CN116124835B - 一种构件损伤缺陷状态无损检测装置及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构件损伤缺陷状态无损检测装置，其包括装夹机构、传动机构、冷却机构、检测机构；装夹机构包括上板、底板、侧板、箱体、下压盘、上压盘；下压盘固定在底板上，上压盘置于上压盘上方；传动机构包括传动杆和液压机，传动杆的末端与上压盘连接；液压机带动传动杆做上下直线运动，进而带动上压盘做上下直线运动；冷却机构正对下压盘上的2个金属构件；检测机构包括测温仪、检测探头、电源、数据处理模块；数据处理模块根据检测探头传来的数据得出导热系数。本发明还提供一种构件损伤缺陷状态无损评价方法。本发明能够快速、准确的检测导热系数在电磁冲击处理前后的变化情况，从而无损评价构件内部损伤缺陷状态。

Description

一种构件损伤缺陷状态无损检测装置及评价方法

技术领域

本发明属于检测领域，具体涉及一种构件损伤缺陷状态无损检测装置及评价方法。

背景技术

高性能金属构件是指先进高温合金材料及其民用制品生产技术生产的金属构件，高性能金属构件在成形制造过程中会经历复杂的形变相变。由于形变相变不均不可避免产生微纳尺度损伤缺陷(微孔洞、位错缠结、应力集中等)，这些损伤缺陷会严重影响构件的使用性能和寿命。然而，现有检测手段难以实现微纳尺度损伤缺陷的探测，无法精准评价构件内部组织结构状态。例如：水浸超声的检测精度仅能达到亚毫米级，表面荧光探伤只能对构件表面缺陷进行检测。因此，高性能金属构件面临着微纳尺度损伤缺陷无法精准检测的难题，迫切需要开发新的构件无损检测手段。

电磁冲击强化是一种能够修复微纳缺陷、靶向性能弱区的外场强化工艺，利用其电磁冲击能量与金属构件内部高能微结构进行耦合，从而达到整体能量施加、局部微结构调控的目的，其对高性能构件成形制造过程中产生的微纳损伤缺陷能够实现靶向调控。然而，目前针对这种微结构的调控效果通过常规的检测手段难以评价，无法为电磁冲击工艺窗口优化提供指导，亟需开发电磁冲击处理技术效果的无损评价方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种构件损伤缺陷状态无损检测装置及评价方法，该装置及评价方法能够快速、准确的检测导热系数在电磁冲击处理前后的变化情况，从而无损评价构件内部损伤缺陷状态。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种构件损伤缺陷状态无损检测装置，其包括装夹机构、传动机构、冷却机构、检测机构；

所述装夹机构包括上板、底板、侧板、箱体、下压盘、上压盘；所述底板置于上板下方，其一端通过侧板连接，另一端通过箱体连接；所述下压盘固定在底板上，并可根据构件形状尺寸进行更换；所述上压盘与下压盘尺寸相匹配，置于下压盘上方；

所述传动机构包括传动杆和液压机；所述传动杆穿过上板后，其末端与上压盘连接；液压机带动传动杆做上下直线运动，进而带动上压盘做上下直线运动；

所述冷却机构安设在侧板上，正对下压盘上的2个金属构件，即冷却机构安装在金属构件所对应的高度处，以便对金属构件进行快速降温，

所述检测机构包括测温仪、检测探头、电源、数据处理模块；所述测温仪安设在侧板上；所述检测探头置于2个金属构件之间，且通过导线与电源连接，电源使检测探头发热；所述冷却机构、测温仪、电源、检测探头、液压机与数据处理模块连接；所述数据处理模块置于箱体内，控制液压机工作，进而控制传动杆上下直线运动；所述数据处理模块根据测温仪、检测探头传来的温度，控制电源、冷却机构工作，进而控制检测探头发热、金属构件的温度(测温仪在检测过程中对金属构件进行测温，检测结束后温度超过金属构件初始温度，冷却机构对金属构件进行降温；检测中，通过电源使检测探头对金属构件进行升温)；所述数据处理模块根据检测探头传来的数据得出导热系数。

