盧衍祥，王傳剛，單清群，朱其猛，馬傳平

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

微觀組織對(duì)臨界折射縱波橫向焊接殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的影響

盧衍祥1，王傳剛1，單清群1，朱其猛2，馬傳平2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

焊接過程中較高的熱輸入容易引起較高的焊接殘余應(yīng)力，而較高的殘余應(yīng)力有可能降低工件疲勞壽命，促進(jìn)裂紋萌生擴(kuò)展，增加應(yīng)力腐蝕敏感性。表面和內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)對(duì)服役可靠性的評(píng)估具有重要意義。臨界折射縱波（LCR波）殘余應(yīng)力的測(cè)量原理是基于聲波傳播速度的改變和應(yīng)力之間的線性關(guān)系。當(dāng)使用LCR波測(cè)量橫向焊接殘余應(yīng)力時(shí)，收發(fā)換能器可能同時(shí)覆蓋焊縫（MZ）、熱影響區(qū)（HAZ）以及母材（PM）中的兩個(gè)甚至三個(gè)區(qū)域，然而這些區(qū)域微觀組織的差異性都可能影響應(yīng)力常數(shù)K，當(dāng)測(cè)量距離焊縫中心不同距離的殘余應(yīng)力時(shí)，有必要對(duì)應(yīng)力常數(shù)K進(jìn)行修正，提高LCR波對(duì)橫向焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量精度。

臨界折射縱波（LCR波）；應(yīng)力常數(shù)K；微觀組織影響；橫向焊接殘余應(yīng)力

0 前言

焊接過程中的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、加工應(yīng)力等超過材料屈服極限，并在隨后的冷卻過程中部分殘留在焊件中的宏觀應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。不均勻的焊接溫度場(chǎng)、及其導(dǎo)致的局部塑性變形和不同比容的組織是焊接應(yīng)力和變形的最根本原因。焊接殘余應(yīng)力是否有害取決于焊件的工作狀態(tài)和殘余應(yīng)力的性質(zhì)[1]。焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致的破壞主要包括翹曲變形、應(yīng)力腐蝕以及降低疲勞壽命等。引入較高殘余壓應(yīng)力或者降低較高的殘余拉應(yīng)力可以充分地利用殘余應(yīng)力并避免殘余應(yīng)力引起的破壞，超聲沖擊、激光噴丸、振動(dòng)時(shí)效、熱處理等是常用的殘余應(yīng)力優(yōu)化方法[2-5]。

超聲波應(yīng)力測(cè)量法具有設(shè)備便攜、成本較低、無(wú)類似X射線法的輻射危害等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的研究者注意到了超聲波法工業(yè)價(jià)值。Yashar Javadi等人測(cè)量了管道的應(yīng)力狀態(tài)[6-7]，P.Palanichamy，M. Vasudevan and T.Jayakumar使用臨界折射縱波（LCR波）法成功測(cè)量不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)[8]，Lu等人測(cè)量了2219Al和Q235焊接殘余應(yīng)力，并通過有限元法驗(yàn)證超聲波法的可靠性，但他避開了焊縫及熱影響區(qū)的焊接應(yīng)力的測(cè)量[9]。除了受到應(yīng)力的影響，LCR波傳播速度同樣受到微觀組織（晶粒尺寸[10]、含碳量[11]、織構(gòu)[12]）的影響，超聲波應(yīng)力測(cè)量法的準(zhǔn)確使用需要分離微觀組織和應(yīng)力對(duì)聲彈性效應(yīng)的影響。本研究中超聲波收發(fā)換能器之間的距離范圍為30～50 mm，當(dāng)測(cè)量橫向焊接殘余應(yīng)力時(shí)，收發(fā)換能器在測(cè)量過程中很有可能同時(shí)覆蓋焊縫、熱影響區(qū)以及母材中兩個(gè)或者三個(gè)區(qū)域，而不同區(qū)域的微觀組織導(dǎo)致具有較大差異性的應(yīng)力常數(shù)K，因此測(cè)量同時(shí)覆蓋多個(gè)區(qū)域的應(yīng)力時(shí)，有必要對(duì)應(yīng)力常數(shù)進(jìn)行修正以提高焊接橫向殘余應(yīng)力的測(cè)量精度。

本研究的主要目的是修正距離焊縫中心不同距離的橫向應(yīng)力常數(shù)K，然后使用修正后的應(yīng)力常數(shù)K來(lái)修正橫向焊接殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，從而提高臨界折射縱波對(duì)橫向焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量精度。

