温度对铝合金残余应力检测误差的影响分析

孙晓红，孟立春，李晓东，朱忠尹

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

0 前言

超声波法能够快速、准确地检测金属材料及结构的表面残余应力，已广泛应用于高速列车的车体结构上，尤其是针对铝合金、不锈钢、碳钢等材料组成的大型复杂结构[1-5]。

影响超声波法残余应力检测精度的因素有很多，其中温度是重要因素。以超声波法测试中常用的临界折射波（LCR波）为例，残余应力测试过程中，对时间测试精度要求较高，纳秒级别的采集时间误差都有可能造成应力测试的巨大偏差。在近40年超声法残余应力测试的发展过程中，关于温度对测试结果的影响分析较为简单，甚至很多研究采取了回避温度影响的研究方案。文献[1-3]研究了测试温度对钢类材料应力的测试影响，但他们的测试结果存在一定的偏差。

定量分析温度影响超声技术的机理，修正处理测试温度是保证超声波测试精度的重要前提。温度对LCR波残余应力测试技术的影响主要表现为：①温度对声弹性原理的影响；②温度引起测试工件的物理性质发生变化；③温度引起固定收发换能器有机玻璃块物理性质的变化。

本研究针对A7N01P-T4铝合金焊接接头，在环境实验室中研究温度对母材、热影响区、焊缝的影响，并建立温度修正模型，从而获得更加准确的测试数据。

1 试验

采用临界折射纵波（LCR波），残余应力测试系统主要包括：数据处理电脑，示波器，信号发生装置，探头组，热电偶TP100，如图1所示。示波器为泰克 MDO3034，采样频率范围为100 MB～2.5 GB，最小时间的采样误差为0.4 ns；信号发生装置为奥林巴斯5072PR；探头组中所使用的探头为奥林巴斯与汕超定制探头，固定探头的楔块为进口有机玻璃材质；热电偶用于采集环境温度，补偿温度影响LCR波速度造成的误差。

图1 LCR波残余应力测试系统示意

使用的超声换能器探头中心频率为：2.25 MHz，3.5 MHz，4 MHZ，5.0 MHz和 10 MHz，其中 5.0 MHz与10MHz的压电陶瓷芯片直径尺寸为6mm，4MHz探头芯片直径为5 mm，2.25 MHz和3.5 MHz的压电陶瓷芯片直径为13 mm。固定在有机玻璃楔块上后，收发换能器中心射出点与接收点的距离均为30mm，则定义测试距离为30 mm。收发换能器之间的距离不宜太小，过小的测试距离一方面容易靠近声场，另一方面测试板件较薄时，底面反射波可能与LCR波混合造成测试误差。超声法相对于X射线法，所测试的空间区域过大即空间分辨率太低，对于测试区域跨越焊缝时，或者要求更高空间分辨率时，可以通过直接粘贴压电陶瓷裸片的方式测试。

超声传播速度容易受到测试温度影响，但测试条件很难保证均为恒温环境。测试过程中实时采集测试温度，补偿计算温度对测试的影响。本研究使用电阻热电偶实时采集测试温度，热电偶的电阻值与温度成正比，测试温度范围为0～50℃。

试样加工尺寸如图2所示。对于传播时间的测试采用时间差的方案，以2℃为基准时间，其余温度状态的时间为其相对时间。

图2 试样加工尺寸

2 试验结果及讨论

2.1 温度影响验证分析

焊缝、热影响区、母材测试初始信号如图3～图5所示，通过互相关法对测试信号计算时间差，测试结果如表1所示。使用Matlab最小二乘法拟合出温度与传播时间关系如图6所示。

图3 母材状态超声波在各个温度下传播信号

图4 热影响区超声波在各个温度下传播信号

图5 焊缝区超声波在各个温度下传播信号

由图5可知，虽然焊接接头中WZ、HAZ、BM各区域的微观组织差异较为明显，但是温度与声时差拟合关系具有明显的一致性，可以推导出该温度范围内微观组织对超声波传播特征的影响不大。

