Page 82 - 无损检测2023年第十一期

静丰羽, 等:

基于超声双波法的螺栓紧固力在线测量

L
S
/
t σ t σ -C 在考虑温度的影响时, 将横纵波渡越时间比的
F= ( 11 )
B 温度修正系数 M 和温度变化量 ΔT 代入关系式
该方法无需事先测量螺栓不受力时超声波的渡 ( 18 ) 对横纵波渡越时间比进行修正, 将修正后的横
越时间, 消除了螺栓长度对测量的影响, 能够用于测 纵波渡越时间比代入标定公式, 即可补偿温度对螺
量在役螺栓的紧固力大小, 具有广阔的应用前景。 栓紧固力测量结果的影响。
1.2 温度对紧固力检测的影响
螺栓服役过程中, 温度作为一种环境变量会对 2 螺栓紧固力的超声标定与测量
超声波传播速度、 螺栓长度产生影响, 从而影响螺栓 高强度螺栓的材料多种多样, 试验选取的螺栓
紧固力的检测结果。因此, 对温度的影响进行分析 为钢结构中应用较多的8.8级高强度螺栓, 螺栓材料

与修正是十分必要的。 为45钢, 头部厚度为10mm , 栓体长度为170mm , 此
, 检测时的环
假设标定过程中的环境温度为T 0 类螺栓常应用于工程中抱箍的锁紧固定等场合, 螺
境温度为 T 。 结合非线性声学理论, 温度对纵波和 栓试件实物如图2所示。
横波声速的影响可以表示为 [ 11 ]
L
L
L
V T = V T 1- α ΔT ) ( 12 )
(
0
S
V T = V T 1- α ΔT ) ( 13 )
S
S
(
0
式中: α 和α 分别为纵波和横波在螺栓中传播的
S
L
温度影响系数; ΔT 为检测时温度T 相比于标定时
的变化量。
温度T 0
温度对螺栓长度的影响可以表示为
(
L T = L T 1+ β ΔT ) ( 14 )
0 图2 试验用螺栓实物
时的螺栓长
式中: L T 和 L T 分别为温度为T 和T 0
0 试验装置由拉伸试验机、 螺栓专用夹具、 超声检
度; 为螺栓材料的热膨胀系数。
β
时, 超声纵波的渡越时间可表示为 测系统组成, 装置如图3所示。拉伸试验机通过螺
温度为T 0
栓专用夹具对螺栓施加拉力载荷, 磁铁的作用是对
2 L T
L
t T = 0 ( 15 ) 探头产生一定的作用力使得探头与螺栓端面紧密贴
0 L
V T
0 合, 保证耦合状态稳定。超声脉冲发生器 - 接收器进
温度为T 时, 超声纵波的渡越时间可表示为
行超声波信号的激励与接收, 示波器的采样率为
(
2L T 1+ β ΔT )
-1
L
t T = 0 ( 16 ) 1GS · s , 能够对超声波信号进行实时采集, 满足
L
(
L
V T 1- α ΔT )
0 螺栓紧固力测量的精度需求。
同理, 推导得出温度为T 时, 超声横波的渡越时
S , 则温度为T 时, 横纵波渡越时间比可表示为
间 t T
S
S
t T t T 0 S L
(
L ≈ L [ 1+ α - α ) ΔT ] ( 17 )
t T t T
0
令 M = α - α , 则横纵波渡越时间比可简化为
L
S
S
S
t T t T 0
( 1+MΔT ) ( 18 )
L = L
t T t T
0
由式( 18 ) 可知, 横纵波渡越时间比与温度变化
量呈线性关系, M 为横纵波渡越时间比的温度修正
系数, 可通过温度和横纵波渡越时间比的标定试验
来确定。 图3 螺栓标定试验装置
结合温度对横纵波渡越时间比的影响, 螺栓受 试验探头为横纵波一体探头, 纵波和横波的激
力时横纵波渡越时间比可表示为 励相互独立, 外圈可激励出纵波, 内圈激励横波。耦
S 合剂选择专用的横波耦合剂, 耦合剂具有较大的黏
t ( σ , T )
(
= BF+C )( 1+MΔT ) ( 19 )
L 稠度, 可显著增强横波的回波信号。标定试验主要
t ( σ , T )
4
4
2023年 第45卷 第11期
无损检测