溫度對鋁合金殘余應力檢測誤差的影響分析

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）

0 前言

超聲波法能夠快速、準確地檢測金屬材料及結構的表面殘余應力，已廣泛應用于高速列車的車體結構上，尤其是針對鋁合金、不銹鋼、碳鋼等材料組成的大型復雜結構[1-5]。

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

定量分析溫度影響超聲技術的機理，修正處理測試溫度是保證超聲波測試精度的重要前提。溫度對LCR波殘余應力測試技術的影響主要表現為：①溫度對聲彈性原理的影響；②溫度引起測試工件的物理性質發生變化；③溫度引起固定收發換能器有機玻璃塊物理性質的變化。

本研究針對A7N01P-T4鋁合金焊接接頭，在環境實驗室中研究溫度對母材、熱影響區、焊縫的影響，并建立溫度修正模型，從而獲得更加準確的測試數據。

1 試驗

采用臨界折射縱波（LCR波），殘余應力測試系統主要包括：數據處理電腦，示波器，信號發生裝置，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，最小時間的采樣誤差為0.4 ns；信號發生裝置為奧林巴斯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口有機玻璃材質；熱電偶用于采集環境溫度，補償溫度影響LCR波速度造成的誤差。

圖1 LCR波殘余應力測試系統示意

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。固定在有機玻璃楔塊上后，收發換能器中心射出點與接收點的距離均為30mm，則定義測試距離為30 mm。收發換能器之間的距離不宜太小，過小的測試距離一方面容易靠近聲場，另一方面測試板件較薄時，底面反射波可能與LCR波混合造成測試誤差。超聲法相對于X射線法，所測試的空間區域過大即空間分辨率太低，對于測試區域跨越焊縫時，或者要求更高空間分辨率時，可以通過直接粘貼壓電陶瓷裸片的方式測試。

超聲傳播速度容易受到測試溫度影響，但測試條件很難保證均為恒溫環境。測試過程中實時采集測試溫度，補償計算溫度對測試的影響。本研究使用電阻熱電偶實時采集測試溫度，熱電偶的電阻值與溫度成正比，測試溫度范圍為0～50℃。

試樣加工尺寸如圖2所示。對于傳播時間的測試采用時間差的方案，以2℃為基準時間，其余溫度狀態的時間為其相對時間。

圖2 試樣加工尺寸

2 試驗結果及討論

2.1 溫度影響驗證分析

焊縫、熱影響區、母材測試初始信號如圖3～圖5所示，通過互相關法對測試信號計算時間差，測試結果如表1所示。使用Matlab最小二乘法擬合出溫度與傳播時間關系如圖6所示。

圖3 母材狀態超聲波在各個溫度下傳播信號

圖4 熱影響區超聲波在各個溫度下傳播信號

圖5 焊縫區超聲波在各個溫度下傳播信號

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

LCR波屬于縱波，根據文獻[9]可知，縱波在無應力各向同性介質中傳播速度為

式中 E為彈性模量；μ為泊松比；ρ0為材料初始密度。

表1 焊接接頭各區域不同溫度狀態傳播時間

圖6 超聲波傳播時間與溫度關系擬合

當測試溫度較低時（0～38℃），因為該溫度狀態下，材料的彈性模量E和密度ρ變化都極小，溫度對聲彈性效應的影響占據主導地位，而聲彈性效應與溫度的關系與所測試的材料無關。可以推測出當溫度較高時，微觀組織具有明顯差異的材料，其聲時差受溫度影響將有明顯不同，因為隨著溫度的升高，彈性模量E和密度ρ變化明顯，甚至超過溫度對聲彈性效應的影響，而納秒級的聲時差變化也將導致明顯的應力測試誤差。局限于試驗條件，本研究未對更高溫度下聲時差變化進行試驗。當測試環境為沙漠管道、夏季野外鋼軌、野外高速列車車體等情況時，被測試工件溫度可能遠遠超過38℃，需要進一步研究溫度影響機理，并單獨修正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為t，t0，而t和t0為相差關系，因此僅需要修正t或者t0即可補償應力測試過程中的溫度影響。假設溫度對t0的影響為f（T），則溫度補償的LCR波應力修正公式為

式中 T為測試溫度，根據圖6擬合出f（t），溫度補償修正公式為

本實驗中使用的收發探頭距離為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間為4 500 ns，而38℃的溫度變化引起t0的變化量僅稍大于14 ns，對t0的影響為0.31%，所以溫度的變化對K的影響可忽略不計。

該模型的修正溫度為2～38℃，若測試溫度不在該范圍內，該修正模型可能無效。特別當測試溫度過高時，材料的彈性模型E和密度ρ發生明顯變化，有必要對其建立新的補償修正關系。

3 結論

（1）當測試溫度較低時（0～38℃），因為該溫度狀態下，材料的彈性模量E和密度ρ變化都極小，溫度對聲彈性效應的影響占據主導地位，而聲彈性效應與溫度的關系與所測試的材料無關。

（2）當溫度較高時，微觀組織具有明顯差異的材料，其聲時差受溫度影響將有明顯不同，因為隨著溫度的升高，彈性模量E和密度ρ變化明顯，甚至超過溫度對聲彈性效應的影響，而納秒級的聲時差變化也將導致明顯的應力測試誤差。

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

參考文獻：

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