1 超聲波應(yīng)力測(cè)量基本原理

當(dāng)超聲縱波以一定角度從聲波傳播速較慢的介質(zhì)1中，傳向聲波傳播速度較快的介質(zhì)2時(shí)，入射波在界面出會(huì)折射出一個(gè)縱波和橫波，如圖1所示。當(dāng)縱波的折射角θL等于90°時(shí)，折射縱波平行介質(zhì)2表面?zhèn)鞑?，該折射縱波稱為臨界折射縱波（LCR波），此時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角稱為第一臨界角θLCR

圖1 臨界折射縱波產(chǎn)生示意

式中v1為介質(zhì)1中聲波傳播速度；v1為介質(zhì)2中聲波傳播速度；θLCR為第一臨界折射角（單位：°）；θS為橫波折射角（單位：°）；θL為縱波折射角（單位：°）。

在彈性范圍內(nèi)，超聲波應(yīng)力測(cè)量技術(shù)基于超聲波傳播速度的改變量和應(yīng)力之間的線性關(guān)系。當(dāng)臨界折射縱波的傳播速度增加時(shí)，表明被測(cè)材料中存在殘余壓應(yīng)力，相反，被測(cè)材料中存在拉應(yīng)力。當(dāng)材料性質(zhì)確定時(shí)，殘余應(yīng)力的改變量Δσ和LCR波傳播速度改變量Δv的關(guān)系

式中Δσ為應(yīng)力改變量（單位：MPa）；Δv為L(zhǎng)CR波傳播速度改變量（單位：m/s）；v0為L(zhǎng)CR波零應(yīng)力樣中傳播速度；k為聲彈性系數(shù)。

當(dāng)LCR波收發(fā)換能器之間的距離L固定時(shí)，測(cè)量過程中LCR波傳播速度的改變量可由傳播時(shí)間的改變量取代

式中Δt為L(zhǎng)CR波傳播時(shí)間的改變量（單位：ns）；T0為L(zhǎng)CR波在零應(yīng)力樣中固定距離傳播時(shí)間（單位：ns）。

T0和k由材料的基本性質(zhì)確定，材料確定時(shí)，T0和k為不變的常量。K為應(yīng)力常數(shù)，如式（4）所示

式中K為應(yīng)力常數(shù)（單位：MPa/ns）。

式（4）用于簡(jiǎn)化式（3）可以推出式（5）

材料類型的差異性以及收發(fā)換能器之間的距離對(duì)應(yīng)力常數(shù)K都有較為明顯的影響，材料類型和收發(fā)換能器之間的距離L固定時(shí)，式（5）可以簡(jiǎn)化為式（6）

根據(jù)式（6），應(yīng)力改變量Δσ和LCR波傳播時(shí)間改變量Δt呈線性關(guān)系，應(yīng)力常數(shù)K可以通過拉伸標(biāo)定的方式得出。

2 試驗(yàn)材料和方法

選用高速列車行業(yè)中廣泛使用的A7N01S-T5鋁合金材料，材料成分如表1所示。A7N01S-T5強(qiáng)度高、應(yīng)力腐蝕敏感性較強(qiáng)。從型材上切取兩塊400 mm×125 mm×11 mm的鋁板，開有單邊35°的V形坡口，采用MIG焊，焊接工藝參數(shù)如表2所示。為了便于制作合適試樣，打磨平焊縫余高并對(duì)表面進(jìn)行拋光處理，使粗糙度Ra<5 μm。按照GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行標(biāo)定，所用拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)DNS300，標(biāo)定溫度20℃。標(biāo)定樣直接從焊接完的試板中截取，幾何尺寸如圖2所示，其中灰點(diǎn)表示在標(biāo)定時(shí)換能器組中心對(duì)準(zhǔn)的位置。

表1 A7N01S-T5鋁合金化學(xué)成分％

表2 焊接工藝參數(shù)

圖2 標(biāo)定試樣取樣示意

3 試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭不同區(qū)域的標(biāo)定結(jié)果如圖3所示，直線斜率倒數(shù)為標(biāo)定位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)力常數(shù)K，各個(gè)標(biāo)定位置的應(yīng)力常數(shù)如表3所示。焊縫區(qū)域的應(yīng)力常數(shù)與母材區(qū)域的應(yīng)力常數(shù)K差距最大，因?yàn)楹缚p區(qū)域的成分和微觀組織主要由焊絲ER5356決定且主要組織為鑄態(tài)組織。焊縫區(qū)域的應(yīng)力常數(shù)K最小，隨著標(biāo)定區(qū)域遠(yuǎn)離焊縫中心區(qū)域，應(yīng)力常數(shù)逐漸變大，應(yīng)力常數(shù)和距離焊縫中心距離的擬合曲線如圖4所示，R2=0.976 7，擬合結(jié)果的可靠性較高。

