不同種類不銹鋼臨界折射縱波激勵(lì)及聲彈系數(shù)對比

摘要：首先介紹了臨界折射縱波的應(yīng)力檢測原理，使用多頻率探頭分別對316L不銹鋼、SLM316L不銹鋼和304不銹鋼進(jìn)行了激勵(lì)和驗(yàn)證，然后對比同頻率臨界折射縱波在不同種類不銹鋼中的傳播情況，最后對不同頻率不同材料的聲彈系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。

關(guān)鍵詞：超聲無損檢測;應(yīng)力檢測;臨界折射縱波;不銹鋼

中圖分類號：TB559" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0077-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.019

0" " 引言

不銹鋼是一種常見的金屬材料，我國是全球最大的不銹鋼生產(chǎn)和消費(fèi)國之一，由于其優(yōu)越的耐腐蝕性、耐高溫和耐磨性，不銹鋼被廣泛應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域[1]。而焊接、鍛壓、切削加工、噴丸、熱處理等過程都會使材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致工件變形和尺寸不穩(wěn)定，產(chǎn)生應(yīng)力疲勞、加速應(yīng)力腐蝕等[2]。因此，殘余應(yīng)力的精準(zhǔn)、可靠測量，對于完善工件的制造工藝和保證其安全使用具有重要意義[3-4]。超聲波臨界縱波（Lcr）法是一種基于聲彈性效應(yīng)的無損應(yīng)力檢測方法，通過測量超聲波在構(gòu)件中傳播速度的變化量，計(jì)算出構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力[5]，具有非破壞性、操作簡單、檢測效率高且對檢測環(huán)境要求低的優(yōu)點(diǎn)。

本文使用多頻率探頭分別對316L不銹鋼、激光選區(qū)熔化（SLM）316L不銹鋼與304不銹鋼進(jìn)行臨界折射縱波的激勵(lì)，并對這三種不銹鋼的聲彈系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，然后對激勵(lì)和標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了對比。

2" " 臨界折射縱波激勵(lì)結(jié)果及對比

2.1" " 臨界折射縱波的激勵(lì)

臨界折射縱波應(yīng)力檢測的結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)射探頭被激勵(lì)在工件中折射出臨界折射縱波，之后在一定深度沿著板的表面?zhèn)鞑?，最后被接收探頭1和接收探頭2接收，通過對兩接收信號的處理驗(yàn)證接收信號為臨界折射縱波，圖中L2=57 mm。本文中所使用的三塊試件的尺寸分別為300 mm×40.1 mm×3.9 mm的316L不銹鋼，300 mm×39.65 mm×3.95 mm的激光選區(qū)融化316L不銹鋼，300 mm×39.86 mm×3.89 mm的304不銹鋼，使用脈沖回波法測量的縱波聲速分別為5 917、5 798、5 858 m/s;激勵(lì)實(shí)驗(yàn)中使用的楔塊材料為聚苯乙烯，測得的縱波聲速為2 337 m/s。根據(jù)斯涅耳定律，三種不銹鋼的臨界折射縱波最佳入射角度分別為23.3°、23.8°、23.5°。

本文以316L不銹鋼采集到的7.5 MHz信號為例，論證根據(jù)本文以上步驟所采集到的信號為臨界折射縱波。首先，由接收探頭1和接收探頭2所接收到的信號經(jīng)過小波降噪處理過后如圖2所示，由于臨界折射縱波沿著工件的表面?zhèn)鞑ィ瑐鞑r(shí)間最短，因此信號的頭波最有可能是臨界折射縱波，圖中以虛線標(biāo)出，頭波之后為聲波在楔塊與工件交界面折射出的橫波在工件上下邊界之間多次反射和折射出的縱波信號。

如圖3所示，為排除后續(xù)信號對互相關(guān)算法計(jì)算信號傳播時(shí)間的影響，本文將兩接收信號的頭波單獨(dú)提取出來。使用互相關(guān)算法計(jì)算兩信號的相關(guān)度與時(shí)間延時(shí)的關(guān)系如圖4所示，表明信號1經(jīng)過9.79 μs的時(shí)間延時(shí)后兩信號高度相似，此時(shí)間延時(shí)可以作為信號的傳播時(shí)間，兩頭波信號的傳播距離為L2，據(jù)此計(jì)算得到該信號的傳播速度為（57 mm/9.79 μs=

5 822 m/s），與測量的316L不銹鋼縱波速度相近，而頭波信號與后續(xù)信號有明顯的分離，因此可以認(rèn)定該信號為臨界折射縱波。同時(shí)，對比圖3中兩頭波信號的幅值發(fā)現(xiàn)接收信號1的頭波幅值明顯大于頭波信號2，表明臨界折射縱波在工件中經(jīng)過一段距離的傳播后幅值有一定的衰減。

2.2" " 不同材料臨界折射縱波的對比

依照以上方法分別對其余兩種不銹鋼進(jìn)行臨界折射縱波激勵(lì)和驗(yàn)證。為研究各向異性對臨界折射縱波的影響，本文將三種材料的7.5 MHz信號頻率放在一起做對比，7.5 MHz時(shí)的三種不銹鋼接收信號1所截取的臨界折射縱波如圖5所示。

