王　茹,萬(wàn)　剛,汪麗麗,吳　偉,鄔冠華

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

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鋼對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力分布的臨界折射縱波檢測(cè)

王茹,萬(wàn)剛,汪麗麗,吳偉,鄔冠華

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

焊接殘余應(yīng)力分布情況對(duì)焊接構(gòu)件的安全使用存在一定影響?；谂R界折射縱波(LCR)的產(chǎn)生機(jī)理和應(yīng)力檢測(cè)原理，搭建了基于聲時(shí)的應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)。采用“一發(fā)一收”的探頭布局模式，探討了入射角度對(duì)LCR波產(chǎn)生的影響，利用工件中存在應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致LCR波傳播時(shí)間變化的現(xiàn)象，探討了對(duì)接焊縫橫向殘余應(yīng)力分布的測(cè)試方法。結(jié)果表明:LCR波法檢測(cè)焊縫殘余應(yīng)力分布與理論分布情況相符。

LCR波；應(yīng)力檢測(cè)；對(duì)接焊縫

焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件在焊接過(guò)程中受熱不均勻?qū)е戮植克苄宰冃我鸬?，?duì)焊接構(gòu)件的安全使用和可靠運(yùn)行有重要影響，是造成焊接構(gòu)件斷裂、疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕的重要原因[1]。因此，對(duì)焊接殘余應(yīng)力的大小和分布狀況的研究一直是研究熱點(diǎn)。目前，殘余應(yīng)力測(cè)量方法有多種，可分為破壞性和非破壞性?xún)纱箢?lèi)，分別以小孔法和X 射線衍射法為代表。超聲波檢測(cè)以其無(wú)損性、快速便捷、高精度等優(yōu)勢(shì)，在構(gòu)件殘余應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域得到了巨大發(fā)展。臨界折射縱波(Critically Refracted Longitudinal，LCR)是縱波以第一臨界角入射時(shí)產(chǎn)生的波的特殊模式，其在試件表層下傳播時(shí)衰減小，對(duì)應(yīng)力變化非常敏感，在應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域LCR波檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到重視[2]。

在LCR波檢測(cè)系統(tǒng)中，通常使LCR波傳播一段固定距離，再通過(guò)傳播聲時(shí)的變化反映LCR波聲速和應(yīng)力分布情況[3]。筆者闡述了臨界折射縱波的產(chǎn)生原理和應(yīng)力檢測(cè)原理，搭建了應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng);在零應(yīng)力鋼試塊上驗(yàn)證臨界折射縱波的產(chǎn)生，研究入射角度的影響;在對(duì)接焊縫鋼板上，測(cè)量固定距離的臨界折射縱波傳播聲時(shí)，分析焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)。

1　臨界折射縱波應(yīng)力檢測(cè)原理

超聲臨界折射縱波是縱波以第一臨界角入射到兩種介質(zhì)分界面時(shí)產(chǎn)生的波的特殊模式[4]。它在試件表層下一定深度內(nèi)沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，具有表面波和體波的特性，對(duì)應(yīng)力變化非常敏感，衰減現(xiàn)象不明顯。其應(yīng)力測(cè)量以聲彈性理論為基礎(chǔ)，材料表面、內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布影響超聲波在材料中的傳播速度，且傳播速度與應(yīng)力的大小存在一定的函數(shù)關(guān)系。

1.1臨界折射縱波的產(chǎn)生

超聲縱波傾斜入射到界面時(shí)，在分界面發(fā)生反射、折射及波形轉(zhuǎn)換，基于Snell定律，超聲縱波從波速較慢的介質(zhì)入射到波速較快的介質(zhì)中(如從有機(jī)玻璃入射到鋼中)會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，當(dāng)入射角增大到一定程度，縱波折射角等于90°，折射縱波將沿界面表面?zhèn)鞑?，即臨界折射縱波[5]，如圖1所示，對(duì)應(yīng)的入射角稱(chēng)為第一臨界角，公式如下：

(1)

式中：CL1為波速較慢的介質(zhì)中超聲縱波傳播速度;CL2為波速較快的介質(zhì)中超聲縱波傳播速度;αI為第一臨界角。

圖1　臨界折射縱波的產(chǎn)生原理示意

1.2應(yīng)力檢測(cè)原理

根據(jù)聲彈性基本原理，沿應(yīng)力方向傳播的超聲縱波聲速受應(yīng)力影響發(fā)生改變，對(duì)于各向同性材料[6]：

(2)

式中:C為沿應(yīng)力方向傳播的縱波傳播速度；C0為無(wú)應(yīng)力作用下的縱波傳播速度；k為聲彈性系數(shù)；σ為應(yīng)力，正值為壓應(yīng)力，負(fù)值為拉應(yīng)力。

