微觀組織對臨界折射縱波橫向焊接殘余應力測量結果的影響

盧衍祥，王傳剛，單清群，朱其猛，馬傳平

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

微觀組織對臨界折射縱波橫向焊接殘余應力測量結果的影響

盧衍祥1，王傳剛1，單清群1，朱其猛2，馬傳平2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

焊接過程中較高的熱輸入容易引起較高的焊接殘余應力，而較高的殘余應力有可能降低工件疲勞壽命，促進裂紋萌生擴展，增加應力腐蝕敏感性。表面和內部的焊接殘余應力的無損檢測對服役可靠性的評估具有重要意義。臨界折射縱波（LCR波）殘余應力的測量原理是基于聲波傳播速度的改變和應力之間的線性關系。當使用LCR波測量橫向焊接殘余應力時，收發換能器可能同時覆蓋焊縫（MZ）、熱影響區（HAZ）以及母材（PM）中的兩個甚至三個區域，然而這些區域微觀組織的差異性都可能影響應力常數K，當測量距離焊縫中心不同距離的殘余應力時，有必要對應力常數K進行修正，提高LCR波對橫向焊接殘余應力的測量精度。

臨界折射縱波（LCR波）；應力常數K；微觀組織影響；橫向焊接殘余應力

0 前言

焊接過程中的熱應力、相變應力、加工應力等超過材料屈服極限，并在隨后的冷卻過程中部分殘留在焊件中的宏觀應力稱為焊接殘余應力。不均勻的焊接溫度場、及其導致的局部塑性變形和不同比容的組織是焊接應力和變形的最根本原因。焊接殘余應力是否有害取決于焊件的工作狀態和殘余應力的性質[1]。焊接殘余應力導致的破壞主要包括翹曲變形、應力腐蝕以及降低疲勞壽命等。引入較高殘余壓應力或者降低較高的殘余拉應力可以充分地利用殘余應力并避免殘余應力引起的破壞，超聲沖擊、激光噴丸、振動時效、熱處理等是常用的殘余應力優化方法[2-5]。

超聲波應力測量法具有設備便攜、成本較低、無類似X射線法的輻射危害等優勢，越來越多的研究者注意到了超聲波法工業價值。Yashar Javadi等人測量了管道的應力狀態[6-7]，P.Palanichamy，M. Vasudevan and T.Jayakumar使用臨界折射縱波（LCR波）法成功測量不銹鋼焊接接頭的應力狀態[8]，Lu等人測量了2219Al和Q235焊接殘余應力，并通過有限元法驗證超聲波法的可靠性，但他避開了焊縫及熱影響區的焊接應力的測量[9]。除了受到應力的影響，LCR波傳播速度同樣受到微觀組織（晶粒尺寸[10]、含碳量[11]、織構[12]）的影響，超聲波應力測量法的準確使用需要分離微觀組織和應力對聲彈性效應的影響。本研究中超聲波收發換能器之間的距離范圍為30～50 mm，當測量橫向焊接殘余應力時，收發換能器在測量過程中很有可能同時覆蓋焊縫、熱影響區以及母材中兩個或者三個區域，而不同區域的微觀組織導致具有較大差異性的應力常數K，因此測量同時覆蓋多個區域的應力時，有必要對應力常數進行修正以提高焊接橫向殘余應力的測量精度。

本研究的主要目的是修正距離焊縫中心不同距離的橫向應力常數K，然后使用修正后的應力常數K來修正橫向焊接殘余應力測量結果，從而提高臨界折射縱波對橫向焊接殘余應力的測量精度。

1 超聲波應力測量基本原理

當超聲縱波以一定角度從聲波傳播速較慢的介質1中，傳向聲波傳播速度較快的介質2時，入射波在界面出會折射出一個縱波和橫波，如圖1所示。當縱波的折射角θL等于90°時，折射縱波平行介質2表面傳播，該折射縱波稱為臨界折射縱波（LCR波），此時對應的入射角稱為第一臨界角θLCR

圖1 臨界折射縱波產生示意

式中v1為介質1中聲波傳播速度；v1為介質2中聲波傳播速度；θLCR為第一臨界折射角（單位：°）；θS為橫波折射角（單位：°）；θL為縱波折射角（單位：°）。

在彈性范圍內，超聲波應力測量技術基于超聲波傳播速度的改變量和應力之間的線性關系。當臨界折射縱波的傳播速度增加時，表明被測材料中存在殘余壓應力，相反，被測材料中存在拉應力。當材料性質確定時，殘余應力的改變量Δσ和LCR波傳播速度改變量Δv的關系