按上述方案，所述下压盘的上表面为平面，所述上压盘的下表面为平面。

按上述方案，下压盘、上压盘同轴设置，即下压盘、上压盘的中轴线在同一条直线上。

按上述方案，所述下压盘的上表面设有放置叶片状金属构件的凹槽，所述上压盘的下表面设有放置叶片状金属构件的凹槽，以使放置在下压盘、上压盘之间的2个叶片状金属构件的相对面平行。

按上述方案，所述2个金属构件为上下设置，且其相对面平行。

按上述方案，所述检测探头有多个，均匀环向设置在2个金属构件之间。

按上述方案，所述多个检测探头的尺寸相同，且呈对称设置；所述检测探头为利用热阻材料制作而成的平面薄探头。

按上述方案，所述数据处理模块包括显示屏、操作面板、操作面板电路板、数据处理电路板；所述显示屏、操作面板置于箱体外侧的正面上，所述操作面板与操作面板电路板连接，所述显示屏、操作面板电路板与数据处理电路板连接，所述操作面板电路板、数据处理电路板置于箱体内；所述测温仪、电源、检测探头、液压机与数据处理电路板连接。数据处理电路板用于对多通道数据进行接收与处理，显示屏用于显示经过操作面板操作，经过数据处理电路处理后的数据。

按上述方案，所述操作面板包括系统开关、降温开关、测量参数设置按键、计算开关、存储按键，所述系统开关、降温开关、测量参数设置按键、计算开关、存储按键与操作面板电路板连接；操作面板电路板实现操作面板上包括系统开关、降温设备的开关、测量参数设置、计算、存储在内的按键功能。

按上述方案，所述上板、底板、侧板、箱体上均设有走线孔、走线槽；所述冷却机构包括风扇。测温仪输出线、液压机构控制导线以及冷却机构导线通过走线孔、走线槽连接至各电路板相应位置上。

本发明还提供一种构件损伤缺陷状态无损评价方法，其包括如下步骤：

S1、准备阶段：将上述构件损伤缺陷状态无损检测装置放置于恒温恒湿无风的室内实验环境中，确定待测金属构件尺寸，选择并安装与待测金属构件相适配的上压盘和下压盘，准备2个与待测金属构件尺寸相近的调试用构件；

S2、调试阶段：取出两个调试用构件，将其中一个调试用构件置于下压盘上，在该调试用构件上放置另一个调试用构件，确保两个调试用构件的相对面平行；在两个调试用构件的相对面之间均匀环设多个检测探头，并使检测探头对称设置，且保证调试用构件完全覆盖全部检测探头；通过传动机构带动上压盘运动，使上压盘压实两个调试用构件；在显示屏处设置检测参数，设置完成后，通过传动机构升起上压盘，取出调试用构件；

S3、检测阶段：取出调试用构件与检测探头后，在下压盘上放入一个待测金属构件，在待测金属构件上均匀环设多个检测探头，并使检测探头对称设置；再放置一个待测金属构件于检测探头上，通过传动机构带动上压盘运动，使上压盘压实2个待测金属构件；通过测温仪对待测金属构件进行测温，得到并记录初始温度T1；启动检测机构，进行检测，检测结束后通过数据处理模块计算得到待测金属构件的各检测点的导热系数并进行记录；通过冷却机构降温，将待测金属构件温度降至T1；通过上述步骤重复对待测金属构件进行试验，得到多次各检测点的导热系数并进行记录；通过上述导热系数得出各检测点的平均导热系数λs1、λs2、λs3...λsn，其中n代表检测次数；然后通过检测点的平均导热系数得出该待测金属构件的平均导热系数λs以及方差Q1并保存，其中：

S4、二次检测阶段：待测金属构件经过电磁冲击强化处理后，重复S3的检测工作，记录测量得到各检测点导热系数λ_T1、λ_T2...λ_Tn，然后计算得到并保存电磁冲击强化后待测金属构件的平均导热系数λT与方差Q2，其中：