對(duì)式(2)作近似線性化，進(jìn)一步得出縱波聲速與應(yīng)力之間的關(guān)系：

(3)

式中：Δσ為應(yīng)力變化量；ΔC為臨界折射縱波聲速的變化量；C0為零應(yīng)力條件下臨界折射縱波的傳播速度；k為聲彈性系數(shù)，與被測(cè)材料的二階和三階彈性常數(shù)有關(guān)。

由式(3)可見(jiàn)，介質(zhì)中縱波聲速的變化與傳播方向上的應(yīng)力變化呈近似線性關(guān)系，測(cè)得LCR波傳播速度的變化量就可確定介質(zhì)中應(yīng)力的改變量。然而超聲波的傳播速度通常較難直接測(cè)量，試驗(yàn)中采用固定LCR波的傳播距離，測(cè)量傳播時(shí)間的方法，式(3)的關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為超聲波的傳播時(shí)間變化量與應(yīng)力變化量的近似線性關(guān)系。即：

(4)

式(4)可簡(jiǎn)化為：

(5)

式中：Δt為臨界折射縱波傳播聲時(shí)的變化量；T0為零應(yīng)力條件下臨界折射縱波傳播時(shí)間;K為應(yīng)力系數(shù)。

由式(5)可知，殘余應(yīng)力的變化量與臨界折射縱波傳播聲時(shí)的變化量呈線性關(guān)系。通過(guò)傳播時(shí)間的變化量計(jì)算出聲時(shí)的變化量，從而衡量應(yīng)力變化情況。

2　臨界折射縱波產(chǎn)生試驗(yàn)

試驗(yàn)采用“一發(fā)一收”模式激發(fā)LCR波，即一個(gè)超聲探頭激發(fā)LCR波，一個(gè)超聲探頭接收LCR波，見(jiàn)圖2。激發(fā)和接收探頭均采用特制的可變角度斜探頭，頻率為5 MHz，晶片尺寸為10 mm×12 mm，可調(diào)角度范圍是0～80°，楔塊材料為有機(jī)玻璃，楔塊前端外表面設(shè)計(jì)為波紋狀吸聲層，避免反射縱波在有機(jī)玻璃楔塊內(nèi)多次反射對(duì)LCR波接收造成的影響。臨界折射縱波在被測(cè)介質(zhì)中的滲透深度與超聲換能器激勵(lì)脈沖頻率有關(guān)，對(duì)于同一種材料，通常頻率越低，滲透深度越深。

圖2　臨界折射縱波的傳播模式

試驗(yàn)采用機(jī)油為耦合劑。圖3為臨界折射縱波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖3　臨界折射縱波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)示意

2.1臨界折射縱波的產(chǎn)生

被檢測(cè)材料為20號(hào)鋼，根據(jù)超聲縱波在鋼中的速度約為5 900 m·s-1，在有機(jī)玻璃中的速度為2 730 m·s-1。所以根據(jù)式(1)可以計(jì)算出第一臨界角度為27.6°，即縱波以第一臨界角入射到鋼試件，激發(fā)出臨界折射縱波。

2.2波形分析

在去應(yīng)力處理過(guò)的零應(yīng)力鋼試件上，采用“一發(fā)一收”模式，發(fā)射、接收探頭入射角度均調(diào)節(jié)為第一臨界角，接收到的LCR波典型的波形如圖4所示，接收到的波形中存在多種超聲波信號(hào)。由于探頭固有的減噪能力有限，所以接收端存在電噪聲信號(hào)。由于發(fā)射探頭以第一臨界角入射時(shí)，激發(fā)的波形包括LCR波以及折射橫波，折射橫波在鋼試塊中傳播，經(jīng)過(guò)多次反射、折射，接收端出現(xiàn)多個(gè)波形。LCR波在鋼試件中的傳播速度與縱波相同，大于橫波聲速，且平行于表面?zhèn)鞑?，所以LCR波的傳播路徑最短;即在發(fā)射接收探頭位置固定的情況下，傳播時(shí)間最短，接收端最先接收到的波形即為L(zhǎng)CR波。

圖4　探頭接收端波形

2.3不同入射角試驗(yàn)

由于超聲波的能量強(qiáng)，調(diào)節(jié)入射角度在理論值27.6°附近的一定角度范圍內(nèi)同樣可以接收到臨界折射縱波，試驗(yàn)中通過(guò)改變可變角探頭的入射角度，研究角度對(duì)接收到的波形及能量的影響。圖5為接收到的LCR波形，其中矩形信號(hào)為脈沖激勵(lì)同步信號(hào)，可以利用同步信號(hào)的位置標(biāo)定發(fā)射探頭激勵(lì)信號(hào)的起始位置。