式中Δσ為應力改變量（單位：MPa）；Δv為LCR波傳播速度改變量（單位：m/s）；v0為LCR波零應力樣中傳播速度；k為聲彈性系數。

當LCR波收發換能器之間的距離L固定時，測量過程中LCR波傳播速度的改變量可由傳播時間的改變量取代

式中Δt為LCR波傳播時間的改變量（單位：ns）；T0為LCR波在零應力樣中固定距離傳播時間（單位：ns）。

T0和k由材料的基本性質確定，材料確定時，T0和k為不變的常量。K為應力常數，如式（4）所示

式中K為應力常數（單位：MPa/ns）。

式（4）用于簡化式（3）可以推出式（5）

材料類型的差異性以及收發換能器之間的距離對應力常數K都有較為明顯的影響，材料類型和收發換能器之間的距離L固定時，式（5）可以簡化為式（6）

根據式（6），應力改變量Δσ和LCR波傳播時間改變量Δt呈線性關系，應力常數K可以通過拉伸標定的方式得出。

2 試驗材料和方法

選用高速列車行業中廣泛使用的A7N01S-T5鋁合金材料，材料成分如表1所示。A7N01S-T5強度高、應力腐蝕敏感性較強。從型材上切取兩塊400 mm×125 mm×11 mm的鋁板，開有單邊35°的V形坡口，采用MIG焊，焊接工藝參數如表2所示。為了便于制作合適試樣，打磨平焊縫余高并對表面進行拋光處理，使粗糙度Ra<5 μm。按照GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法加工標準拉伸試樣進行標定，所用拉伸試驗機型號DNS300，標定溫度20℃。標定樣直接從焊接完的試板中截取，幾何尺寸如圖2所示，其中灰點表示在標定時換能器組中心對準的位置。

表1 A7N01S-T5鋁合金化學成分％

表2 焊接工藝參數

圖2 標定試樣取樣示意

3 試驗結果

焊接接頭不同區域的標定結果如圖3所示，直線斜率倒數為標定位置對應的應力常數K，各個標定位置的應力常數如表3所示。焊縫區域的應力常數與母材區域的應力常數K差距最大，因為焊縫區域的成分和微觀組織主要由焊絲ER5356決定且主要組織為鑄態組織。焊縫區域的應力常數K最小，隨著標定區域遠離焊縫中心區域，應力常數逐漸變大，應力常數和距離焊縫中心距離的擬合曲線如圖4所示，R2=0.976 7，擬合結果的可靠性較高。

表3 焊接接頭各區域的應力常數K

圖3 焊接接頭各區域應力常數K標定曲線

圖4 焊接接頭各區域應力常數K擬合曲線

材料類型、尺寸、焊接工藝參數完全相同的另一塊試板被用于驗證修正的可靠性，固定聲波換能器的楔塊中心對準空心圓圈區域，聲波的傳播方向與焊縫方向垂直，所測量的為橫向焊接殘余應力，深灰點區域為盲孔法所測量的區域，如圖5所示。盲孔法的測量結果與LCR波的應力測量結果對比如圖6所示。

由圖6可知，未進行應力常數修正的LCR波應力測量結果與盲孔法相比存在較為明顯的差異，在焊縫和熱影響區域尤為明顯，超聲波的應力測量值要大于盲孔法測量值。根據圖4中應力常數K的擬合曲線，對距離焊縫中心55 mm以內的應力常數K進行修正，修正應力常數后的應力測量結果如圖6所示，可以發現修正后的殘余應力值與盲孔法測量結果之間的差異性減小明顯，同一測點的應力值比較接近，在焊縫和熱影響區效果更為明顯。

圖5 盲孔法和超聲波法測點

圖6 橫向殘余應力測量結果

然而，對應力常數K修正后的應力測量結果與盲孔法測量結果之間仍然具有一定的差異性，這些差異性主要由以下一些因素引起：（1）標定樣中存在一定的初始應力，根據式（6）可知，初始應力對應力常數K具有一定影響；（2）零應力樣中LCR波初始傳播時間t0同樣受到微觀組織的差異性影響，而測量的過程中使用了母材的t0代替了焊縫、熱影響區的t0；（3）LCR波法和盲孔法都是表征一定范圍內平均應力，而這兩種測量方法表征的區域體積具有明顯的差異性；（4）超聲波與測量界面的耦合狀態對測量結果也具有一定的影響，測量每個點時，難以保證耦合狀態的一致性。LCR波應力測量的工程化應用必須考慮這些影響因素，才能提高應力測量結果的準確性。