S5、性能评价阶段：根据S3、S4两次检测得到的导热系数变化率p，其中：

通过导热系数变化率P评价电磁冲击处理效果的显著性，当导热系数变化率P在10％～30％之间时，待测金属构件电处理强化效果最佳，损伤状态较好；通过比较导热系数方差Q1与Q2评价待测金属构件强化处理前后性能均匀性。

按上述方案，在检测过程中，禁止开启冷却机构。

本发明的有益效果在于：

利用金属的导热特性评价金属构件内部损伤缺陷状态，实现金属构件性能的无损评价；

本发明利用导热系数来精确评价金属构件状态，利用材料内部损伤状态与导热特性之间的精确关联关系，能够快速、准确的检测导热系数在电磁冲击处理前后的变化情况，从而无损评价构件内部损伤缺陷状态；

基于导热特性与损伤状态紧密关联，通过构件导热系数方差变化情况能够准确无损评价构件的性能均匀性；

导热系数变化率能够评价金属构件内部损伤缺陷状态、评价电磁冲击处理效果的缺陷修复效果以及性能一致性；

通过设置数据处理模块，可用于人机交互以及多通道接受温度和导热系数并进行数据处理与显示；

传动机构带动上压盘在压实过程中做向下直线运动，防止了压盘旋转破坏2个金属构件的压实效果；

检测探头为热阻材料制作而成的平面薄探头，作为测试的热源与温度传感器，提供热量和感知温度变化；检测探头本身无法发热，需要电源为检测探头提供能量，使检测探头能作为测试的热源；

调试阶段的主要作用就是设置并调节检测参数，所述检测参数包括加热时间、检测探头参数、功率参数等，以确保检测的准确性；

检测过程中，上下压盘与检测探头能根据构件尺寸进行更换，尺寸适用性高；

数据处理模块能对温度与导热系数进行显示与数据处理，智能化高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是实施例1中的构件损伤缺陷状态无损检测装置的结构示意图；

图2是实施例1中数据处理模块的结构示意图；

图3是实施例2中的构件损伤缺陷状态无损检测装置的结构示意图；

图4是实施例2中下压盘的结构示意图；

图5是图4中的A-A剖面图。

图中：1-外框，1.1-上板，1.2-底板，1.3-侧板，2-下压盘，3-待测M50轴承环件，4-探头导线，5-测温仪，6-风扇，7-上压盘，8-传动杆，9-液压机，10-显示屏，11-开关门，12-操作面板，13-检测探头，14-导电斑马条，15-操作面板电路板，16-排线，17-数据处理电路板，18-探头接数据处理电路板导线，19-数据线，20-走线孔，21-电源，23-待测TC11钛合金叶片，24-箱体，25-凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1-图2，以某型号航发M50轴承外圈损伤缺陷状态无损检测为例：因轴承外圈的两端面平整且平行，所以装夹机构选用竖直方向上同轴且相对应端面平整的上压盘7与下压盘2。

一种构件损伤缺陷状态无损检测装置，其包括装夹机构、传动机构、冷却机构、检测机构。

装夹机构包括上板1.1、底板1.2、侧板1.3、箱体24、下压盘2、上压盘7；底板1.2置于上板1.1下方，其一端通过侧板1.3连接，另一端通过箱体24连接,箱体24上设有开关门11；上板1.1、底板1.2、侧板1.3组外框1。下压盘2通过螺栓固定在外框1的底板1.2上，与下压盘2尺寸相匹配的上压盘7通过螺栓固定在传动机构的传动杆8末端。