圖5　不同入射角接收到的LCR波形

從圖5可以看出，不同的入射角度，接收到的LCR波的波形與幅值均有所不同:入射角為理論值27.6°時(shí)，接收到的LCR波幅值最大，能量最強(qiáng);入射角與27.6°相差越大，接收到的LCR波幅值越小。由此可知，角度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，試驗(yàn)時(shí)要盡可能保證發(fā)射、接收探頭入射角度的精確與穩(wěn)定?？紤]到角度調(diào)節(jié)時(shí)存在誤差，實(shí)際試驗(yàn)中，入射角度均取28°，且在此角度下波形較為穩(wěn)定。試驗(yàn)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，忽略溫度變化造成的影響。

2.4探頭距離與聲衰減驗(yàn)證試驗(yàn)

將入射、接收探頭的入射角度均調(diào)節(jié)為28°，超聲信號(hào)發(fā)生器信號(hào)增益為46 dB。在零應(yīng)力鋼板上，將兩探頭相對(duì)平行放置，見(jiàn)圖6，即兩探頭間距ΔL=0。觀察接收端LCR波波形，測(cè)量超聲波入射端始波距離LCR波的聲時(shí)，依次增加兩個(gè)探頭的間距，分別記錄、保存波形，并測(cè)量出間距分別為5,10,15,20,25,30,35 mm時(shí)的聲時(shí)值，并計(jì)算LCR波在鋼平板中傳播距離為035 mm時(shí)的聲時(shí)值。繪制出LCR波在鋼中傳播距離-聲時(shí)關(guān)系曲線，并進(jìn)行線性擬合，如圖7所示，擬合度為0.998，擬合效果較好;LCR波傳播距離與聲時(shí)成近似線性關(guān)系，即以固定聲速值傳播，由此可以驗(yàn)證被測(cè)波為臨界折射縱波。

圖6　臨界折射縱波驗(yàn)證試驗(yàn)示意

圖7　LCR波在鋼中傳播距離-聲時(shí)關(guān)系

通過(guò)保存的波形，分別測(cè)量出間距為5,10,15,20,25,30,35 mm時(shí)的LCR波的電壓值，計(jì)算ΔL與幅值的衰減關(guān)系，并進(jìn)行線性擬合,如圖8所示。

圖8　ΔL與幅值的衰減關(guān)系

兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性擬合度分別為0.887,0.946，衰減系數(shù)分別為0.156,0.150 Np·mm-1。

臨界折射縱波是平面波，不存在擴(kuò)散衰減，只存在介質(zhì)衰減，其衰減情況滿足聲壓衰減方程。可以看出LCR波傳播距離與聲衰減值成近似線性關(guān)系，與理論情況相吻合。故,可以確定試驗(yàn)所獲得的波形即為L(zhǎng)CR波,影響試驗(yàn)的因素主要是耦合情況不穩(wěn)定。

3　鋼對(duì)接焊縫的臨界折射縱波檢測(cè)

3.1檢測(cè)對(duì)象與過(guò)程

檢測(cè)對(duì)象為16MnR鋼對(duì)接焊縫板，其尺寸為295 mm×295 mm×9 mm，焊縫寬度為15 mm,焊縫高度為10 mm。對(duì)焊板進(jìn)行數(shù)字化X射線檢測(cè)(DR)，調(diào)節(jié)管電壓和管電流分別為190 kV和4 mA，積分時(shí)間為600 ms，觀察DR檢測(cè)結(jié)果，如圖9所示，焊縫處存在缺陷。

圖9　16MnR鋼對(duì)接焊縫板的DR檢測(cè)結(jié)果圖像

利用IMAGEJ軟件對(duì)DR檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，獲得缺陷的具體位置，即缺陷距離焊板上端面的距離為94 mm。再對(duì)焊板進(jìn)行磁粉檢測(cè)，可以明顯觀察到缺陷的磁痕，所以該缺陷屬于表面缺陷。

試驗(yàn)分為2個(gè)主要過(guò)程，一是焊縫區(qū)域檢測(cè)，二是缺陷處檢測(cè)。

首先，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。將焊板分為左右(A,B)兩側(cè)各10個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的尺寸為55 mm×30 mm，將發(fā)射探頭置于A側(cè)，接收探頭置于B側(cè)，兩個(gè)探頭在焊縫兩側(cè)水平放置，間距為20 mm，如圖10所示。自上而下依次測(cè)量接收端聲時(shí)，序號(hào)自上而下記為110,分別記錄10個(gè)區(qū)域的聲時(shí)值。增加兩探頭的間距，分別為30 mm和50 mm，再對(duì)10個(gè)區(qū)域按同樣方法進(jìn)行測(cè)量。

