钢结构表面应力超声表面波检测技术研究

　　1　前　言

　　应力检测技术分为有损检测和无损检测两大类:有损检测法以应变片盲孔法为代表,技术相对成熟,但是该方法的缺点是对被测结构存在破坏性,应用范围受限;无损检测法包括磁测法、超声检测法、X射线法以及光弹性法,其中超声检测法具有测量方便、快速、安全等特点,因此有很大的应用潜力[1]。

　　当超声波在弹性体内传播时,弹性体内应力的作用可以改变超声波的传播速度,超声应力检测技术正是利用这一性质来测量弹性体内的应力。目前对超声检测应力法研究较多的是超声横波、纵波或者横纵波结合的应力检测技术,该方法可以检测结构在一定厚度内的平均应力。同样表面波在弹性体表面传播时,弹性体近表面应力对表面波传播速度也有影响,因此表面波应力检测可以实现结构表面和近表面应力检测。国外利用表面波测量结构表面的工作应力和残余应力方面的研究已有所进展[2, 3]。Hirao等人曾研究了各向同性弹性体中的形变与表面波传播速度的一般关系,Husson研究了在一定声程内表面波相位的变化和应力之间的关系,Qurak等人利用表面波对铝合金材料近表面应力进行了检测[4, 5]。国内相关的研究也已开展,魏智[6, 7]等对航空透明件的表面残余应力检测进行了研究。目前研究的材料多局限于铝合金材料和航空透明件等,其表面波速度的应力敏感性较大,但对于工程中应用最多的钢结构材料的残余应力表面波检测的实验研究尚不多。

　　本文对表面波在金属材料表面的传播速度和表面应力之间的关系进行了推导简化,对Q235钢在一维应力状态下,采用表面波方法进行了应力检测的实验研究。

　　2　表面波应力检测理论

　　假设表面波沿着图1所示的a3方向传播,a3和a2组成一个纵向平面,且为表面波的偏振平面, a1垂直于该平面。

　　表面波在各向同性弹性体表面上传播时,当表面受应力作用时表面波的速度与无应力作用时有所不同。表面波只在弹性体的表面一个波长左右的深度传播,表面只有沿着a3轴方向应力σ33作用,近表面应力可以近似视为常数。表面波在沿着a3方向传播距离为L0后,其相位的变化为δ33(ω)[3]。

　　在式(1)中,ω表示圆频率;P表示一段时间内表面波垂直于传播方向上一个波长的宽度内的平均能量流;下标i∈{1,…,5}表示求和;δαβ(ω)表示沿着aβ方向的单向应力对沿着aα方向传播的表面波的相位的改变量。

　　αi‖、αi⊥为材料的二阶弹性系数(λ,μ)、三阶弹性系数(l,m,n)组成的常数[3]。