传动机构包括传动杆8和液压机9；传动杆8的末端穿过上板1.1后，与上压盘7连接；液压机9带动传动杆8做上下直线运动，进而带动上压盘7做上下直线运动。

冷却机构为风扇6，安设在侧板1.3上，正对下压盘2上的2个轴承外圈。在检测过程中，禁止开启风扇6。

检测机构包括测温仪5、检测探头13、电源21、数据处理模块。测温仪5安设在侧板1.3上。检测探头13为利用热阻材料制作而成的平面薄探头，本实施例设置有4个，其尺寸相同，且呈对称设置。使用时置于2个轴承外圈之间，且通过探头导线4与电源21连接，电源使检测探头13发热；检测探头13通过探头接数据处理电路板导线18与数据处理模块连接。风扇6、测温仪5、电源21、检测探头13、液压机9与数据处理模块连接。所述数据处理模块置于箱体内，控制液压机工作，进而控制传动杆上下直线运动；数据处理模块根据测温仪5、检测探头13传来的温度，控制电源21、风扇6工作，进而控制检测探头13发热、待测轴承环3的温度(测温仪5在检测过程中对待测轴承环3进行测温，检测结束后温度超过待测轴承环3初始温度，风扇6对待测轴承环3进行降温；检测中，通过电源21使检测探头13对待测轴承环3进行升温)；数据处理模块根据检测探头13传来的数据计算出导热系数。参见图2，本实施例中，数据处理模块包括显示屏10、操作面板12、操作面板电路板15、数据处理电路板17。显示屏10、操作面板12置于箱体24外侧的正面上。操作面板12与操作面板电路板15连接，显示屏10通过导电斑马条14与数据处理电路板17连接；操作面板电路板12通过排线16与数据处理电路板17连接，操作面板电路板15、数据处理电路板17置于箱体24内。风扇6、测温仪5、电源21、检测探头13、液压机9与数据处理电路板17连接(检测探头13通过数据线19与数据处理电路板17连接)。数据处理电路板17用于对多通道数据进行接收与处理，显示屏10用于显示经过操作面板12操作，经过数据处理电路17处理后的数据。操作面板12包括系统开关、降温开关、测量参数设置按键、计算开关、存储按键，所述系统开关、降温开关、测量参数设置按键、计算开关、存储按键与操作面板电路板连接；操作面板电路板15实现操作面板12上包括系统开关、降温设备的开关、测量参数设置、计算、存储在内的按键功能。

本实施例中，上板1.1、底板1.2、侧板1.3、箱体24上均设有走线孔20、走线槽；测温仪输出线、液压机构控制导线以及冷却机构导线通过走线孔20、走线槽连接至各电路板相应位置上。

将两件待测轴承环3放置于下压盘2上，两待测轴承环3中放置4组检测探头13，均匀放置于两待测轴承环3间，并通过传动机构带动上压盘7压实两待测轴承环3。

实施例2

某型号航发M50轴承环件损伤缺陷状态无损评价方法，其包括如下步骤：

S1、准备阶段：将实施例1中的构件损伤缺陷状态无损检测装置放置于恒温恒湿无风的室内实验环境中，选择并安装测试待测轴承环3所需的相应上下压盘，挑选与待测轴承环3尺寸相近的环件进行设备参数的调试；

S2、调试阶段：将调试环件放置于压盘间，并将4个检测探头13均匀放置于两环件间，确保两环件完全覆盖检测探头13，启动液压机9，带动传动杆8压实压盘，调节输出功率，加热时间等参数；调试结束后，松开压盘，取出调试环件；

S3、检测阶段：取出调试环件后，同上述步骤一样，放入一组待检测航发M50轴承外圈环件，并在环件间均匀放置44个检测探头13，通过上压盘7压实。通过测温仪5对环件进行测温，得到并记录初始温度25℃，启动检测机构，进行检测，检测结束后计算得到导热系数并记录，通过冷却机构降温，将环件温度降至25℃；后面再重复进行2次试验得到后两次的导热系数，通过三次数据计算出各检测点的平均导热系数，通过各检测点的平均导热系数计算得到该组待检测航发M50轴承外圈环件的平均导热系数为28.37W/mK，以及方差1.135并保存；

S4、二次检测阶段：取出该待检测航发M50轴承外圈环件去进行电磁强化处理，经过强化处理后，对强化后的该组待检测航发M50轴承外圈环件重复S3步骤，记录测量得到各检测点导热系数，通过各检测点导热系数计算得到并保存强化后待检测航发M50轴承外圈环件的平均导热系数33.876W/mK与方差0.834；

