[发明专利]一种基于临界折射纵波的熔覆层应力无损评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光熔覆层应力评价，具体来说涉及一种基于临界折射纵波的熔覆层应力无损评价方法。

背景技术

在工业领域（尤其是重工业领域），关键零部件的失效可能直接或间接导致机械设备的整体失效，为此我国每年都以废旧钢铁形式回收大量的钢铁类机械设备，并作为初级材料进行回炉重熔，这不仅造成资源、能源的浪费，还严重污染环境；以资源、环境和社会可持续发展要求为背景，对失效钢铁类零部件进行再制造处理，不仅可降低工业生产成本、提高生产效益、降低环境污染、实现节能节材，还对实现社会经济与环境的协调发展具有重大意义。

基于废旧零部件失效分析，在其表面制备相应性能的再制造涂层是提高零部件表面性能和延长其服役寿命的有效措施；激光熔覆技术具有能量密度集中、熔覆效率高、可与基体形成优良冶金结合界面、热影响区小等优点，因而在再制造领域得到众多关注和广泛应用；研究表明，激光熔覆层质量是影响甚至决定激光熔覆再制造产品质量的关键因素，而应力（尤其是残余应力）又是影响激光熔覆层质量的关键因素，因而，对激光熔覆层应力进行评价不仅对保证激光熔覆再制造产品质量具有重要意义，甚至对推动再制造工程的顺利发展也具有重要意义；目前，应力评价方法主要是有损法（弯曲法、小孔法等）和无损法（射线法、光学法等）两大类，虽然上述方法在一定程度上均可实现熔覆层应力的评价，但均存在一定问题，如弯曲法需破坏试样的完整性及使用性能，且为抽样检测，结果具有一定偶然性；射线法具有辐射性，严重危害操作人员身体健康，且检测设备价格昂贵、不适宜现场和实时检测；光学法对操作环境要求较高，需专业操作人员进行操作，推广应用局限性较大；临界折射纵波属于超声波的一类，该方法具有无损、快速、操作安全、适于现场检测及可实现在线监测等优点，且该方法设备价格便宜，因而如果能建立一套行之有效的熔覆层应力无损评价方法，对提高再制造产品质量和推动再制造工程的顺利发展具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于解决或改善现有熔覆层应力评价技术中的不足，基于此提出一种基于临界折射纵波的无损评价方法，该方法不仅可实现熔覆层应力的快速、方便、安全、无损评价，还可降低甚至避免抽样检测造成的质量安全隐患。在此基础上，本发明还详细地给出了基于临界折射纵波实现熔覆层应力无损评价的方法步骤，为提高再制造产品质量安全、推动再制造工程有条不紊的顺利发展提供技术支撑。

基于临界折射纵波的熔覆层应力无损评价是以超声波声弹性特性为理论基础而实现的，即在测量熔覆层中临界折射纵波传播速度的基础上，通过建立应力与传播速度间关系实现熔覆层应力的无损评价；但超声波声弹性理论表明，超声波传播速度对应力的变化并不敏感，100MPa应力导致超声波传播速度改变量约为0.1%（铝及其合金）和0.01%（钢），因而，精确测量临界折射纵波在熔覆层中的传播速度难度非常大；鉴于此，本发明转向通过对比临界折射纵波在熔覆层试样中通过相同距离所需时间差来表征传播速度的改变量，即建立临界折射纵波通过相同距离所需时间差与应力间关系。

该对应关系可通过以下步骤得到：

步骤一，固定熔覆材料、工艺参数及实验环境不变，采用多道搭接多层堆积方式在适用激光熔覆层的钢材表面（例如45钢表面）制备熔覆层，基于静载拉伸试样国家标准，采用机械加工方法获得标准静载拉伸熔覆层试样。

临界折射纵波在熔覆层中的传播速度与熔覆层厚度没有关系，即传播速度不受熔覆层厚度的影响，熔覆层厚度主要由熔覆层自身的制备工艺决定；熔覆层的制备工艺为常规技术手段，这里不再详述。

步骤二，基于熔覆层材料与基体材料物理特性，设计相应的去应力退火热处理工艺并对熔覆层试样进行去应力退火处理，作为标定熔覆层试样声弹性常数的标准试样；对熔覆层试样进行去应力退火处理为常规技术手段，这里不再详述。

步骤三，调节并固定超声波脉冲发射接收仪激发临界折射纵波的激发参数使得表征临界折射纵波信号的激发能量不变，得到临界折射纵波（时域信号）在熔覆层中的能量衰减曲线，临界折射纵波在熔覆层中的传播距离与信号幅值间呈明显的幂函数，采用式（1）对临界折射纵波在熔覆层中的衰减结果进行拟合得到含a、b具体数值的临界折射纵波传播距离与其接收信号峰值间关系式，计算临界折射纵波信号幅值降低为最大值60%时对应的临界折射纵波在熔覆层中的传播距离作为发射探头与接收探头间距离，并通过临界折射纵波探头固定装置（6）固定该间距不变并置于熔覆层试样表面。

y＝a·x^b    （1）

式中：x：临界折射纵波在熔覆层中的传播距离；