4 結論

通過對比A7N01S-T5鋁合金焊接接頭臨界折射縱波法和盲孔法的殘余應力測量結果，發現兩種方法在焊縫和熱影響區的應力測量結果上存在較為明顯的差異性。而對焊縫和熱影響區的應力常數K進行修正后，兩種方法測量結果的差異性明顯降低，但并未完全消除，多種因素決定了這一差異性的存在。因此有必要進一步研究這些影響因素以提高LCR波的殘余應力測量精度和準確性，充分開發LCR波應力測量的工業化應用前景。

[1]Don E.Bray，Wei Tang.Subsurface stress evaluation in steel plates and bars using the LCR ultrasonic wave[J].Nuclear Engineering and Design，2001（207）：231-240.

[2]湯運剛，萬里，方喜風，等.振動時效時間對激光-MIG電弧復合焊鋁合金焊接接頭殘余應力的影響[J].電焊機，2015，45（5）：102-106.

[3]饒德林，陳立功，倪純珍，等.超聲沖擊對焊接結構殘余應力的影響[J].焊接學報，2005，26（4）：48-50.

[4]吳勝權，馬傳平，閆少華，等.焊前噴砂和焊后熱處理對焊接殘余應力的影響[J].機車車輛工藝，2011（4）：29-32.

[5]ZhouJ Z，Huang S，Sheng J，et al.EffectofRepeated Impacts onMechanicalProperties and Fatigue Morphologiesof 6061-T6 Aluminum Subject to Laser Peening[J].Materials Science and Engineering A，2012（539）：360-368.

[6]Yashar Javadi.Ultrasonic Measurement of Hoop Residual Stress in Stainless Steel Pipes[J].Journal of Manufacturing and Industrial Engineering（MIE），2013，12（1-2）：1-6.

[7]Yashar Javadi，Omid Afzali.Nondestructive Evaluation of Welding Residual Stress in Dissimilar Welded Pipe[J].Nondestructive Eval，2013（32）：177-187.

[8]Palanichamy P，Vasudevan M，Jayakumar T.Measurement of residual stress in austenitic stainless steel weld joints using ultrasonic technique[J].Science and Technology of Weldingand Joining，2009（14）：166-171.

[9]Lu H.，Liu X.S.，Yang J.G.，et al.Ultrasonic stress evaluation on welded plates with LCR wave[J].Sci.Technol.Weld.Join.，2008（13）：70-74.

[10]Grayeli N，Shyne J.C.Effect of microstructure and prior austenite grainsizeonacousticvelocityandattenuationinsteel[J]. Review of Progress in Nondestructive Evaluation，1985（4B）：927-937.

[11]Papadakis E P.Physical acoustics and microstructure of iron alloys[J].International Metals Reviews，1984（29）:1-24.

[12]Ploix AA，GuerjoumaR EI，Moysan J，et al.Acousticalcharacterization of austenitic stainless-steel welds for experimental and modeling[J].JournalofAdvanced Science，2005（17）：76-81.

Influence of microstructure on the measurement result of transverse welding residual stress by LCR wave

LU Yanxiang1，WANG Chuangang1，SHAN Qingqun1，ZHU Qimeng2，MA Chuanping2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Heat input in welding process leads to greater welding residual stresses，and large residual stress is likely to reduce the work piece's fatigue life，as well as promote crack extension and sensibility of stress corrosion.Nondestructive testing of surface and internal welding residual stress is very significant for the assessment of service reliability.The measurement theory of residual stress with the LCR wave is based on the linear relationship between the stress and the change of sound wave velocity.When using the LCR wave to measure transverse residual stress，the transmit-receive transducer may cover two or three zones of melting zone（MZ），heat affect zone（HAZ）and parent material（PM），but the differences between the microstructures of these zones mayeffect the stress constant K.When measuring the residualstresses which has different distance fromthe weld center，itis necessarytocorrect the stress constant K toimprove the measurement accuracyoftransverse weldingresidual stress byLCR wave.

longitudinal critically refracted（LCR）wave；stress constant K；microstructure effect；transverse welding residual stress

TG405

A

1001－2303（2016）06－0054-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.11

2016-04-22

盧衍祥（1971—），男，山東日照人，高級工程師，主要從事高速列車車體質量管理工作。