基于臨界折射縱波法Q345C焊接接頭殘余應力檢測

吳發杰，張志毅，邱培現，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

殘余應力的產生是焊接結構在加工過程中材料內部發生不均勻彈塑性形變所導致，殘余應力控制不好可能會導致結構的脆性斷裂、降低結構的疲勞強度和腐蝕抗力、減小結構的穩定性，同時殘余應力也是焊接結構產生變形和開裂等工藝缺陷的主要原因，因此焊接殘余應力無損檢測技術對于優化結構設計、提升產品質量具有重要的工程使用價值。目前相對成熟的殘余應力檢測技術主要有中子衍射法、X射線衍射法、小孔法，但由于受到測試材料、結構尺寸、表面質量、檢測費用、測試精度等制約，不同的檢測方法均有一定的局限性。

殘余應力的超聲波檢測技術因其無損、快速、安全、成本低等優點受到國內外學者關注。Palanichamy[1]等人采用超聲波法測量奧氏體不銹鋼焊接接頭殘余應力；Yashar Javadi[2-5]等人使用臨界折射縱波測試奧氏體不銹鋼、鋁合金等材料的焊接接頭厚度方向的殘余應力，并與有限元計算結果進行比對，具有很好的一致性；Santos and Bray[6]、Bray and Tang[7]、Bray[8]等人也成功使用臨界折射縱波對殘余應力進行了測量；哈爾濱工業大學的劉雪松等人[9-11]采用臨界折射縱波法測試低碳鋼、鋁合金等材料雙絲焊殘余應力；電子科技大學的丁杰雄等人[12-13]詳細研究臨界折射縱波法進行殘余應力測試的誤差來源，包括測試過程、信號激發方式、信號采集系統等；北京理工大學的徐春廣等人[14-16]采用臨界折射縱波法測試了不同厚度內殘余應力，測試結果與有限元仿真結果具有很好的一致性；Kumaran S M等人[17]研究發現材料晶粒度的差異性會對超聲應力測試結果產生較大影響。

本研究在國內外的研究基礎上，采用超聲臨界折射縱波法對Q345C碳鋼焊接接頭中焊縫、熱影響區以及母材微觀組織的差異性進行分析研究，通過分區域標定的方法修正接頭組織差異性對超聲法應力測試結果的影響，減少焊接接頭不同的微觀組織差異對臨界折射縱波殘余應力測試結果產生的較大誤差。

1 超聲波測試基本原理及設備

根據聲彈性原理，在材料彈性范圍內，臨界折射縱波傳播速度改變量和傳播方向上應力呈線性關系，臨界折射縱波波速隨拉應力的增加而增加，隨壓應力的增加而減小。

臨界折射縱波是一束波以一定的角度從介質1傳播到介質2，當入射波的角度為第一臨界角時會產生折射角為90°的折射縱波，該縱波即為臨界折射縱波（LCR波），其沿著介質2距離表面一定深度的區域傳播，距表面距離取決于所選用的探頭頻率，探頭頻率越高該距離越短，本研究的探頭頻率為2.5 MHz。臨界折射縱波產生示意如圖1所示。

根據Snell折射定律

圖1 臨界折射縱波（LCR）的產生示意

式中 θ為入射角；θL為縱波折射角；v1為超聲波介質1中的傳播速度；v2為超聲波在介質2中的傳播速度。

令θL=90°，則入射角計算方程為

本研究中所用材料為Q345C，超聲縱波傳播速度約5 900 m/s，根據式（2）計算出第一臨界入射角為 27.6°。

如果楔塊上固定的收、發換能器之間的距離固定為L，可以得到

式（3）也可以等效為方程

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。

根據上述測試原理，西南交通大學自行研制了臨界折射縱波殘余應力測試儀，殘余應力測試系統外觀和人機交互界面分別如圖2、圖3所示。

圖2 臨界折射縱波殘余應力測試儀

該設備主要包括計算及人機交互模塊、信號采集模塊、信號激發模塊和探頭組，如圖3所示。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，補償溫度對LCR波速度影響造成的誤差，系統構成如圖4所示。

圖3 測試操作界面

圖4 LCR波殘余應力測試系統示意

2 試驗材料及工藝

轉向架常用材料Q345C的化學成分和力學性能如表1、表2所示。

表1 Q345C化學成分 %

表2 Q345C力學性能

選用2塊尺寸為300 mm×150 mm×12 mm的板材，坡口為單邊30°的V型坡口，鈍邊1 mm，采用MAG焊工藝，焊絲采用伊薩公司的ER80S-G，焊接工藝參數如表3所示。

為了控制測試探頭和待測工件之間的耦合狀態，測試前打磨試板焊縫處余高，隨后用砂紙進行拋光處理，使表面粗糙度Ra＜5 μm。按照標準GB/T 32073-2015對加工好的標準拉伸試樣進行標定，所用拉伸試驗機型DNS300，標定溫度20℃，直接在焊接試板上截取試樣，幾何尺寸及其取樣位置如圖5所示。

表3 MAG焊接工藝參數

圖5 標定試樣取樣位置及尺寸

3 實驗結果

焊接過程中，由于焊縫區、熱影響區、母材區經歷不同的熱循環，因此不同區域之間的微觀組織結構差異性明顯。為了對焊接接頭不同區域進行標定，分別在焊縫區、熱影響區、母材對應區域加工標定試樣。在標定前對標定試樣進行熱處理，用于消除試件表面和內部的殘余應力。然后在彈性范圍內記錄臨界折射縱波采集的聲時差和拉伸設備輸出的應力值，每件試樣重復拉伸3次并取平均值，最后對拉伸應力值和聲時差進行線性擬合，所得到的直線斜率即為應力系數K，不同區域的應力系數K如表4所示。

表4 不同區域應力系數K MPa/ns-1

由表4可知，焊縫區域的應力系數K最小，而熱影響區和母材的應力系數接近，這是因為焊縫區的成分和微觀組織主要由焊絲ER80S-G決定且主要為鑄態組織，晶粒較為粗大。

通過采用對應區域的應力系數測試試板縱向殘余應力值，測試點的位置如圖6所示，未體現殘余應力的分布梯度，焊縫區、熱影響區點與點之間的間距2 mm，母材區域點與點的間距為10 mm。測試過程中探頭組的中心位置位于測試點處，發射探頭、接收探頭與焊縫方向平行放置，測試3次，每次測試的狀態一致。3次Q345C鋼焊接試板的縱向殘余應力值如圖7所示。

圖6 縱向殘余應力測試點分布

由圖7可知，最大縱向殘余應力值出現在焊縫區域，隨著距焊縫中心距離的增加，殘余應力峰值逐漸減小，在距離焊縫中心40 mm處殘余應力的大小和分布基本不受焊接過程中的熱循環影響，殘余應力值較為穩定。同時對比3次測試結果可知，3次測試的殘余應力分布趨勢基本保持一致，但是存在數值波動。數值波動的原因可能是：①測試過程中耦合狀態不一致；②周圍環境噪聲和振動對測試過程有影響。

圖7 縱向殘余應力分布

4 結論

采用西南交通大學研制的殘余應力測試系統，采用一發一收探頭，基于臨界折射縱波法成功測試Q345C焊接試板殘余應力。測試過程中通過對焊縫區、熱影響區、母材進行分區標定，消除材料微觀組織對測量結果的影響。通過修正焊接接頭微觀組織差異性對超聲波聲速的影響，促進臨界折射縱波法測試殘余應力的工程化應用。

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