超声波应力检测技术及案例
超声波残余应力检测是一种利用超声波技术进行应力检测的方法，该技术是基于超声波声弹性理论，运用材料中超声波速与应力之间的固有关系进行应力检测。通过测量超声波在材料内部的传播速度、反射等参数，精确分析材料中的应力状态。超声波应力检测仪具有高精度、无损、快速、简便等优点，广泛应用于航空航天、石油化工、机械制造、轨道交通等领域。
近年来，国内超声波应力检测技术的研究进展很快，下图展示为我公司自主研发的两款（一体式、分体式）超声波应力测试设备及配套软件，它们都是工业级高精度超声波应力测量设备，通过软件实现信号的激发和采集，根据声弹性理论进行残余应力的计算，可无损测定被测对象积聚的应力。
该两款设备均符合国标GB/T 32073-2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》的要求，具备频率设置、滤波、超声激励、残余应力值计算等基本功能。具体有以下特点：
● 可同时测量应力、声时、壁厚、声速，实时显示超声波形，具有一定探伤功能；
● 配备高频数据采集卡，对上万次测量结果进行算法优化，测量结果更准确；
● 集成了温度传感器，通过温度补偿消除温度对检测结果的影响；
● 采集模块分体式设计，易于拆装，可无线连接显示操作模块，移动性强，易于现场使用；
● 设备可搭载锂电池独立供电，有效地解决了野外现场供电难的问题；
● 优良的抗干扰能力和可靠性，拥有出色的信噪比。
超声波应力检测原理
超声波应力测量法是基于材料的声弹性理论，即依据被测对象中超声波传播速度与应力之间存在的固有关系，将这种特性转为数字信号表征的力学定量检测手段。
超声波近表面应力检测
近表面应力检测是材料或零部件残余应力检测较为典型的应用场景。测量采用一对收发分离的超声波探头（也称超声波换能器），如图所示，探头声束入射角需满足第一临界角的基本条件，激发的超声波也被称作“临界折射纵波”（LCR），声传播的基本特征是：超声激励方式为脉冲激励形式，LCR沿被测对象近表面区域传播。可检测的深度取决于使用探头的频率和被测对象材质：
式中，α为检测深度修正系数，单位为mm/ns，常用金属材料参考值：钢5.98，铝6.40，铜4.81；f为探头中心频率，单位为MHz。
近表面应力检测示意图
对于临界折射纵波，与应力之间的关系简化表示如下：
可以用声时差表示：
也可以用相对声速表示：
式中：σ±为应力测量值（MPa）；Δtc为声时差（声速差）（ns）；Kσ为声弹系数（MPa/ns）。
拉应力会使得声音传播速度减慢，声时差为正；压应力会使声音传播速度加快，声时差为负。
通常同种材料的该值恒定，b为常数（MPa）。b的理论上为零，但是实际工程应用中，b往往不为零，主要由以下几个因素决定：
● 仪器分辨率；
● 零应力参考试块的“剩余应力”；
● 标定时的载荷范围选择及拉伸机的稳定性。
超声波应力检测相比其它应力检测的优势
● 不对被测对象产生任何损伤；
● 测量快速，单点测试不超过4s，可实现实时检测，也可用于系统集成实现自动化或半自动化应力检测；
● 测量深度较大，近表面应力检测深度2mm以内；
● 无任何辐射，操作安全，无需任何防护；
● 既可测量应力，又可检测试件内部的缺陷，还可用于高精度测厚；
● 适用材料广泛，理论上可以应用于任何非吸声材料。
超声波应力检测技术行业规范
目前行业内已经形成了GB/T 32073-2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》、Q/SY 05009—2016《油气管道焊缝应力超声检测技术规范》和T/CMCA 4007-2019《钢结构残余应力超声检测技术规程》等规范，使得行业应用有据可依。
超声波应力检测技术的应用案例
超声波应力检测技术，经过近几年的快速发展，已经大量应用于航空航天、石油化工、油气管道、机械制造、和桥梁建筑等众多工程领域当中。我们北京应力分析科技有限公司为这些领域中的各种结构提供了残余应力检测技术服务，部分案例如下图所示：
机械泵架焊接残余应力检测
化工容器焊接残余应力检测
袖管三通焊接残余应力测试
油气管道焊缝残余应力检测
制造业金属工件残余应力检测
