溫度對(duì)鋁合金殘余應(yīng)力檢測(cè)誤差的影響分析

孫曉紅，孟立春，李曉東，朱忠尹

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

0 前言

超聲波法能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)金屬材料及結(jié)構(gòu)的表面殘余應(yīng)力，已廣泛應(yīng)用于高速列車的車體結(jié)構(gòu)上，尤其是針對(duì)鋁合金、不銹鋼、碳鋼等材料組成的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)[1-5]。

影響超聲波法殘余應(yīng)力檢測(cè)精度的因素有很多，其中溫度是重要因素。以超聲波法測(cè)試中常用的臨界折射波（LCR波）為例，殘余應(yīng)力測(cè)試過程中，對(duì)時(shí)間測(cè)試精度要求較高，納秒級(jí)別的采集時(shí)間誤差都有可能造成應(yīng)力測(cè)試的巨大偏差。在近40年超聲法殘余應(yīng)力測(cè)試的發(fā)展過程中，關(guān)于溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響分析較為簡(jiǎn)單，甚至很多研究采取了回避溫度影響的研究方案。文獻(xiàn)[1-3]研究了測(cè)試溫度對(duì)鋼類材料應(yīng)力的測(cè)試影響，但他們的測(cè)試結(jié)果存在一定的偏差。

定量分析溫度影響超聲技術(shù)的機(jī)理，修正處理測(cè)試溫度是保證超聲波測(cè)試精度的重要前提。溫度對(duì)LCR波殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的影響主要表現(xiàn)為：①溫度對(duì)聲彈性原理的影響；②溫度引起測(cè)試工件的物理性質(zhì)發(fā)生變化；③溫度引起固定收發(fā)換能器有機(jī)玻璃塊物理性質(zhì)的變化。

本研究針對(duì)A7N01P-T4鋁合金焊接接頭，在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中研究溫度對(duì)母材、熱影響區(qū)、焊縫的影響，并建立溫度修正模型，從而獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

采用臨界折射縱波（LCR波），殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)處理電腦，示波器，信號(hào)發(fā)生裝置，探頭組，熱電偶TP100，如圖1所示。示波器為泰克 MDO3034，采樣頻率范圍為100 MB～2.5 GB，最小時(shí)間的采樣誤差為0.4 ns；信號(hào)發(fā)生裝置為奧林巴斯5072PR；探頭組中所使用的探頭為奧林巴斯與汕超定制探頭，固定探頭的楔塊為進(jìn)口有機(jī)玻璃材質(zhì)；熱電偶用于采集環(huán)境溫度，補(bǔ)償溫度影響LCR波速度造成的誤差。

圖1 LCR波殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)示意

使用的超聲換能器探頭中心頻率為：2.25 MHz，3.5 MHz，4 MHZ，5.0 MHz和 10 MHz，其中 5.0 MHz與10MHz的壓電陶瓷芯片直徑尺寸為6mm，4MHz探頭芯片直徑為5 mm，2.25 MHz和3.5 MHz的壓電陶瓷芯片直徑為13 mm。固定在有機(jī)玻璃楔塊上后，收發(fā)換能器中心射出點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離均為30mm，則定義測(cè)試距離為30 mm。收發(fā)換能器之間的距離不宜太小，過小的測(cè)試距離一方面容易靠近聲場(chǎng)，另一方面測(cè)試板件較薄時(shí)，底面反射波可能與LCR波混合造成測(cè)試誤差。超聲法相對(duì)于X射線法，所測(cè)試的空間區(qū)域過大即空間分辨率太低，對(duì)于測(cè)試區(qū)域跨越焊縫時(shí)，或者要求更高空間分辨率時(shí)，可以通過直接粘貼壓電陶瓷裸片的方式測(cè)試。

超聲傳播速度容易受到測(cè)試溫度影響，但測(cè)試條件很難保證均為恒溫環(huán)境。測(cè)試過程中實(shí)時(shí)采集測(cè)試溫度，補(bǔ)償計(jì)算溫度對(duì)測(cè)試的影響。本研究使用電阻熱電偶實(shí)時(shí)采集測(cè)試溫度，熱電偶的電阻值與溫度成正比，測(cè)試溫度范圍為0～50℃。

試樣加工尺寸如圖2所示。對(duì)于傳播時(shí)間的測(cè)試采用時(shí)間差的方案，以2℃為基準(zhǔn)時(shí)間，其余溫度狀態(tài)的時(shí)間為其相對(duì)時(shí)間。

