表面耦合狀態對A7N01鋁合金殘余應力檢測誤差的影響

趙佳佳 ，戴忠晨 ，火巧英 ，孟憲偉 ，朱忠尹 ，祝鵬飛

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京210031；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031）

0 前言

殘余應力是影響軌道車輛服役安全可靠性的重要因素。研究發現[1]，以鋁合金為主要材料的軌道車輛，其關鍵結構的殘余應力峰值可達146.3 MPa。過大的殘余拉應力會導致車輛結構產生裂紋擴展，過大的殘余壓應力會導致車輛結構失穩變形。因此，獲得車輛結構關鍵部位準確的殘余應力分布狀態及峰值非常必要[2-4]。超聲波法是目前測量車輛結構殘余應力的有效方法，但是超聲波對被測工件表面的狀態較為敏感，如表面弧度、表面粗糙度、表面附著物等都會影響測試精度，造成較大的測試誤差[5]。

在此以A7N01鋁合金為研究對象，分別從表面附著物、表面粗糙度、表面弧度3個方面分析研究表面耦合狀態對殘余應力測試誤差的影響。

1 規則表面弧度對臨界折射縱波測試結果的影響

圓柱體或者球體的測試平面稱為規則的表面弧度。已有學者研究了在穩定固定狀態下，LCR波對平面狀態下工件殘余應力的影響測試[6-7]。

在平面狀態下LCR波應力測試的第一臨界折射角如圖1所示，并根據Snell定律確定

圖1 臨界折射縱波圓柱面中聲波傳播路徑

如果產生LCR波，即θL=90°，則入射角計算方程為

研究材料為A7N01，固定超聲波換能器的材質為有機玻璃楔塊，LCR波在有機玻璃中的傳播速度約為2730m/s，在鋁合金中的傳播速度約6 700 m/s，代入式（2）可以得出第一臨界入射角值為24.05°。

在實際殘余應力測試中，需要制作一個有機玻璃楔塊，該楔塊可以保證在圓弧面工件測試過程中的耦合狀態良好。臨界折射縱波圓柱面中聲波傳播路徑如圖1所示，在圓弧面工件應力測試過程中，通過作切線的法線方法，根據Snell定律得出第一臨界入射角，在測試過程中為了保證耦合狀態的穩定，需根據工件本身直徑制作出不同曲率半徑的有機玻璃楔塊。

圓弧面k值標定很重要，因為實際生產實踐中的實驗條件很復雜，進行標定的成本很高，難以滿足工程應用中高效與便于操作的要求。不管測試的是平行面還是圓弧面，聲波傳播的實際距離均為射入點、射出點與測試界面的結合處，即LCR波是平行沿測試表面進行傳播。因此為降低標定難度，提高實際測試中的標定效率，可以用平板探頭來替代圓弧探頭的標定。臨界折射縱波平面中聲波傳播路徑如圖2所示。

圖2 臨界折射縱波平面中聲波傳播路徑

2 表面粗糙度對臨界折射縱波測試結果影響

在測試材料上切取拉伸試樣，具體尺寸按照標準ASTM B557-10進行制備，然后對試樣進行噴砂處理。實驗過程中采集到的測試波形如圖3所示。利用X射線法分別測試噴砂最后兩次打磨態、未打磨、母材的殘余應力，得到每種測試波形狀態下的臨界折射縱波相對母材初始狀態的傳播時間，測試結果如表1所示。

圖3 不同粗糙度超聲初始信號比對

由表1和圖3可知，當試件打磨次數為0～240次，次數為60次時超聲波的傳播時間t發生很大變化，而周圍幾個打磨態聲波傳播時間t與表面粗糙度均無明顯變化，整體趨勢較為穩定。當打磨次數超過240次，超聲傳播時間t與殘余應力值發生明顯變化，并且隨著打磨次數的增加，聲波的幅值整體呈現上升趨勢。60次打磨狀態下數值突變的原因可能是超聲測試反應很敏感，位置換過后造成耦合狀態的不一致，出現明顯的誤差。

表1 不同打磨次數后聲波傳播時間及粗糙度

母材的軋制工藝直接決定未噴砂處理的表面應力狀態。實驗中選取的母材原始應力為74.21MPa，噴砂之后形成的應力值為-130.54 MPa。當打磨次數由240次增加到300次后，表面粗糙度明顯下降，并且表面的應力由壓應力變為拉應力，LCR波相對于母材的傳播時間也由負值變為正值，說明打磨量較多時會對打磨面造成額外的附加機械應力或者破壞壓應力層。

分析測試結果可知，粗糙度在10 μm以內沒必要對試樣進行機械打磨。雖然可以通過打磨降低測試面粗糙度，但這是因為輕微的打磨并未破壞噴砂的壓應力層，而過度的打磨極易破壞表面壓應力層或者形成附加機械應力層，從而對測試數據造成明顯影響。在實際測試過程中，手動打磨方式的打磨量很難把握。

