超聲波應力測試降噪技術

（中國核動力研究設計院，四川成都610213）

0 前言

較高的殘余應力對工件的服役性能影響較大，主要包括：扭曲變形、結構剛度下降、尺寸穩定性變差、促進裂紋等缺陷擴展，高數值的殘余拉應力導致服役壽命嚴重下降[1-3]。聲彈性效應是指聲波傳播速度的變化和應力變化之間存在線性關系，這一現象最早由S.Oka發現[4-5]。聲彈性效應是超聲法測試殘余應力的基礎理論，LCR法應力測試技術測試效率更高、硬件成本更低、工程使用價值更大，并在現階段得到了良好的應用[6-8]。

材料內部通常具有明顯的不均勻性，內部存在一些常見缺陷，超聲與測試耦合界面聲阻抗與周圍物質存在一定的差異性，會對LCR波信號的傳播產生明顯干擾；目前LCR法的測試探頭為壓電陶瓷晶片探頭，在線測試的工件振動也容易導致聲波的探頭產生噪聲信號，從而干擾LCR波的測試；超聲波應力測試設備集成了繁多的電子元件，電子元件在工作過程中產生的磁噪聲也會對LCR波應力測試結果產生一定的影響。對LCR波原始信號進行去噪聲處理，可以提高LCR波應力測試技術的穩定性。本研究對S355J與A7N01進行LCR波應力測試技術標定，并采用小波閾值降噪技術處理LCR波初始信號，從而分析降噪處理對鋁合金與低合金鋼應力測試結果的影響。

1 試驗方法及討論

1.1 試驗方法

分別切取A7N01與S355J拉伸標定樣，尺寸如圖1所示，拉伸標定樣的長度方向與軋制方向平行，標定使用DNS3000型力學萬能試驗機，標定樣按照如圖2所示的方式裝置于機械拉伸機。試驗使用奧林巴斯生產的探頭，探頭中心激發頻率為5 MHz，型號為C543。分別對兩個標定樣進行LCR波應力測試應力常數K標定。

圖1 標定樣尺寸

圖2 拉伸標定試驗

LCR波應力測試法應力常數K的標定過程為：（1）制定標定樣，并對標定樣進行去應力退火處理（不能熱處理的試樣通過機械法消除應力）；（2）標定樣安裝于萬能試驗機上，如圖2所示，安置超聲波收發一體探頭，使聲波的傳播方向平行于機械拉伸機的加載方向；（3）通過控制機均勻調整拉伸機產生不少于8組載荷，對A7N01每次施加的應力載荷為5±5 MPa，由于S355J屈服強度更高，每次施加的應力載荷為25±5 MPa，并測試出每組載荷對應的超聲傳播聲時差；（4）擬合施加的載荷與對應載荷下的聲波傳播時間差。由于聲彈性效應加載應力與聲時差應理論上將呈現出線性關系，采用二乘法擬合標定結果，擬合直線的斜率為k（單位：MPa/ns），如式（1）所示

式中 t為LCR波在被測材料中的傳播時間；Δσ為相對于參考點的應力改變量，如果參考點為零應力，則其為應力測試值。

1.2 降噪對S355J測試的影響

S355J降噪與未降噪的對比信號如圖3所示，局部放大對比信號如圖4所示。降噪后信號平順度明顯提高，降噪處理效果明顯。根據式（1）對降噪與未降噪信號進行擬合分析，根據斜率計算出LCR波應力常數K，降噪與未降噪相差達13.82%，而未降噪聲波信號的線性擬合R2僅為0.940 94，遠小于降噪后的0.991 48，因此聲波信號降噪處理可以使信號曲線更為圓滑，明顯提高測試精度和可靠性。S355J降噪與未降噪應力常數擬合如圖5所示。

圖3 S355J降噪與未降噪測試信號對比

圖4 S355J降噪與未降噪測試信號對比局部放大

1.3 降噪對A7N01測試的影響

鋁合金A7N01降噪信號對比如圖6所示，局部放大對比如圖7所示，與S355J相似，降噪后A7N01鋁合金的聲波信號毛刺減少，更為圓滑。但與S355J信號有明顯不同，根據聲波傳播的時間差與應力變化值的擬合結果如圖8所示，A7N01降噪前后擬合出的應力常數K的差異性較小，降噪和線性擬合R2略有提高，但不明顯，說明聲波降噪處理對A7N01應力測試結果的影響不明顯。

圖5 S355J降噪與未降噪應力常數擬合

圖6 A7N01鋁合金降噪與未降噪測試信號對比

圖7 A7N01鋁合金降噪與未降噪測試信號對比局部放大

2 結論

圖8 A7N01鋁合金降噪與未降噪應力常數擬合

（1）聲波在鋁合金和鋼中的傳播特征具有明顯的差異性，噪聲信號對LCR法測試S355J殘余應力產生了明顯的誤差，聲波受應力影響產生的顯微變化易受噪聲信號影響，LCR法對S355J進行應力測試時必須進行降噪處理。

（2）超聲波在A7N01中聲速隨應力的變化更為明顯，相同應力狀態下超聲波在鋁合金中傳播速度的該變量約為鋼中的10倍，噪聲信號對應力測試結果的影響可以忽略，不必對聲波信號進行降噪處理。

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