圖10　焊縫區(qū)域檢測(cè)示意

其次，對(duì)缺陷處檢測(cè)。將兩探頭水平放置于焊縫兩側(cè)，距焊板頂端50 mm處，間距為20 mm，測(cè)量接收端聲時(shí)，依次增加距頂端距離，幅度為5 mm，測(cè)得距頂端55100 mm的聲時(shí)并記錄。

3.2檢測(cè)結(jié)果與分析

對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，繪制兩探頭間距為30 mm的聲時(shí)-區(qū)域序號(hào)折線圖，如圖11所示。

圖11　間距30 mm的聲時(shí)-序號(hào)折線圖

圖12為焊縫橫向應(yīng)力σy的縱向分布規(guī)律圖，焊板縱向方向上兩端存在壓應(yīng)力，中心部位存在拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力區(qū)域較長(zhǎng)，呈現(xiàn)雙駝峰狀。當(dāng)材料內(nèi)部存在壓應(yīng)力時(shí)，臨界折射縱波的聲速增大，存在拉應(yīng)力時(shí)聲速減小。由圖11可以看出，序號(hào)38之間區(qū)域聲時(shí)較大，即聲速較小，為拉應(yīng)力區(qū)域，與圖12相比較，試驗(yàn)結(jié)果與理論值相似。但是，兩端區(qū)域的個(gè)別測(cè)量值與理論值不符。原因在于長(zhǎng)焊縫的壓應(yīng)力區(qū)域較小，而探頭寬度較大，聲束擴(kuò)散，測(cè)量范圍包含了壓應(yīng)力區(qū)域與部分拉應(yīng)力區(qū)域，所以造成該區(qū)域測(cè)量值與理論值的誤差。

圖12　焊縫橫向應(yīng)力的縱向分布規(guī)律

對(duì)缺陷處檢測(cè)，在缺陷附近區(qū)域測(cè)量聲時(shí)值。由于探頭較寬(寬度為30 mm)，所以要考慮探頭寬度的影響。探頭中心距焊板頂端的距離需要加上15 mm。繪制出探頭間距20 mm，距焊板頂端50100 mm的LCR波聲時(shí)值的折線圖，如圖13所示。

從圖13可以看出，該測(cè)試范圍為拉應(yīng)力區(qū)域，探頭中心距離焊板頂端90 mm處，存在聲時(shí)最小值。由于被檢焊板在距頂端94 mm位置有一處表面缺陷，造成了90 mm處的聲時(shí)突變。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)量鋼對(duì)接焊縫的近焊縫區(qū)域，含有表面缺陷的區(qū)域中的聲時(shí)和波速來(lái)反映殘余應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明:利用臨界折射縱波法測(cè)得焊縫和近焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力趨勢(shì)與理論值相符，同時(shí)檢測(cè)到的缺陷會(huì)引起聲時(shí)的改變。試驗(yàn)還需要減小探頭尺寸，增加對(duì)比試驗(yàn)、對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行精確量化等。

圖13　探頭中心軸線距焊板頂端距離65115 mm的聲時(shí)值

[1]趙翠華.殘余應(yīng)力超聲波測(cè)量方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[2]華云松.軋輥超聲波應(yīng)力測(cè)量技術(shù)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2006.

[3]劉凡,丁杰雄.用LCR波檢測(cè)零件內(nèi)部切向應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究[J].儀器儀表用戶(hù),2006,13(3):118-120.

[4]孔朝志.基于互相關(guān)時(shí)延估計(jì)的LCR波的切向應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2010.

[5]徐浪,潘勤學(xué),宿亮,等.焊接殘余應(yīng)力超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].計(jì)測(cè)技術(shù),2012(6):29-32.

[6]BRAY D E, TANG Wei. Subsurface stress evaluation in steel plates and bars using the LCR ultrasonic wave[J]. Nuclear Engineering and Design, 2001,207(2):231-240.

Critical Refraction Longitudinal Wave Detection for the Distribution of Residual Stress in Butt Weld of Steel

WANG Ru, WAN Gang, WANG Li-li, WU Wei, WU Guan-hua

(Key Lab of Nondestructive Testing (Ministry of Education), Nanchang Hongkong University, Nanchang 330063, China)

The welding residual stress distribution is harmful to the safety of the welding structure. Based on the generation mechanism of critical refraction longitudinal wave (LCR) and the principle of its stress detection, a stress detection system based on sound is established. Effect of incident angle on the generation of LCRwave is studied by using the “one emitter and one receiver” probe arrangement, and by using the phenomenon that stress can cause changes the LCRwave propagation time in the workpiece to explore the method for measuring the transverse residual stress distribution in butt welds.The experimental results show that the distribution of residual stress in the welded seam by using LCRwave method is basically consistent with the theoretical distribution.

LCRwave; Stress detection; Butt weld

2015-07-15

王茹(1990-),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槌暀z測(cè)技術(shù)。

10.11973/wsjc201603016

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0066-05