圖2 試樣加工尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 溫度影響驗(yàn)證分析

焊縫、熱影響區(qū)、母材測(cè)試初始信號(hào)如圖3～圖5所示，通過互相關(guān)法對(duì)測(cè)試信號(hào)計(jì)算時(shí)間差，測(cè)試結(jié)果如表1所示。使用Matlab最小二乘法擬合出溫度與傳播時(shí)間關(guān)系如圖6所示。

圖3 母材狀態(tài)超聲波在各個(gè)溫度下傳播信號(hào)

圖4 熱影響區(qū)超聲波在各個(gè)溫度下傳播信號(hào)

圖5 焊縫區(qū)超聲波在各個(gè)溫度下傳播信號(hào)

由圖5可知，雖然焊接接頭中WZ、HAZ、BM各區(qū)域的微觀組織差異較為明顯，但是溫度與聲時(shí)差擬合關(guān)系具有明顯的一致性，可以推導(dǎo)出該溫度范圍內(nèi)微觀組織對(duì)超聲波傳播特征的影響不大。

LCR波屬于縱波，根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，縱波在無應(yīng)力各向同性介質(zhì)中傳播速度為

式中 E為彈性模量；μ為泊松比；ρ0為材料初始密度。

表1 焊接接頭各區(qū)域不同溫度狀態(tài)傳播時(shí)間

圖6 超聲波傳播時(shí)間與溫度關(guān)系擬合

當(dāng)測(cè)試溫度較低時(shí)（0～38℃），因?yàn)樵摐囟葼顟B(tài)下，材料的彈性模量E和密度ρ變化都極小，溫度對(duì)聲彈性效應(yīng)的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，而聲彈性效應(yīng)與溫度的關(guān)系與所測(cè)試的材料無關(guān)?？梢酝茰y(cè)出當(dāng)溫度較高時(shí)，微觀組織具有明顯差異的材料，其聲時(shí)差受溫度影響將有明顯不同，因?yàn)殡S著溫度的升高，彈性模量E和密度ρ變化明顯，甚至超過溫度對(duì)聲彈性效應(yīng)的影響，而納秒級(jí)的聲時(shí)差變化也將導(dǎo)致明顯的應(yīng)力測(cè)試誤差。局限于試驗(yàn)條件，本研究未對(duì)更高溫度下聲時(shí)差變化進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)測(cè)試環(huán)境為沙漠管道、夏季野外鋼軌、野外高速列車車體等情況時(shí)，被測(cè)試工件溫度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過38℃，需要進(jìn)一步研究溫度影響機(jī)理，并單獨(dú)修正WZ、HAZ與BM。

2.2 溫度影響修正模型建立

超聲法受溫度影響參數(shù)為t，t0，而t和t0為相差關(guān)系，因此僅需要修正t或者t0即可補(bǔ)償應(yīng)力測(cè)試過程中的溫度影響。假設(shè)溫度對(duì)t0的影響為f（T），則溫度補(bǔ)償?shù)腖CR波應(yīng)力修正公式為

式中 T為測(cè)試溫度，根據(jù)圖6擬合出f（t），溫度補(bǔ)償修正公式為

本實(shí)驗(yàn)中使用的收發(fā)探頭距離為30 mm，超聲在鋁合金中的傳播速度約為6 700 m/s，則接收換能器接收到聲波的時(shí)間為4 500 ns，而38℃的溫度變化引起t0的變化量?jī)H稍大于14 ns，對(duì)t0的影響為0.31%，所以溫度的變化對(duì)K的影響可忽略不計(jì)。

該模型的修正溫度為2～38℃，若測(cè)試溫度不在該范圍內(nèi)，該修正模型可能無效。特別當(dāng)測(cè)試溫度過高時(shí)，材料的彈性模型E和密度ρ發(fā)生明顯變化，有必要對(duì)其建立新的補(bǔ)償修正關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)測(cè)試溫度較低時(shí)（0～38℃），因?yàn)樵摐囟葼顟B(tài)下，材料的彈性模量E和密度ρ變化都極小，溫度對(duì)聲彈性效應(yīng)的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，而聲彈性效應(yīng)與溫度的關(guān)系與所測(cè)試的材料無關(guān)。

（2）當(dāng)溫度較高時(shí)，微觀組織具有明顯差異的材料，其聲時(shí)差受溫度影響將有明顯不同，因?yàn)殡S著溫度的升高，彈性模量E和密度ρ變化明顯，甚至超過溫度對(duì)聲彈性效應(yīng)的影響，而納秒級(jí)的聲時(shí)差變化也將導(dǎo)致明顯的應(yīng)力測(cè)試誤差。

（3）當(dāng)修正溫度為2～38℃時(shí)，溫度修正模型為Δσ=K[t-（0.414 05T-0.874 06）]。

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