S5、性能评价阶段：计算S3、S4两次检测得到的导热系数变化率，通过导热系数变化率评价电磁冲击处理效果的显著性，通过比较导热系数方差Q1与Q2评价待测金属构件强化处理前后性能均匀性。

通过检测结果可以发现，经过电磁强化处理后，航发M50轴承外圈环件导热系数上升，导热系数变化率P为19.41％，通过轴承外圈环件的疲劳试验可以看出强化后，轴承环件疲劳寿命L10从0.495×107提升至0.971×107，且强化后航发M50轴承外圈环件的导热系数方差Q下降，说明经电磁强化处理后，轴承环件各处性能更加均匀。

实施例3

参见图3-图5，以某型号航发TC11钛合金叶片损伤缺陷状态无损检测为例：与航发M50轴承导热系数检测设备相比，需要将下压盘2与上压盘7进行改换，以保证在压实时两叶片相对的两端面能尽可能的平行，确保压实效果，避免检测误差。因某型号航发TC11钛合金叶片的两端面不平行也不平整，所以装夹机构选用特殊的下压盘和上压盘，即下压盘的上表面设有放置TC11钛合金叶片的凹槽25，上压盘7的下表面设有放置TC11钛合金叶片的凹槽25，以使放置在下压盘、上压盘之间的2个TC11钛合金叶片的相对面平行。其余结构与实施例1相同。

实施例4

某型号航发TC11钛合金叶片损伤缺陷状态无损评价方法，与实施例2中的某型号航发M50轴承环件损伤缺陷状态无损评价方法相同。S3中，该组待测TC11钛合金叶片的平均导热系数为53.62W/mK以及方差为1.257。S4中进行电磁强化处理后，待测TC11钛合金叶片的平均导热系数为62.315W/mK，方差为0.906。S5中，两次检测得到的导热系数变化率16.21％。

通过检测结果可以发现，经过电磁强化处理后，TC11钛合金叶片导热系数上升，导热系数变化率P为16.21％，TC11钛合金叶片疲劳极限从420MPa提升至480MPa，且强化后TC11钛合金叶片的导热系数方差Q下降，说明经电磁强化处理后，TC11钛合金叶片各处性能更加均匀。

本发明采用的瞬态平面热源法测导热系数，产生的热量会向检测探头两侧扩散，若只用一个待测金属构件，另一侧用其他材料或直接用上压盘压实，可能会因为检测探头两侧材料的导热系数不一样，导致两侧的温度变化速度不一样，从而影响检测结果。因此，采用两个待测金属构件，并将检测探头置于两个金属构件之间，能确保检测结果的准确性。如采用三个及以上的待测金属构件，那金属构件吸收的热量会变多，可能会导致多个待测金属构件的温度变化不一样，从而影响检测结果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种构件损伤缺陷状态无损评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、准备阶段：将构件损伤缺陷状态无损检测装置放置于恒温恒湿无风的室内实验环境中，确定待测金属构件尺寸，选择并安装与待测金属构件相适配的上压盘和下压盘，准备2个与待测金属构件尺寸相近的调试用构件；

所述构件损伤缺陷状态无损检测装置包括装夹机构、传动机构、冷却机构、检测机构；所述装夹机构包括上板、底板、侧板、箱体、下压盘、上压盘；所述底板置于上板下方，其一端通过侧板连接，另一端通过箱体连接；所述下压盘固定在底板上，所述上压盘置于下压盘上方；所述传动机构包括传动杆和液压机，所述传动杆的末端与上压盘连接；液压机带动传动杆做上下直线运动，进而带动上压盘做上下直线运动；所述冷却机构安设在侧板上，正对下压盘上的2个金属构件；所述2个金属构件为上下设置，且其相对面平行；所述检测机构包括测温仪、检测探头、电源、数据处理模块；所述测温仪安设在侧板上；所述检测探头有多个，均匀环向设置在2个金属构件之间，且通过导线与电源连接，电源使检测探头发热；所述冷却机构、测温仪、电源、检测探头、液压机与数据处理模块连接；所述数据处理模块置于箱体内，控制液压机工作，进而控制传动杆上下直线运动；所述数据处理模块根据测温仪、检测探头传来的温度，控制电源、冷却机构工作，进而控制检测探头发热、金属构件的温度；所述数据处理模块根据检测探头传来的数据得出导热系数；