3 表面附著物對LCR波測試結果影響

切取A7N01P-T4試驗材料，其中一件未涂裝油漆，一件涂裝油漆。試驗過程中采用的探頭頻率分別為 2.25 MHz、3.5 MHz、5 MHz和 10 MHz。其中選取探頭頻率為5MHz分別對未涂裝油漆件與涂裝油漆件進行K值標定擬合。

根據聲波傳播原理可知，超聲波可以通過油漆層，但油漆層的厚度勢必對第一臨界角與初始傳播速度產生影響。未涂裝油漆樣與油漆樣在2.25 MHz、3.5MHz、5MHz和10MHz試驗條件下的計算如表2所示，在5MHz探頭下標定擬合的K值如圖4所示。

表2 涂裝油漆件與未涂裝油漆件傳播時間t0

圖4 油漆件與未涂裝油漆件

由表2可知，在理想實驗條件下，即試樣與油漆接觸面狀態良好、無其他缺陷，根據超聲波在油漆中傳播原理可知，油漆其實充當了傳播路徑以提高超聲波的傳播時間，因為隨著路徑的增大，超聲波初始狀態下的傳播時間t肯定會發生變化。

在超聲波探頭頻率由10 MHz降至2.25 MHz的過程中，聲波傳播時間呈持續減小趨勢，這是因為頻率越小，所測得的深度就越大，油漆層表面的厚度影響就會很小。以國內常用的底架為例，在沒有添加防火材料的情況下，底架油漆層的厚度為240 μm，實際防火涂料深度約為1 000 μm，可得出超聲波傳播路程的增加量為480～2 000 μm，通過查閱相關資料LCR縱波在油漆中的傳播速度約為3 000 m/s，通過以上數據可計算出超聲波初始時間的增加范圍為 160～668 ns。

由圖4可知，未涂裝油漆試樣和涂裝油漆試樣的應力常數K值相差僅為0.9%，K值受油漆層影響相對很小，根據式（3）

K值會受LCR波狀態下t0的影響，但影響很小。本研究中收發換能器之間的距離為30 mm，預估油漆層厚度為240～1 000 μm，若考慮傳播速度的差異性，t0相對無油漆層狀態的變化僅為1.5%～12.7%；若不考慮差異性，t0相對無油漆層狀態下的變化范圍為0.8%～6.7%。最后限定油漆層較薄且低于400 μm，因K值受到油漆層的影響變化率在5%范圍以內，所以不考慮修正應力常數K。

若超聲波在有機玻璃塊與涂裝油漆層中的傳播速度差異明顯，需修正第一臨界入射角。但本研究并不考慮超聲波在油漆層界面的折射情況，因為超聲在油漆層和有機玻璃塊中傳播速度大小幾乎相同。但實際生產中并非所有種類的油漆都具有聲透性，對其進行超聲檢測時可以不用涂裝這類油漆工件。

3 結論

（1）在殘余應力測試中，若測試的是圓弧面，則必須根據測試工件的具體直徑制作出不同曲率半徑的有機玻璃楔塊，使得耦合狀態處于穩定狀態。

（2）利用砂紙對噴砂面進行適度范圍內的打磨來提高超聲法應力測試精度，但若打磨過度則會破壞噴砂層或者形成附加的機械應力層，對測試結果產生巨大影響。

（3）由于超聲波能直接穿過油漆層，所以可以直接對其進行應力測試，油漆層對t0影響極其明顯，但K值對第一臨界入射角的影響不大，必須修正t0大小。

參考文獻：

[1]茍國慶，黃楠，陳輝，等.X射線衍射法測試高速列車鋁合金車體殘余應力[J].西南交通大學學報，2012，47（4）：618-622.

[2]茍國慶，于金朋，張立民，等.鋁合金車體結構焊接殘余應力研究[J].電焊機，2011，41（11）：35-38.

[3]路浩，馬子奇，劉雪松，等.300 km/h高速列車車體殘余應力超聲波法無損測量[J].焊接學報，2010，31（8）：29-32.

[4]路浩，劉雪松，孟立春，等.高速列車車體服役狀態殘余應力超聲波法無損測量及驗證[J].焊接學報，2009，30（4）：81-83.

[5]朱其猛.臨界折射縱波（LCR）應力測試修正方法與機理研究[D].四川：西南交通大學，2017.

[6]Qimeng Zhu，Jia Chen，Guoqing Gou，et al.Residual Stress Measurement and Calibration for A7N01 Aluminum Alloy Welded Joints by Using Longitudinal Critically Refracted（LCR）Wave Transmission Method[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2016（25）：4181-4189.

[7]Qimeng Zhu，Jia Chen，Guoqing Gou，et al.Ameliorated Longitudinal Critically Refracted-Attenuation Velocity Method for Welding Residual Stress Measurement[J].Journal of Materials Processing Technology，2017（246）：267-275.