殘余應力超聲測量技術影響因素研究

徐麗霞 李偉煜 呂海清 劉戰捷 李大海

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

殘余應力的存在會導致焊接結構的疲勞壽命降低、尺寸穩定性差和抗腐蝕能力下降，因此我國對航天產品的殘余應力檢測日益重視［1］。目前比較成熟的檢測方法有X 射線衍射法、中子衍射法、小孔釋放法（電子散斑法、應變片法）、環芯法、切槽法等［2-4］。超聲波殘余應力檢測技術具有無損傷、材料組織敏感度低、檢測速度快、無污染、適合現場操作和成本低等優點，成為殘余應力無損檢測發展方向上最有前途的技術之一［5-6］。

本文主要分析影響超聲殘余應力測量的因素及各種因素的影響機理，通過試驗結果總結影響規律，然后給出相應的措施，避免這些因素給測量結果帶來誤差。

1 溫度對應力測量的影響研究

被測物體材質為5A06 鋁合金，采用一發一收模式進行測量，兩探頭之間間距固定為40 mm，實際測試確定第一臨界角折射縱波角度為27°

1.1 機理分析

固體溫度的升高會引起聲速的降低，因此被檢產品中超聲波傳播速度不僅與殘余應力的大小相關，還與被檢產品的溫度相關。關于溫度對超聲測量的影響，相關國內外學者都已做過深入研究并給出了溫度補償系數公式和溫度補償曲線［7-8］。

溫度會影響超聲波的傳播速度，溫度升高，超聲波傳播速度變慢，溫度降低，超聲波傳播速度變快。根據熱彈性理論，在一定溫度范圍內，超聲波在介質中的傳播速度與溫度成近似的線性關系[9]：

此外，溫度的改變將導致超聲波傳感器發生熱脹冷縮的現象，導致超聲波的聲程發生變化，由原來的L0變為L=L0(1+βΔT)。因此溫度對聲時的變化量為：

上述公式中，v(T)是溫度為T情況下的聲速，V0為基準溫度下的超聲波傳播速度，α為聲速隨溫度變化的聲速系數，β為超聲波傳感器的熱膨脹系數，ΔT為被測材料的溫度變化量，L0為兩個探頭的中心固定距離。

由公式可知溫差變化較大的環境下，需要消除溫度對測量結果的影響，故本次試驗的試驗系統也引入了5A06鋁合金的溫度補償，規定基準溫度為22 ℃，將每次試驗測量得到的不同溫度下的聲時根據溫度補償系數轉化為基準溫度下的聲時。記錄在相同測試條件下不同溫度下的n（n=60）組5A06鋁合金的溫度和聲時數據，見圖1，得到聲時溫度擬合曲線為：

圖1 5A06鋁合金的60組溫度的聲時變化曲線Fig.1 Acoustic time variation curve of 60 groups temperatures of 5A06 aluminum alloy

該式是在20～32 ℃測試條件下擬合得到的，建議該公式使用條件限于20～32 ℃溫度范圍內。

在探頭中心距離為40 mm條件下，1 ℃的溫度變化可以引起5A06鋁合金殘余應力測量2.123× 10-3μs的聲時誤差。將式（3）編入系統軟件，由系統軟件根據采集的溫度數值自動消除溫度造成的誤差。

1.2 結果分析

從計算結果可知，在固定距離為40 mm 的情況下1 ℃的溫度變化可以引起5A06鋁合金殘余應力測量2.123× 10-3μs的聲時偏差。因此，在實際測量的結果中，應該精確測試環境溫度，并進行溫度矯正，才能保證超聲波檢測結果的精確性。

2 工件表面粗糙度對應力測量的影響研究

2.1 機理分析

LCR 波在材料的近表面傳播，試驗件的表面粗糙度對信號傳播有影響，試驗件表面粗糙度越小，入射到工件中的LCR 波能量就越多，LCR 波的波形效果越好，而粗糙度較大時，聲耦合效果變差，出現較大的側向散射，導致LCR 波聲束的指向性差，降低測量靈敏度。

2.2 試驗驗證

加工試件為表面平面度為0.03，Ra≤6.4 μm 的5A06 鋁合金試件，試件均分為三部分，將二、三部分用粗砂紙打磨，工件放置在窗外3 d，之后在實驗室內對未經砂紙打磨的第一部分和打磨過的第二部分用清水和丙酮清洗干凈，分別記為狀態Ⅰ、Ⅱ，打磨過的第三部分留有灰塵，記為狀態Ⅲ，以此打造表面粗糙度不同的三種5A06 鋁合金試件表面粗糙度。理論上，三種表面粗糙度大小依次為：Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ。在三種表面進行三組試驗，根據接收到的LCR 波的時間和幅值判斷表面粗糙度的影響，得到的波形圖見圖2。

圖2 三種不同粗糙度表面鋁合金試件的LCR波形Fig.2 LCR waveform of aluminum alloy specimens with three different roughness surface

提取波形圖信息見表1。試驗證明，表面粗糙度不同，LCR波傳播時間和波峰值不同，傳播時間越短說明LCR波傳播的路徑越短，LCR波峰值越大說明入射到工件中的LCR波能量就越多，聲衰減越小，聲耦合效果越好。砂紙打磨過的兩種狀態相差20 ns。試驗證明了表面粗糙度影響LCR波的傳播時間和能量，粗糙度越大LCR波的傳播時間越長，能量越小。主要原因是超聲波在傳播過程中，表面粗糙度大的工件材料中晶粒或其他微小顆粒對聲波的散射，被散射的超聲波一部分可能最終變為熱能，降低超聲波幅值。

表1 三種不同表面粗糙度下的LCR波信息Tab.1 LCR waveform information of three different roughness surface

結合實際工程應用考慮，測量原材料和精密加工后不同表面粗糙度狀態下的LCR 波信息，根據接收到的LCR 波的時間和幅值測定表面粗糙度的具體影響。兩種原材料的表面狀態如實物圖3所示，可以看出，（a）圖的原材料表面較為光滑，此狀態記為狀態Ⅳ，為而（b）圖的原材料表面狀態較差，此狀態記為狀態Ⅴ。再選擇之前試驗所用的表面平面度為0.03，Ra為6.4 μm 的5A06 鋁合金試件，即狀態Ⅰ。三種狀態下得到的LCR波信息見表2。

圖3 原材料表面狀態實物圖Fig.3 Photos of raw material surface

表2 不同原材料表面得到的LCR波信息Tab.2 LCR waveform information of different roughness surface

2.3 結果分析

試驗表明，表面狀態較差的原材料與精密加工后兩種狀態LCR 波傳播時間相差20 ns，約48.8 MPa的應力變化。因此表面狀態聲對耦合效果具有較大的影響，進一步影響到超聲波的傳導，從而影響LCR波聲束的指向性以及測量的靈敏度。

考慮以上分析結果，為了避免粗糙度不同帶來的試驗誤差，采取超聲波探傷常用的對比試件的方法，制作一系列已知表面粗糙度的標準樣件進行表面粗糙度影響因子校正，分別測量標準樣件在基準溫度（22 ℃）下的初始聲時，統計整理并記錄在冊，測量具體待測件時，先與標準件的粗糙度一一比對，然后調用與標準件粗糙度一致的初始聲時數據。

3 耦合狀態對應力測量的影響研究

3.1 機理分析

超聲耦合狀態可用超聲波在檢測面上的聲壓往復透過率表征。超聲耦合好則聲壓往復透過率高。當換能器和待測件之間有很薄的一層空氣時，聲壓往復透過率也幾乎達到0%，因此，接觸法超聲檢測排除換能器和待測件之間的空氣尤為重要。為了改善換能器和待測件之間聲能的傳遞而加在換能器和檢測面之間的液體稱為耦合劑，耦合劑的主要作用是填充換能器與待測件間的空氣間隔，從而使超聲波有效地傳入，耦合劑在超聲殘余應力檢測中有重要影響。

3.2 耦合劑的選擇

從聲傳遞角度來說，耦合劑的選擇應遵循聲阻抗匹配和低衰減的原則，從實用性角度來說，還應具有對人體無害、對試件無腐蝕性、成本低廉等特點，幾種常用耦合介質的聲學性能參數見表3。

表3 常用介質的聲學性能參數Tab.3 Acoustic performance parameters of common media

由表3可知，甘油是常用耦合劑中聲阻抗最高的，機油是聲衰減率最小的，所以選擇機油和甘油進行耦合效果的對比試驗，擇優作為殘余應力檢測的耦合劑。試驗時在LCR波換能器上放置了相同質量的壓塊，在兩種耦合條件下得到的LCR波形圖如圖4所示。由圖4可知，機油和甘油作為耦合劑時，接收到的LCR波聲時不同，相差440 ns，所以試驗過程中一定要保持耦合劑的統一。

圖4 機油和甘油作為耦合劑時LCR波波形圖Fig.4 LCR waveform with engine oil and glycerin as coupling agent

機油作為耦合劑時接收到的LCR 波傳播峰值2 975 mV，甘油作為耦合劑時接收到的LCR 波傳播峰值3 071 mV，說明甘油作為耦合劑時LCR 波衰減較小。LCR 波的能量相比于其他波（縱波、橫波等）的能量較低，能量低則波形效果不明顯，因此，試驗過程中選擇甘油作為耦合劑，以便更準確的提取LCR波信息。

3.3 耦合強度

耦合強度為固定耦合劑數量的條件下換能器的壓實程度。通過在換能器上加不同質量的砝碼來反映耦合強度的大小。

選擇甘油作為耦合劑，進一步研究耦合強度對LCR 波形效果的影響。試驗在LCR 波換能器上放置四組不同質量的砝碼，砝碼質量1 kg，砝碼個數分別為0、1、2、3 個，耦合劑數量統一用滴管滴取2 滴，操作見圖5。四組不同質量壓塊條件下得到的LCR 波形圖見圖6。

