的选通时间都在1与4微秒之间，对于在1-4mV之间的直流偏置得到良好结果。放大率保持在这样一种电平，从而基准信号清晰地未饱和。在这种放大率下，为了得到可使用的后壁回波，一个硬件时间校正增益(TCG)系统用来把10dB至30dB的放大率仅施加到后壁信号上；这种附加的增益在衰减计算时考虑。包含基准和后壁信号的门的长度设置到一个允许由机械变化造成的时间的适当变化的值；这对于每个门在1.5微秒的量级。包含基准信号的门通过一个“负触发”系统及时地跟随基准信号；一个峰值检测器用来恒定地检测在希望幅值下的基准信号，并且通过“负触发”，在信号开始升高之前实际触发门。包含后壁信号的门跟随前表面门。这两个信号然后联系起来；这将使得系统仅处理感兴趣的两个信号，而避免其余的A扫描，并因而减小处理时间。两个信号都与一个适当频率和振幅的周期正弦信号卷积，即对于每个信号，定义一个正弦和一个余弦分量，并且计算卷积积分的值。
对于每个扫描增量，计算基准信号的和后壁信号的卷积积分的值。对于基准信号，当门中该信号的位置跟随门位置时，相位角是恒定的。另一方面，对于后壁信号，基本频率分量的相位角不是恒定的；如果由诸如由板中残余应力引起的之类的显微结构变化造成板中超声速度的改变，则相位角变化。后壁回波的到达时间直接与速度变化有关。该变化在本发明中使用的频率下对应于50毫微秒。对于典型的铝板，这对应于0.008mm/微秒的速度差，当测量衰减或速度时这仅有可忽略的影响。然而，在本发明中，飞行时间的典型变化和生成的相位偏移，将引起“残余应力因数”0至0.5cm-1的变化。在从板得到的C扫描中，使用上述方法，由128等级彩色或黑白调色板能方便地显示“残余应力因数”的变化。生成的C扫描清晰地表示“残余应力因数”在整块板中的分布。在最后的C扫描中，MP的残余应力的值通过应用一个公式表示，该公式使残余应力的值与“残余应力因数”的变化有关。通过把“残余应力因数”的值与通过破坏性试验，即在从板相应区域取出的样品上进行钻孔或偏转试验，得到的值相比较，经验地建立这种关系。这种关系具有对数关系的形式，这能相对于由以前描述的方法得到的值来校准。
为了测量残余应力因数，使用一个数字式超声扫描系统，使用如下程序为了以周期方式模拟前表面波形和后表面波形，用如下特征定义一个正弦阵列和一个余弦阵列-在每个阵列中数字化点的数量-数字化来自前表面波和后表面波的超声信号的抽样间隔，例如0.01微秒。
-与前表面信号的中心频率相对应的MHz的频率，例如20MHz。
在模拟的以下步骤中，每个前表面波和后表面波由以前定义的正弦和余弦阵列处理。结果是用于前表面和后表面波形的周期波形式的一个阵列。这按如下进行(FS-Sine)(前表面正弦波阵列)＝∑前表面波×正弦阵列(FS-Cosine)(前表面余弦波阵列)＝∑前表面波×余弦阵列(BS-Sine) (后表面正弦波阵列)＝∑后表面波×正弦阵列(BS-Cosine)(后表面余弦波阵列)＝∑后表面波×余弦阵列其中求和在整个选择的选通时间上进行。
在以上过程之前，最好把一个在2-3mV之间的直流偏置引入到前和后表面波中。在模拟过程之后，对于前和后表面使用其相应正弦和余弦阵列分量计算傅里叶项前表面的傅里叶项＝[(FS-Sine)2+(FS-Cosine)2]1/2＝AFS后表面的傅里叶项＝[(BS-Sine)2+(BS-Cosine)2]1/2＝BFS由傅里叶项计算残余应力因数rsfrsf＝[-Ln(AFS/BFS)+T常数]/距离其中T常数是一个代表声在不同介质之间的每个边界处的不完全发射的项。
参照附图将说明在由根据本发明的方法所测量、计算、和呈现的残余应力与使用有限元法的计算之间的一致性。
在附图中，
图1表示测量和计算的跨过150mm厚轧制和延伸铝板的残余应力分布，而图2表示使用有限元法计算的图1的板的一部分的残余应力。
图1表示测量的残余应力分布，并且跨过150mm厚、1250mm宽及5500mm长的铝板揭示。该板被轧制、热处理和淬火，并且以后在残余应力测量之前延伸。在图1中的字母以增大的字母表顺序指示具有增大残余应力的区域。在图中，仅指示较大的区域，仅把残余应力范围划分成有限数量的步长。
图2表示用有限元法对由图1的线A、B限定的板的右上角部所计算的残余应力。具有可比较残余应力的区域用相同的字母指示。
