臨界折射縱波(LCR)應(yīng)力測(cè)試修正方法與機(jī)理研究.pdf

1、超聲波法的高速列車車體應(yīng)力測(cè)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(qiáng)度，而企業(yè)工程師面對(duì)這樣的應(yīng)力測(cè)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(cè)試結(jié)果，提高其測(cè)試精度，對(duì)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(cè)具有重要意義。
　　超聲波法殘余應(yīng)力測(cè)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(duì)超聲在固定距離內(nèi)傳播時(shí)間的變化測(cè)量表征速度變化，從而使用時(shí)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(duì)應(yīng)力測(cè)試。應(yīng)力引起的時(shí)間變化屬于納秒級(jí)別，但焊縫、熱影響區(qū)以及母材區(qū)域的微觀組織等對(duì)超聲傳播時(shí)間的影響甚至超過納秒級(jí)別，這正是限制超聲波法焊接殘余應(yīng)力測(cè)試工程化使用的主要障礙。超聲波法殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)屬于敏感測(cè)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(xiàng)異性、信號(hào)的處理方法等對(duì)

3、超聲波法的應(yīng)力測(cè)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(cè)試需求，本文以A7N01高強(qiáng)度鋁合金材料及其焊接接頭作為研究對(duì)象，對(duì)焊接接頭各區(qū)域微觀變化、信號(hào)處理方案、超聲耦合狀態(tài)、測(cè)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(shí)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(cè)試。
　　(2)進(jìn)行了S355J與A7N01鋁合金信號(hào)處理研究。
　　分別使用閾值小波分析對(duì)S355J與A7N01鋁合金聲波測(cè)試信號(hào)降噪，得出降噪處理明顯提高S355J的測(cè)試精度，而對(duì)于A7N01鋁合金影響不明顯。分別對(duì)S355J200MPa、A7N01鋁合金90MPa信號(hào)進(jìn)行不同步長(zhǎng)互相計(jì)算，提出計(jì)算步長(zhǎng)至少為0.8cycle才能保證應(yīng)力測(cè)試精度。對(duì)S355J信號(hào)互相關(guān)計(jì)算起點(diǎn)選擇

5、研究發(fā)現(xiàn)，起點(diǎn)只要屬于LCR且終點(diǎn)不超出LCR范圍，測(cè)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(cè)試A7N01鋁合金焊接接頭各區(qū)域波速，計(jì)算各區(qū)域第一臨界入射角，得出組織變化對(duì)LCR入射角影響不明顯;通過實(shí)驗(yàn)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(dú)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(duì)K值影響明顯;實(shí)驗(yàn)測(cè)試了A7N01鋁合金各接頭不同區(qū)域聲波傳播時(shí)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(shí)驗(yàn)研究不同頻率聲波探頭對(duì)A7N01鋁合金測(cè)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(duì)比平行與垂直應(yīng)力加載方向K，發(fā)現(xiàn)與測(cè)試方向垂直應(yīng)力對(duì)超聲波法影響不明顯;理論分析了弧度面超聲波法的測(cè)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(jì)算方法;實(shí)驗(yàn)標(biāo)定油漆件K與聲波零應(yīng)力狀態(tài)傳播時(shí)間t0，結(jié)果表明對(duì)K影響不大，對(duì)t

7、0影響明顯且不可忽略;測(cè)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(cè)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(duì)A7N01鋁合金MIG焊接接頭超聲波法測(cè)試誤差進(jìn)行分析，單獨(dú)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(duì)超聲測(cè)試基本參數(shù)K與t0的影響，使用各區(qū)域單獨(dú)標(biāo)定的參數(shù)對(duì)LCR測(cè)試結(jié)果修正，并與盲孔法測(cè)試