臨界折射縱波(LCR)應(yīng)力測試修正方法與機理研究.pdf

1、超聲波法的高速列車車體應(yīng)力測試結(jié)果常呈現(xiàn)出普遍范圍的高應(yīng)力狀態(tài)，甚至超過材料屈服強度，而企業(yè)工程師面對這樣的應(yīng)力測試結(jié)果常感到非常棘手，難以將其有效用于工程化生產(chǎn)。殘余應(yīng)力是影響列車安全可靠性的重要因素，修正超聲波法應(yīng)力測試結(jié)果，提高其測試精度，對服役狀態(tài)下高速列車的焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)精確監(jiān)測具有重要意義。
　　超聲波法殘余應(yīng)力測試主要是基于聲彈性理論即超聲波的傳播速度與應(yīng)力改變量存在的線性關(guān)系。目前行業(yè)內(nèi)常用方法是固定超聲收發(fā)探頭

2、之間距離，通過對超聲在固定距離內(nèi)傳播時間的變化測量表征速度變化，從而使用時間改變量代替速度該變量與應(yīng)力變化之間的線性關(guān)系對應(yīng)力測試。應(yīng)力引起的時間變化屬于納秒級別，但焊縫、熱影響區(qū)以及母材區(qū)域的微觀組織等對超聲傳播時間的影響甚至超過納秒級別，這正是限制超聲波法焊接殘余應(yīng)力測試工程化使用的主要障礙。超聲波法殘余應(yīng)力測試技術(shù)屬于敏感測試，除了焊接接頭各區(qū)域微觀組織變化的影響，耦合狀態(tài)、表面附著物、表面弧度、材料的各項異性、信號的處理方法等對

3、超聲波法的應(yīng)力測試結(jié)果也有明顯影響。
　　基于目前高速列車車體焊接殘余應(yīng)力快速、高精度、便捷化測試需求，本文以A7N01高強度鋁合金材料及其焊接接頭作為研究對象，對焊接接頭各區(qū)域微觀變化、信號處理方案、超聲耦合狀態(tài)、測試溫度、表面附著物、材料各向異性影響因素開展較深入研究，主要包括以下幾方面工作:
　　(1)詳細(xì)介紹了臨界折射縱(LCR)波的激發(fā)原理，并基于聲彈性原理推導(dǎo)了固定超聲收發(fā)換能器距離情況下，聲波傳播時間變化與應(yīng)力

4、變化之間的線性關(guān)系，適用于工程化殘余應(yīng)力測試。
　　(2)進(jìn)行了S355J與A7N01鋁合金信號處理研究。
　　分別使用閾值小波分析對S355J與A7N01鋁合金聲波測試信號降噪，得出降噪處理明顯提高S355J的測試精度，而對于A7N01鋁合金影響不明顯。分別對S355J200MPa、A7N01鋁合金90MPa信號進(jìn)行不同步長互相計算，提出計算步長至少為0.8cycle才能保證應(yīng)力測試精度。對S355J信號互相關(guān)計算起點選擇

5、研究發(fā)現(xiàn)，起點只要屬于LCR且終點不超出LCR范圍，測試精度變化不明顯。
　　(3)進(jìn)行了超聲波法常見影響因素研究
　　分別測試A7N01鋁合金焊接接頭各區(qū)域波速，計算各區(qū)域第一臨界入射角，得出組織變化對LCR入射角影響不明顯;通過實驗標(biāo)定了A7N01板材與型材平行與垂直軋制方向的應(yīng)力常數(shù)K，并單獨擬合A7N01板材拉壓狀態(tài)K，發(fā)現(xiàn)材料的方向性與拉壓狀態(tài)對K值影響明顯;實驗測試了A7N01鋁合金各接頭不同區(qū)域聲波傳播時間與溫

6、度之間關(guān)系，結(jié)果表明不同組織的聲波傳播受溫度影響相似，并建立了溫度影響修正模型;實驗研究不同頻率聲波探頭對A7N01鋁合金測試深度，并標(biāo)定了接頭各區(qū)域不同率的K，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域不同頻率探頭標(biāo)定的K變化晟明顯;對比平行與垂直應(yīng)力加載方向K，發(fā)現(xiàn)與測試方向垂直應(yīng)力對超聲波法影響不明顯;理論分析了弧度面超聲波法的測試方案，并提出規(guī)則圓弧面的標(biāo)定方案與第一臨界入射角計算方法;實驗標(biāo)定油漆件K與聲波零應(yīng)力狀態(tài)傳播時間t0，結(jié)果表明對K影響不大，對t

7、0影響明顯且不可忽略;測試噴砂樣不同打磨次數(shù)下的粗糙度與t0，表明粗糙度小于10μm可以直接測試。
　　(4)破壞平行樣修正超聲波法A7N01接頭各區(qū)域組織變化影響
　　針對A7N01鋁合金MIG焊接接頭超聲波法測試誤差進(jìn)行分析，單獨制作焊接接頭各區(qū)域的標(biāo)定樣。定量分析焊縫(WZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)域(BM)微觀組織差異性對超聲測試基本參數(shù)K與t0的影響，使用各區(qū)域單獨標(biāo)定的參數(shù)對LCR測試結(jié)果修正，并與盲孔法測試