從圖中可以看出，本文所使用的激勵(lì)方法可以在三種不銹鋼中激勵(lì)出良好的臨界折射縱波信號;觀察三個(gè)信號可以看出，對于不同的材料臨界折射縱波的傳播時(shí)間各有不同，其中316L不銹鋼的飛行時(shí)間最短，304不銹鋼次之，SLM316L不銹鋼的飛行時(shí)間最長，而臨界折射縱波的傳播速度與縱波速度相當(dāng)，圖中結(jié)果與本文所測得的三種材料縱波聲速結(jié)果相對應(yīng);三個(gè)信號的幅值都在12 μV左右，而316L不銹鋼的臨界折射縱波信號幅值略大于SLM316L不銹鋼和304不銹鋼的幅值，因此可以推測出金屬材料的各向異性增大了臨界折射縱波信號的衰減。

3" " 臨界折射縱波聲彈系數(shù)的標(biāo)定

根據(jù)臨界折射縱波應(yīng)力檢測原理，為了檢測不銹鋼板中的殘余應(yīng)力，首先需要拉伸試驗(yàn)對每種材料的聲彈系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，拉伸試驗(yàn)過程中使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對工件施加穩(wěn)定的拉應(yīng)力。

聲彈系數(shù)標(biāo)定的具體步驟如下：

1）使用上述方法在材料中激勵(lì)出特定頻率的臨界折射縱波后，利用夾具將發(fā)射探頭、接收探頭和楔塊固定在不銹鋼工件上，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)的夾具夾持工件兩端;

2）使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)選擇工件施加穩(wěn)定單軸拉力，使用示波器采集接收信號，之后以一定的步進(jìn)增加拉力，直至施加拉應(yīng)力至材料的屈服強(qiáng)度的80%左右，為了獲得足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)以保證聲彈系數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性，重復(fù)以上步驟3～5次;

3）將采集到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行小波降噪處理，之后使用互相關(guān)算法測量兩個(gè)臨界折射縱波的傳播時(shí)間t，然后與無應(yīng)力下的飛行時(shí)間t0作差得到聲時(shí)差Δt;

4）對施加在工件上的拉應(yīng)力σ與對應(yīng)的聲時(shí)差Δt數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合直線的斜率即為聲彈系數(shù)K。

根據(jù)以上步驟，本文分別對三種不銹鋼的2.25、5、7.5 MHz臨界折射縱波的聲彈系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。圖6所示為316L不銹鋼的三頻率標(biāo)定，圖中縱坐標(biāo)應(yīng)力大小由電子萬能試驗(yàn)機(jī)設(shè)定的拉力除以工件的橫截面積計(jì)算得來，即σ=F/S。

將三種不銹鋼的標(biāo)定結(jié)果的聲彈系數(shù)依據(jù)不同頻率與材料制成表格，如表1所示。

由圖6可以看出，對于不同材料與不同頻率，應(yīng)力與聲時(shí)差關(guān)系都有良好的線性關(guān)系。對同一材料與頻率做的5次拉伸實(shí)驗(yàn)，聲時(shí)差隨應(yīng)力變化的趨勢與傾斜度十分相近，因此通過標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)求得聲彈系數(shù)是一種可行的方式。由圖7所示，隨著臨界折射縱波頻率的增加，每種材料的聲彈系數(shù)都有著不同幅度的增加。曾研究過表面波應(yīng)力檢測預(yù)期頻率之間的關(guān)系，所得出的結(jié)果與本文結(jié)果類似：聲彈系數(shù)會隨著檢測波形頻率的增加而變大。同時(shí)，從圖中可以得出，在同頻率下，聲彈系數(shù)隨著316L不銹鋼、SLM316L不銹鋼、304不銹鋼這三種材料的次序依次增大，而SLM316L不銹鋼與304不銹鋼的聲彈系數(shù)較為接近。

4" " 結(jié)論

臨界折射縱波是不銹鋼應(yīng)力檢測的一種重要手段，本文通過臨界折射縱波的激勵(lì)和聲彈系數(shù)標(biāo)定，得到以下結(jié)論：

1）臨界折射縱波信號在316L不銹鋼中的傳播時(shí)間最短，304不銹鋼次之，SLM316L不銹鋼的傳播時(shí)間最長，這與本文測量的縱波聲速結(jié)果相對應(yīng)。

2）不同材料的臨界折射縱波信號幅值大致相同，316L不銹鋼的信號幅值略大于SLM316L不銹鋼和304不銹鋼的幅值。

3）聲彈系數(shù)的標(biāo)定表明聲彈系數(shù)會隨著檢測波形頻率的增加而變大，在同頻率下，316L不銹鋼的聲彈系數(shù)最小，SLM316L不銹鋼與304不銹鋼的聲彈系數(shù)較為接近。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 齊歡.INCONEL 718（GH4169）高溫合金的發(fā)展與工藝[J].材料工程，2012，35（8）：92-100.

[2] 蔣文春，羅云，萬娛，等.焊接殘余應(yīng)力計(jì)算、測試與調(diào)控的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，57（16）：306-328.

[3] 賈春燕.機(jī)加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和處理[J].機(jī)械，2010，37（增刊1）：79-81.

[4] 巴發(fā)海，劉宇希.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其對構(gòu)件性能的影響[J].無損檢測，2020，42（9）：1-5.

[5] HE J B，LI Z H，TENG J，et al.Absolute stress field measurement in structural steel members using the Lcr wave method[J].Measurement，2018，122：679-687.

收稿日期：2023-04-06

作者簡介：馬加濤（1997—），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：超聲無損檢測。