用于螺栓应力测量的超声技术及其温度修正

    1引言

    作为紧固件的高强度螺栓已广泛应用于汽车、电力等领域,科学地控制螺栓紧固力的大小对设备安全运行、提高构件寿命等都有重要的意义。

    目前,我国大多使用扭力矩扳手,在安装螺母过程中,使用若干种扭矩板手来控制力矩,这类扭矩板手可精确地设定作用在螺母或螺帽上的扭转力矩,但由于不同螺纹间摩擦力等因素的差异使得同样的扭矩造成迥然不同的螺栓轴向应力[1]。用扭矩推算螺栓轴向应力的关键是使螺纹之间及螺母与构件间的摩擦因数恒定,这在实际工作中是不可能的。因而控制力矩是达不到控制螺栓轴向应力的,由此可造成多种质量与事故的隐患。

    人们早在本世纪40年代就发现了声弹效应,并提出了用超声波方法测定金属中轴向应力大小的设想。以前许多有关的文章都围绕着声弹机理与实验的工作进行,对实用仪器的研究和在工程应用中各种干扰因素的讨论较少涉及。随着现代电子技术及微机技术的发展,超声波螺栓轴向紧固应力测试技术逐步完善[2]。本文简单介绍了超声波螺栓紧固应力测试技术的原理,阐明了一种十分方便的温度修正方案本文所述的技术可广泛应用于汽车工业。

    2基本原理

    由于声速测量的精度不断提高,目前国内外都倾向以声速为基本参量,通过测量超声波传播速度(简称声速)反映试件内部应力的大小。在实际工作中,不能直接测得声速,通常需要测量超声波传播时间(简称声时)。在试件长度一定的情况下,螺栓轴向应力与声速的关系就演化为轴向应力与声时的关系。不考虑温度变化因素,定义超声波沿螺栓轴向在螺栓两个端面来回传播的时间为声时,螺栓加载轴向应力与未加载轴向应力的声时差可表示为[3]:

    式中:C—无应力时螺栓材料的声速,

    Lc—螺栓有效夹紧长度,

    T—轴向拉应力,

    E—杨氏弹性模量,

    k—与材料弹性常数有关的系数。

    再考察螺栓单独受温度影响情况下声时的变  化。根据热弹理论,这里温度引起的声速变化为:

    式中:H—温度,

    A—常数,

    Kc、Lc—三阶温度系数。

    假定材料的热膨胀系数为g,则受温度影响声时的总体变化量为:

    上式中L为螺栓的总长度。以上的分析只考虑应力与温度的独立作用。事实上声时随温度的变化与应力有关,声时随应力的变化也受温度的影响。假定式(1)中声时随应力变化的系数k是温度的函数k(H),式(3)中声时随温度变化的系数b是应力的函数b(T)、热膨胀系数g也是应力的函数g(T)。在温度、应力同时变化情况下,声时的变化量可近似地表示为: