鈦合金焊接接頭殘余應力超聲波檢測技術研究*

0 前 言

TC4 鈦合金具有輕質高強、 耐腐蝕性能好等優良特性， 被廣泛應用于船舶、 航空航天、石油化工等諸多領域

。 隨著工業技術的不斷發展， 鈦合金焊接結構應用日益增加， 但焊接的局部快速加熱冷卻特性， 極易在構件中產生較高的殘余應力

。 在服役過程中高的殘余應力會顯著降低鈦合金構件的強度及整體穩定性， 造成重大經濟損失甚至傷亡性事故

。 因此準確測量鈦合金焊接構件的殘余應力， 對其服役安全至關重要。

2015年原農業部制定了《到2020年化肥、農藥使用量零增長行動方案》，2016年國務院頒布《土壤污染防治行動計劃》對今后我國土壤污染防治工作作出了全面部署。2018年8月31日，十三屆全國人大常委會第五次會議全票通過了《中華人民共和國土壤污染防治法》。這些政令、計劃的實施吹響了土壤修護的集結號。

目前殘余應力檢測方法根據其對構件破壞程度差異可分為破壞性的機械法（小孔法、 裂紋柔度法等） 和無損的物理法（超聲波法、 X 射線法、磁測法等）。 其中機械法是通過去除被測構件部分區域材料， 釋放被去除區域應力， 測量因應力釋放導致構件產生的應變， 計算出殘余應力的大小。物理法是采用X 射線、 超聲波等信號， 檢測由于外加應力導致的晶格畸變及傳播聲速的變化， 從而計算殘余應力值。 相比機械殘余應力測試方法，物理法不會對構件產生任何損傷， 在精密、 貴重、大型設備制造及服役過程中的應力檢測中具有獨特優勢， 成為目前殘余應力測試研究的熱點

。超聲波法具有穿透性強、 操作簡單、 無輻射等優點， 克服了X 射線測量深度淺、 操作復雜等問題，已被廣泛應用于機車車輪、 石油管道等領域

。針對鋼等磁性材料， 超聲楔塊主要采用磁鐵進行固定吸附， 而鈦合金無磁特性使得超聲楔塊與待測表面無法用磁鐵固定， 導致檢測結果漂不穩定， 檢測難度較高。

例題貴在精而不是貴在多，數學是需要思考的，數學教育的目的也不是培養熟練的工種[18]，因此有理數例題的配備除了注重學生運算能力，也要注重學生對有理數概念的理解與掌握，不能只注重是什么，更要知道為什么．RJ版教科書有理數的例題全部出現在有理數加減乘除運算的小節中，在1.2.1有理數小節中沒有出現例題，這一定程度上體現出RJ版教科書重運算而輕概念．相反，CM教科書在每小節的KEY CONCEPT（核心概念）模塊后都列舉一或兩道例題來幫助學生理解所給概念．

本研究針對鈦合金無磁特性引發的超聲殘余應力測試結果不準確的問題， 設計了超聲楔塊貼合輔助裝置， 并對其實用性進行了驗證，以期提升鈦合金殘余應力超聲波檢測結果的穩定性。

1 超聲波殘余應力檢測原理

圖5 為未使用超聲楔塊貼合輔助裝置時TC4鈦合金試板超聲LCR 波形采集圖。 波形采集時的參數分別為： 超聲換能器頻率5 MHz、 激勵電壓300 V、 阻抗匹配值200 Ω、 濾波頻率2.5 MHz。

在耦合劑厚度保持1.5 mm 時， 在同一位置對LCR 波形圖進行了多次采集， 其波形圖如圖8 所示。 當耦合劑厚度保持一致時， 在同一點采集的三組LCR 波形數據幾乎重合， 表明超聲楔塊貼合輔助裝置可以有效改善超聲楔塊與被測表面之間的貼合狀態， 使超聲波傳播距離L 固定， 提高了超聲波形采集穩定性。

根據聲彈性原理， 超聲折射縱波在應力方向上進行傳導時， 其聲速會受到傳導區域內應力的影響而發生變化， 變化之后的聲速

為

被測材料的應力系數在超聲波殘余應力測量過程中至關重要， 標定試樣制作完成后需按照熱處理標準對其進行去應力退火， 在應力水平較低時進行超聲基準波形采集， 去應力退火參數根據GJB 3763A—2004 《鈦及鈦合金熱處理》 選用600 ℃、 3 h、 空冷。 標定試驗采用WDW3100 型萬能試驗機施加外部載荷， 其載荷精度可達0.001 N， 控制方式為載荷控制， 載荷達到預定值后保載10 s 進行標定。 為保證超聲楔塊與標定試樣表面的穩定貼合， 采用橡皮筋輔助固定。圖9 是根據GB/T 32073—2012 設計的拉伸標定試樣尺寸圖， 伸長段寬度取26 mm， 以確保超聲楔塊實現縱向貼合。

式 （2） 中參數k 和v

為常量， 測量超聲波波速變化即可計算出應力值。 但精確測量臨界折射縱波聲速的微小變化難以實現， 實際應力測量時通常將超聲波在固定傳播距離L 的內傳播時間變化來反應聲速的變化。 將其代入式（2） 中，可推導出

焊接材料選用100 mm×100 mm×4 mm 的退火態TC4 鈦合金薄板， 采用對焊形式進行激光焊接。 焊接試驗使用nLIGHT-alta-TM 光纖激光器， 其最大功率6 000 W， 波長1 080 nm， 光纖直徑200 μm， 焦距300 mm， 整個焊接過程采用氬氣進行保護。 本次焊接所用激光功率4 000 W，焊接速度1 200 mm/min， 離焦量0 mm。 激光焊接試驗裝置如圖3 所示。

在霞浦進行拍攝，要考慮到潮汐帶來的景色變化，隨著潮水的褪去，灘涂才會顯露出來，此時是拍攝的最佳時機。沙江是此行拍攝灘涂最為壯觀的地點之一，本來期待拍攝落日的我們，雖然沒有如期而遇地等到太陽，沒有晚霞的絢麗色彩，索性使用黑白模式。這里眾多插在灘涂上的竹竿形成的優美線條，錯落有致地排列在“S”形的港灣水道兩邊，依然構成了一幅完美的灘涂風景。每當海帶收獲季節，來來往往的船只，在竿影間繁忙穿梭，水墨韻律更加美妙突出。

鈦合金的無磁特性導致超聲楔塊與被測材料表面的貼合狀態穩定性大幅降低， 耦合劑厚度的輕微變化將導致固定傳播距離L 發生變化， 降低超聲波殘余應力測量結果的準確性。

2 試驗設計

2.1 試驗材料與方法

從超聲臨界折射縱波殘余應力測量公式簡易推導過程來看， 超聲波固定傳播距離L 對應力檢測結果影響極大。 若傳播距離L 發生改變，應力檢測結果隨之變化， 不僅難以反映超聲臨界折射縱波的聲速變化， 還會直接影響檢測結果的精度。

殘余應力測量之前， 采用80

、 280

、 600

、1000

、 1500

砂紙對焊接接頭表面進行打磨， 加工出平整光滑的待測面以滿足應力測試要求。 小孔法殘余應力測試參照GB/T 31310—2014 《金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法》 進行， 應變片型號為BE120-2CA-K-Q30， 電阻值120.3 Ω±0.3 Ω， 靈敏系數2.23%±1%。 應變儀型號為澄科-CT2110， 其最大量程±2 000 με， 分辨率0.5 με，系統示值誤差0.3%±0.5 με。 應變釋放系數根據GB/T 31310—2014 進行計算， 鉆孔直徑與深度均為2 mm。 超聲法測試流程按照GB/T 32073—2015 《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》 進行。 超聲波法與小孔法測量點布置如圖4 所示， 在焊接試板上排布A、 B 兩條測試線， 測試線間隔50 mm， 各測量點之間等間距20 mm ， 共計16 個測量點。 規定垂直于焊縫方向為x 軸、 平行于焊縫方向為y 軸。

怒江州政府從2003年開始大量招商引資，推進中小水電開發。國家發改委評審通過了《怒江中下游水電規劃報告》，計劃了在怒江修建“兩庫十三級”電站的開發方案,但上述規劃方案遭到了環保組織的反對。在隨后的十一五、十二五國家能源發展規劃中，怒江水電開發的計劃一直位列其中。通過民間環保力量的不懈努力，經過十多年保護與開發的探討，在2016年12月的能源發展十三五規劃中，怒江水電開發終于出列。

2.2 超聲楔塊貼合輔助裝置設計

超聲波殘余應力檢測系統原理及實物如圖1所示。 圖1 （a） 所示為超聲波殘余應力檢測原理圖， 通過計算機控制超聲波發射板卡激發超聲波換能器， 將超聲波導入被測材料， 超聲波接收板卡對超聲回波信號進行采集并將數據傳輸到計算機做分析計算， 結合聲時差與應力之間的對應關系即可計算出被測材料內部殘余應力的大小

。 根據超聲波應力檢測系統原理圖自主搭建的超聲波殘余應力檢測平臺如圖1 （b） 所示， 其最大激勵電壓400 V，采樣頻率100 MHz， 最大增益100 db， 并設有收發分離、 收發一體兩種檢測模式。

從圖5 可以看出， 即使在同一點進行超聲LCR 波的多次采集， 波形數據之間重合度依然較低， 存在較大的相位差異。 這可能是由于超聲楔塊貼合時耦合劑厚度不一致引起超聲波傳播距離L 發生變化所導致。 在超聲波殘余應力檢測過程中， 需在被測表面涂抹耦合劑以減少超聲能量損失。 鈦合金的無磁特性需人為將超聲楔塊固定在試樣表面。 人為因素的引入使得殘余應力測試過程中超聲楔塊與測試面的耦合劑厚度不能保持穩定， 造成超聲殘余應力測試結果的不穩定性加大。 當人為施加力過大時， 超聲楔塊與被測表面之間的耦合劑被排出、 厚度減小， 反之耦合劑厚度增大， 從而出現同一點多次采集的LCR 波形相位偏移現象。

圖6 為貼合輔助裝置示意圖。 該裝置采用一定剛度的亞克力玻璃制作， 尺寸如圖6 （a） 所示。 在超聲波殘余應力測量過程中， 將超聲楔塊與輔助裝置進行組裝， 如圖6 （b） 所示。 輔助裝置的沉頭結構可確保超聲楔塊與輔助裝置結合穩固， 將耦合劑填充至貼合輔助裝置底部， 用力按壓超聲楔塊， 多余的耦合劑從輔助裝置底部的溝槽流出， 使得超聲楔塊與待測面的耦合劑填充厚度始終為H。

為了進一步明確耦合劑厚度對超聲LCR 波形的影響， 在耦合劑填充厚度H 分別為0.5 mm、1 mm、 1.5 mm 時對TC4 鈦合金試板同一位置進行超聲LCR 波形采集， 結果如圖7 所示。當耦合劑厚度從0.5 mm 增至1.5 mm 時， 超聲LCR波形相位整體右移， 耦合劑厚度每增加0.5 mm，超聲LCR 波形相位滯后約50 ns， 這將使超聲波殘余應力檢測結果減小， 甚至改變應力檢測結果的拉壓性質。 為了保證超聲殘余應力測試的精度，在測量過程中耦合劑厚度應該保持一致。

康寧大中華區總裁兼總經理李放表示：“改革開放40周年，中國取得了巨大成就。 如今，中國不僅是世界的主要經濟體，更是創新的發源地和試驗場。在中國，我們一以貫之地利用自身在材料科學領域的專業知識，不斷引領行業變革，改善人類生活。”

圖2 所示為超聲臨界折射縱波 （LCR 波）產生示意圖。 根據Snell 定律， 當超聲波以一定入射角進入被測材料時， 會使折射縱波的折射角達到90°， 此時產生的折射縱波被稱為臨界折射縱波。 因超聲LCR 波對于材料內部的殘余應力變化表現出較好的敏感性， 所以現階段的超聲波法大多采用LCR 波進行殘余應力測量

。

3 結果及分析

3.1 應力系數標定

外在因素數是影響職前教師數學認知的外部環境因素，其中，影響最大的是其專業學習中的課堂教學環境．眾所周知，中國數學教育注重學生“雙基”的發展．然而，在數學教師的職前教育中，由于人才培養大多偏重“學術性”，教師普遍關注數學知識的系統性、邏輯性和結構性，忽視知識的發生、發展過程，由此導致知識本位的數學課堂教學產生．在這樣的教學環境影響下，不少職前教師在設計數據分析的教學方案時，過于注重對問題的講解和解題訓練．知識因此被僵化，失去活性．

依據公式 （5） 設置標定數據， 見表1。 從表1 中可以看出， 隨著附加應力的逐漸增加， 接收到的超聲信號相較于基準波形的相位差逐漸增大， 聲時差近似呈線性增長。

A——橫截面積， mm

。

對聲時差數據點進行線性擬合如圖10 所示。從圖10 可看出， 殘余應力與聲時差之間存在良好的線性關系。 經過標定得到TC4 鈦合金應力系數K=19.923 5 MPa/ns， 應力常量b=-0.888 127 MPa。

3.2 殘余應力測量結果與分析

4 結 論

（1） 超聲波法殘余應力測量過程中， 耦合劑厚度對超聲LCR 波形相位影響較大， 耦合劑厚度每增加0.5 mm， 超聲LCR 波形相位滯后約50 ns，這將導致超聲波應力檢測結果出現壓應力減小及拉應力增大現象。

（4）在初始參數均為電纜加熱功率150W/m2；室外溫度-8℃；相對誤差0.001時，隨著地板的導熱系數的增大，室內升溫越快，但影響并不大。

（2） 超聲楔塊貼合輔助裝置使耦合劑填充厚度保持一致， 實現超聲波傳播距離L 的固定，提高了超聲波形采集穩定性及殘余應力測試結果穩定性。

（3） 經標定， TC4 應力系數K=19.923 5 MPa/ns，應力常量b= -0.888 127 MPa。

（4） 采用貼合輔助裝置后的超聲波法和小孔法獲得的TC4 鈦合金焊接試板殘余應力分布特征基本一致， 表明超聲楔塊貼合輔助裝置設計合理、 實用性強。

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