表3 焊接接頭各區(qū)域的應(yīng)力常數(shù)K

圖3 焊接接頭各區(qū)域應(yīng)力常數(shù)K標(biāo)定曲線

圖4 焊接接頭各區(qū)域應(yīng)力常數(shù)K擬合曲線

材料類型、尺寸、焊接工藝參數(shù)完全相同的另一塊試板被用于驗(yàn)證修正的可靠性，固定聲波換能器的楔塊中心對(duì)準(zhǔn)空心圓圈區(qū)域，聲波的傳播方向與焊縫方向垂直，所測(cè)量的為橫向焊接殘余應(yīng)力，深灰點(diǎn)區(qū)域?yàn)槊た追ㄋ鶞y(cè)量的區(qū)域，如圖5所示。盲孔法的測(cè)量結(jié)果與LCR波的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

由圖6可知，未進(jìn)行應(yīng)力常數(shù)修正的LCR波應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與盲孔法相比存在較為明顯的差異，在焊縫和熱影響區(qū)域尤為明顯，超聲波的應(yīng)力測(cè)量值要大于盲孔法測(cè)量值。根據(jù)圖4中應(yīng)力常數(shù)K的擬合曲線，對(duì)距離焊縫中心55 mm以內(nèi)的應(yīng)力常數(shù)K進(jìn)行修正，修正應(yīng)力常數(shù)后的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)修正后的殘余應(yīng)力值與盲孔法測(cè)量結(jié)果之間的差異性減小明顯，同一測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值比較接近，在焊縫和熱影響區(qū)效果更為明顯。

圖5 盲孔法和超聲波法測(cè)點(diǎn)

圖6 橫向殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

然而，對(duì)應(yīng)力常數(shù)K修正后的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與盲孔法測(cè)量結(jié)果之間仍然具有一定的差異性，這些差異性主要由以下一些因素引起：（1）標(biāo)定樣中存在一定的初始應(yīng)力，根據(jù)式（6）可知，初始應(yīng)力對(duì)應(yīng)力常數(shù)K具有一定影響；（2）零應(yīng)力樣中LCR波初始傳播時(shí)間t0同樣受到微觀組織的差異性影響，而測(cè)量的過程中使用了母材的t0代替了焊縫、熱影響區(qū)的t0；（3）LCR波法和盲孔法都是表征一定范圍內(nèi)平均應(yīng)力，而這兩種測(cè)量方法表征的區(qū)域體積具有明顯的差異性；（4）超聲波與測(cè)量界面的耦合狀態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果也具有一定的影響，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)時(shí)，難以保證耦合狀態(tài)的一致性。LCR波應(yīng)力測(cè)量的工程化應(yīng)用必須考慮這些影響因素，才能提高應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過對(duì)比A7N01S-T5鋁合金焊接接頭臨界折射縱波法和盲孔法的殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種方法在焊縫和熱影響區(qū)的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果上存在較為明顯的差異性。而對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的應(yīng)力常數(shù)K進(jìn)行修正后，兩種方法測(cè)量結(jié)果的差異性明顯降低，但并未完全消除，多種因素決定了這一差異性的存在。因此有必要進(jìn)一步研究這些影響因素以提高LCR波的殘余應(yīng)力測(cè)量精度和準(zhǔn)確性，充分開發(fā)LCR波應(yīng)力測(cè)量的工業(yè)化應(yīng)用前景。

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Influence of microstructure on the measurement result of transverse welding residual stress by LCR wave

LU Yanxiang1，WANG Chuangang1，SHAN Qingqun1，ZHU Qimeng2，MA Chuanping2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Heat input in welding process leads to greater welding residual stresses，and large residual stress is likely to reduce the work piece's fatigue life，as well as promote crack extension and sensibility of stress corrosion.Nondestructive testing of surface and internal welding residual stress is very significant for the assessment of service reliability.The measurement theory of residual stress with the LCR wave is based on the linear relationship between the stress and the change of sound wave velocity.When using the LCR wave to measure transverse residual stress，the transmit-receive transducer may cover two or three zones of melting zone（MZ），heat affect zone（HAZ）and parent material（PM），but the differences between the microstructures of these zones mayeffect the stress constant K.When measuring the residualstresses which has different distance fromthe weld center，itis necessarytocorrect the stress constant K toimprove the measurement accuracyoftransverse weldingresidual stress byLCR wave.

longitudinal critically refracted（LCR）wave；stress constant K；microstructure effect；transverse welding residual stress

TG405

A

1001－2303（2016）06－0054-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.11

2016-04-22

盧衍祥（1971—），男，山東日照人，高級(jí)工程師，主要從事高速列車車體質(zhì)量管理工作。