S2、调试阶段：取出两个调试用构件，将其中一个调试用构件置于下压盘上，在该调试用构件上放置另一个调试用构件，确保两个调试用构件的相对面平行；在两个调试用构件的相对面之间均匀环设多个检测探头，并使检测探头对称设置，且保证调试用构件完全覆盖全部检测探头；通过传动机构带动上压盘运动，使上压盘压实两个调试用构件；在显示屏处设置检测参数，设置完成后，通过传动机构升起上压盘，取出调试用构件；

S3、检测阶段：取出调试用构件与检测探头后，在下压盘上放入一个待测金属构件，在待测金属构件上均匀环设多个检测探头，并使检测探头对称设置；再放置一个待测金属构件于检测探头上，通过传动机构带动上压盘运动，使上压盘压实2个待测金属构件；通过测温仪对待测金属构件进行测温，得到并记录初始温度T1；启动检测机构，进行检测，检测结束后通过数据处理模块计算得到待测金属构件的各检测点的导热系数并进行记录；通过冷却机构降温，将待测金属构件温度降至T1；通过上述步骤重复对待测金属构件进行试验，得到多次各检测点的导热系数并进行记录；通过上述导热系数得出各检测点的平均导热系数λs1、λs2、λs3...λsn，其中n代表各检测点的标号；然后通过检测点的平均导热系数得出该待测金属构件的平均导热系数λs以及方差Q1并保存，其中：

；

S4、二次检测阶段：待测金属构件经过电磁冲击强化处理后，重复S3的检测工作，记录测量得到各检测点导热系数、/>.../>，然后计算得到并保存电磁冲击强化后待测金属构件的平均导热系数λT与方差Q2，其中：

；

S5、性能评价阶段：根据S3、S4两次检测得到的导热系数变化率p，其中：

；

通过导热系数变化率P评价电磁冲击处理效果的显著性，当导热系数变化率P在10%~30%之间时，待测金属构件电处理强化效果最佳，损伤状态较好；通过比较导热系数方差Q1与Q2评价待测金属构件强化处理前后性能均匀性。

2.根据权利要求1所述的构件损伤缺陷状态无损评价方法，其特征在于：所述下压盘的上表面为平面，所述上压盘的下表面为平面。

3.根据权利要求1所述的构件损伤缺陷状态无损评价方法，其特征在于：所述下压盘的上表面设有放置叶片状金属构件的凹槽，所述上压盘的下表面设有放置叶片状金属构件的凹槽，以使放置在下压盘、上压盘之间的2个叶片状金属构件的相对面平行。

4.根据权利要求1所述的构件损伤缺陷状态无损评价方法，其特征在于：所述多个检测探头的尺寸相同，且呈对称设置；所述检测探头为利用热阻材料制作而成的平面薄探头。

5.根据权利要求1所述的构件损伤缺陷状态无损评价方法，其特征在于：所述数据处理模块包括显示屏、操作面板、操作面板电路板、数据处理电路板；所述显示屏、操作面板置于箱体上，所述操作面板与操作面板电路板连接，所述显示屏、操作面板电路板与数据处理电路板连接，所述操作面板电路板、数据处理电路板置于箱体内；所述测温仪、电源、检测探头、液压机与数据处理电路板连接。

6.根据权利要求5所述的构件损伤缺陷状态无损评价方法，其特征在于：所述操作面板包括系统开关、降温开关、测量参数设置按键、计算开关、存储按键，所述系统开关、降温开关、测量参数设置按键、计算开关、存储按键与操作面板电路板连接。

7.根据权利要求1所述的构件损伤缺陷状态无损评价方法，其特征在于：所述上板、底板、侧板、箱体上均设有走线槽；所述冷却机构包括风扇。