在有限元计算中，仅考虑由轧制和延伸造成的平面影响，忽略淬火的影响。这说明图2中的区域c1和d1不平行于板的长侧延伸、而是受限制区域的事实。考虑到这点，有限元计算的、和使用本发明方法的残余应力测量的结果，表现出非常好的一致性，并且证实该方法适于大试样的在线、非破坏性残余应力测量。
图3、4、5、6和7表示用根据本发明的方法测量的实际波形、处理数据和残余应力的显示。
图3表示入射、前表面波的和出射、后表面波的代表。前表面波和后表面波联系起来，以减小处理时间。进一步能看到前表面波和后表面波都已经偏移一个直流电压。
图4以扩展的时间刻度表示前表面波。由图3和4能看到使用负触发。
图5以扩展的时间刻度表示后表面波。
以0.01微秒的抽样间隔抽样前表面波和后表面波。以相同的抽样间隔定义正弦和余弦阵列。
在图3、4和5中，FSH代表全刻度高度。
图6表示把本发明的方法分别应用于图3和4的前表面波和后表面波、在宽频率范围上实现的结果。如能由图6看到的那样，在15MHz与23MHz之间的频率范围内，得到在这种情况下的最高灵敏度。在本例子中选择的(抽取的)值是每长度单位0.0566，77。进行计算的计算机程序这样形成，从而它在宽频率范围上既处理前表面波又处理后表面波。这具有程序可用于以不同频率操作的超声换能器的优点。
为了得到C扫描，扫描试验下的板。对于每个扫描增量，如上述那样处理前表面波和后表面波，并且如果希望，则在把结果供给到一个或多个电平比较器之后，能进行残余应力的C扫描。表示在试验下的板上的rsf分布的这种C扫描表示在图7中。
权利要求
1.用来测量金属试样中残余应力的方法，其中借助于一个超声换能器，把具有基本频率的超声入射波引入到金属试样的表面中，借助于一个入射波检测器测量超声入射波，而借助于一个出射波检测器测量以后的超声出射波，并且把超声入射和出射波的测量值用来确定残余应力，该方法的特征在于，对于选择的入射选通时间，计算被测超声入射波和基本频率的周期波的入射卷积积分的值，并且在选择的出射选通时间期间，计算被测超声出射波和基本频率的周期波的出射卷积积分的值，及使用入射卷积积分和出射卷积积分的计算值确定残余应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对于两个对称π/2移位的周期波，计算用于入射波和出射波的卷积积分的值，并且分别由出射卷积积分和入射卷积积分的计算值的平方和的平方根的比值，计算残余应力。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于周期波是正弦波。
4.根据以上权利要求任一项所述的用来测量铝金属试样中残余应力的方法，其特征在于周期波具有在15与35MHz之间、最好在20与30MHz之间的基本频率。
5.根据以上权利要求任一项所述的方法，其特征在于卷积积分的计算所基于的入射超声波，是突发超声波。
6.根据以上权利要求任一项所述的方法，其特征在于选择的入射选通时间等于选择的出射选通时间。
7.根据以上权利要求任一项所述的方法，其特征在于用于入射波和出射波的检测器的电气输出的至少一个，在进行积分之前被给以直流偏置。
8.根据以上权利要求任一项所述的方法，其中检测器的至少一个带有一个电气输出，该方法的特征在于当测量残余应力时，在相关波最大振幅的15与35％之间、最好在20与30％之间进行卷积之前，用于入射波和出射波的检测器的电气输出的至少一个被给以直流偏置。
9.根据以上权利要求任一项所述的方法，其特征在于金属试样由超声换能器和/或检测器扫描，以形成参数分布的平面视图。
全文摘要
测量金属试样中残余应力的方法,其中用超声换能器把具有基本频率的超声入射波引入到金属试样的表面中,用入射波检测器测量超声入射波,用出射波检测器测量以后的超声出射波,该方法对于选择的入射选通时间,计算测量的超声入射波和一个基本频率的周期波的入射卷积积分值,在选择的出射选通时间期间,计算测量的超声出射波和一个基本频率的周期波的出射卷积积分值,使用入射卷积积分和出射卷积积分值确定残余应力。
文档编号G01L1/00GK1261434SQ98806517
公开日2000年7月26日 申请日期1998年5月15日 优先权日1997年5月15日
发明者阿尔弗雷德·乔汉·彼特·哈斯勒, 豪默斯·格哈杰里 申请人:荷高文斯铝轧制品有限公司