[發明專利]一種基于臨界折射縱波的熔覆層應力無損評價方法

在審

• 申請號: 201410089101.0
• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN103901106A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 劉彬
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及激光熔覆層應力評價，具體來說涉及一種基于臨界折射縱波的熔覆層應力無損評價方法。

背景技術

在工業領域（尤其是重工業領域），關鍵零部件的失效可能直接或間接導致機械設備的整體失效，為此我國每年都以廢舊鋼鐵形式回收大量的鋼鐵類機械設備，并作為初級材料進行回爐重熔，這不僅造成資源、能源的浪費，還嚴重污染環境；以資源、環境和社會可持續發展要求為背景，對失效鋼鐵類零部件進行再制造處理，不僅可降低工業生產成本、提高生產效益、降低環境污染、實現節能節材，還對實現社會經濟與環境的協調發展具有重大意義。

基于廢舊零部件失效分析，在其表面制備相應性能的再制造涂層是提高零部件表面性能和延長其服役壽命的有效措施；激光熔覆技術具有能量密度集中、熔覆效率高、可與基體形成優良冶金結合界面、熱影響區小等優點，因而在再制造領域得到眾多關注和廣泛應用；研究表明，激光熔覆層質量是影響甚至決定激光熔覆再制造產品質量的關鍵因素，而應力（尤其是殘余應力）又是影響激光熔覆層質量的關鍵因素，因而，對激光熔覆層應力進行評價不僅對保證激光熔覆再制造產品質量具有重要意義，甚至對推動再制造工程的順利發展也具有重要意義；目前，應力評價方法主要是有損法（彎曲法、小孔法等）和無損法（射線法、光學法等）兩大類，雖然上述方法在一定程度上均可實現熔覆層應力的評價，但均存在一定問題，如彎曲法需破壞試樣的完整性及使用性能，且為抽樣檢測，結果具有一定偶然性；射線法具有輻射性，嚴重危害操作人員身體健康，且檢測設備價格昂貴、不適宜現場和實時檢測；光學法對操作環境要求較高，需專業操作人員進行操作，推廣應用局限性較大；臨界折射縱波屬于超聲波的一類，該方法具有無損、快速、操作安全、適于現場檢測及可實現在線監測等優點，且該方法設備價格便宜，因而如果能建立一套行之有效的熔覆層應力無損評價方法，對提高再制造產品質量和推動再制造工程的順利發展具有重要意義。

發明內容

本發明目的在于解決或改善現有熔覆層應力評價技術中的不足，基于此提出一種基于臨界折射縱波的無損評價方法，該方法不僅可實現熔覆層應力的快速、方便、安全、無損評價，還可降低甚至避免抽樣檢測造成的質量安全隱患。在此基礎上，本發明還詳細地給出了基于臨界折射縱波實現熔覆層應力無損評價的方法步驟，為提高再制造產品質量安全、推動再制造工程有條不紊的順利發展提供技術支撐。

基于臨界折射縱波的熔覆層應力無損評價是以超聲波聲彈性特性為理論基礎而實現的，即在測量熔覆層中臨界折射縱波傳播速度的基礎上，通過建立應力與傳播速度間關系實現熔覆層應力的無損評價；但超聲波聲彈性理論表明，超聲波傳播速度對應力的變化并不敏感，100MPa應力導致超聲波傳播速度改變量約為0.1%（鋁及其合金）和0.01%（鋼），因而，精確測量臨界折射縱波在熔覆層中的傳播速度難度非常大；鑒于此，本發明轉向通過對比臨界折射縱波在熔覆層試樣中通過相同距離所需時間差來表征傳播速度的改變量，即建立臨界折射縱波通過相同距離所需時間差與應力間關系。

該對應關系可通過以下步驟得到：

步驟一，固定熔覆材料、工藝參數及實驗環境不變，采用多道搭接多層堆積方式在適用激光熔覆層的鋼材表面（例如45鋼表面）制備熔覆層，基于靜載拉伸試樣國家標準，采用機械加工方法獲得標準靜載拉伸熔覆層試樣。

臨界折射縱波在熔覆層中的傳播速度與熔覆層厚度沒有關系，即傳播速度不受熔覆層厚度的影響，熔覆層厚度主要由熔覆層自身的制備工藝決定；熔覆層的制備工藝為常規技術手段，這里不再詳述。

步驟二，基于熔覆層材料與基體材料物理特性，設計相應的去應力退火熱處理工藝并對熔覆層試樣進行去應力退火處理，作為標定熔覆層試樣聲彈性常數的標準試樣；對熔覆層試樣進行去應力退火處理為常規技術手段，這里不再詳述。

步驟三，調節并固定超聲波脈沖發射接收儀激發臨界折射縱波的激發參數使得表征臨界折射縱波信號的激發能量不變，得到臨界折射縱波（時域信號）在熔覆層中的能量衰減曲線，臨界折射縱波在熔覆層中的傳播距離與信號幅值間呈明顯的冪函數，采用式（1）對臨界折射縱波在熔覆層中的衰減結果進行擬合得到含a、b具體數值的臨界折射縱波傳播距離與其接收信號峰值間關系式，計算臨界折射縱波信號幅值降低為最大值60%時對應的臨界折射縱波在熔覆層中的傳播距離作為發射探頭與接收探頭間距離，并通過臨界折射縱波探頭固定裝置（6）固定該間距不變并置于熔覆層試樣表面。

y＝a·x^b????（1）

式中：x：臨界折射縱波在熔覆層中的傳播距離；