圖5 LCR波換能器上放置壓塊操作圖Fig.5 Operation diagram of LCR transducer with different pressure block

圖6 加不同質量壓塊的LCR波形圖Fig.6 LCR Waveform with different weight block

提取圖中的LCR波信息，見表4。分析表4數據可知：甘油作為耦合劑，耦合強度不同LCR波的接收時間有差別，壓塊質量大則傳播時間短，傳播時間的不同說明不同壓塊質量下，換能器與待測件之間的耦合劑厚度不同，從而波的傳播距離有所差別。未加壓塊與加1 kg砝碼的壓塊傳播時間差別很大，相差40 ns，即97.6 MPa；1和2 kg的壓塊對比LCR波傳播時間變化不大，有10 ns的變化，即24.4 MPa；2和3 kg的壓塊對比LCR波傳播時間和傳播距離都不再變化，說明在2 kg質量的壓塊下，換能器與待測件之間的耦合劑被壓實。耦合強度不同對LCR波的幅值也有影響，壓塊的質量越大，LCR波的幅值越大，即LCR波衰減越小，換能器與試件的耦合效果越好。

表4 不同耦合強度下的LCR波信息Tab.4 LCR waveform information with different coupling strength

結合實際工程應用考慮人工操作帶來的測量誤差問題，對超聲探傷工作者和非專業人員在操作過程中因耦合強度引起的測量誤差進行了對比試驗，兩人分先后測量5個做好標記的測量點，記錄聲時數據，見表5。取5組應力差值的平均值9.7792 MPa 作為結果。

表5 不同人測量的操作偏差Tab.5 Operational deviations by different operators

3.4 結果分析

試驗結果表明，超聲探傷工作者和非專業人員在操作過程中因耦合強度引起的測量誤差約為10 MPa，有必要在試驗過程中統一耦合強度。綜合考慮以上影響因素分析結果，為了避免人工操作帶來的測量誤差，試驗最終的耦合條件為：耦合劑類型為甘油，用量為2滴，選擇用滴管滴取，加載質量為2 kg。

4 雙向應力測試

按照校正后的影響因素參量，采用超聲臨界縱波測試雙向拉伸載荷條件下的雙向應力系數，以應力為橫坐標、聲時差為縱坐標的曲線擬合如圖7所示。

圖7 平行加載方向測量的雙向應力系數標定圖Fig.7 Calibration diagram of bidirectional stress coefficient measured in parallel loading direction

由圖7可知，應力與聲時差之間存在良好的線性關系，擬合得到雙向應力系數KB=2.94 MPa∕ns。根據超聲測量得到的聲時差，計算得到超聲波實測的應力值。以拉力值為橫坐標，分別以應變片計算的應力值和超聲測量應力值為縱坐標進行曲線擬合，結果見圖8。可知，兩者斜率只相差6×10-3，截距僅相差1.257，說明標定的平行加載方向雙向應力系數線性度良好，超聲測量結果與真實應力值最大偏差小于4 MPa。

圖8 應變片計算應力與超聲測量應力對比圖Fig.8 Comparison diagram of strain gauge calculation stress and ultrasonic measurement stress

5 結論

（1）溫度高則LCR 波聲時增加，溫度低則LCR 波聲時減小，通過60組不同溫度下的聲時數據，計算得到了5A06 鋁合金的溫度補償系數，試驗結果表明，1 ℃的溫度變化可以引起5A06 鋁合金殘余應力測量2.119 × 10-3μs 的聲時偏差，依據試驗結果在試驗系統中引入了溫度補償系數。

（2）在相同溫度、耦合狀態的條件下，通過三組不同表面粗糙度下換能器接收到的LCR 波信息的試驗，證明了表面粗糙度越大，LCR 波傳播時間越長、能量越小。結合實際工程應用考慮，測量原材料和精密加工后兩種表面粗糙度狀態下的LCR 波信息，兩種狀態下LCR 波傳播時間相差20 ns，約48.8 MPa的應力變化，工程應用需要制作一系列已知表面粗糙度的標準樣件進行表面粗糙度影響因子校正。

（3）通過實驗室常用耦合劑，機油和甘油接收到的LCR 波信息的對比試驗，證明了甘油作為耦合劑時LCR 波的衰減比機油時小；在相同溫度、表面粗糙度的條件下，通過不同耦合強度下的試驗，證明了耦合強度在一定范圍內影響LCR 波的傳播聲程，超聲探傷工作者和非專業人員在操作過程中因耦合強度引起的測量誤差約為10 MPa，必須在試驗過程中統一耦合強度。

對以上影響因素進行校正后，進行雙向加載條件下平面雙向應力測試，測試結果顯示標定的平行加載方向雙向應力系數線性度良好，超聲測量結果與真實應力值最大偏差小于4 MPa。測試結果說明控制影響因素在合理范圍，能夠有效提高超聲波檢測殘余應力的精準度，減小測量誤差。