LCR波属于纵波，根据文献[9]可知，纵波在无应力各向同性介质中传播速度为

式中 E为弹性模量；μ为泊松比；ρ0为材料初始密度。

表1 焊接接头各区域不同温度状态传播时间

图6 超声波传播时间与温度关系拟合

当测试温度较低时（0～38℃），因为该温度状态下，材料的弹性模量E和密度ρ变化都极小，温度对声弹性效应的影响占据主导地位，而声弹性效应与温度的关系与所测试的材料无关。可以推测出当温度较高时，微观组织具有明显差异的材料，其声时差受温度影响将有明显不同，因为随着温度的升高，弹性模量E和密度ρ变化明显，甚至超过温度对声弹性效应的影响，而纳秒级的声时差变化也将导致明显的应力测试误差。局限于试验条件，本研究未对更高温度下声时差变化进行试验。当测试环境为沙漠管道、夏季野外钢轨、野外高速列车车体等情况时，被测试工件温度可能远远超过38℃，需要进一步研究温度影响机理，并单独修正WZ、HAZ与BM。

2.2 温度影响修正模型建立

超声法受温度影响参数为t，t0，而t和t0为相差关系，因此仅需要修正t或者t0即可补偿应力测试过程中的温度影响。假设温度对t0的影响为f（T），则温度补偿的LCR波应力修正公式为

式中 T为测试温度，根据图6拟合出f（t），温度补偿修正公式为

本实验中使用的收发探头距离为30 mm，超声在铝合金中的传播速度约为6 700 m/s，则接收换能器接收到声波的时间为4 500 ns，而38℃的温度变化引起t0的变化量仅稍大于14 ns，对t0的影响为0.31%，所以温度的变化对K的影响可忽略不计。

该模型的修正温度为2～38℃，若测试温度不在该范围内，该修正模型可能无效。特别当测试温度过高时，材料的弹性模型E和密度ρ发生明显变化，有必要对其建立新的补偿修正关系。

3 结论

（1）当测试温度较低时（0～38℃），因为该温度状态下，材料的弹性模量E和密度ρ变化都极小，温度对声弹性效应的影响占据主导地位，而声弹性效应与温度的关系与所测试的材料无关。

（2）当温度较高时，微观组织具有明显差异的材料，其声时差受温度影响将有明显不同，因为随着温度的升高，弹性模量E和密度ρ变化明显，甚至超过温度对声弹性效应的影响，而纳秒级的声时差变化也将导致明显的应力测试误差。

（3）当修正温度为2～38℃时，温度修正模型为Δσ=K[t-（0.414 05T-0.874 06）]。

参考文献：

[1]苟国庆，黄楠，陈辉，等.高速列车A6005铝合金焊接接头盐雾腐蚀行为分析[J].焊接学报，2011，32（10）：17-20.

[2]苟国庆，于金朋，张立民，等.铝合金车体结构焊接残余应力研究[J].电焊机，2011，41（11）：35-38.

[3]苟国庆，黄楠，陈辉，等.X射线衍射法测试高速列车车体铝合金残余应力[J].西南交通大学学报，2012，47（4）：618-622.

[4]路浩，马子奇，刘雪松，等.300 km/h高速列车车体残余应力超声波法无损测量[J].焊接学报，2010，31（8）：29-32.

[5]路浩，刘雪松，孟立春，等.高速列车车体服役状态残余应力超声波法无损测量及验证[J].焊接学报，2009，30（4）：81-83.

[6]宋文涛.残余应力超声无损检测与调控技术研究[D].北京：北京理工大学，2016.

[7]孙俊博.基于超声波法的钢结构构件二维应力检测及温度影响研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2015.

[8]王彦龙.残余应力的超声波检测研究[D].陕西：西安科技大学，2005.

[9]Rose J L.Ultrasonic guided waves in solid media[M].UK：Cambridge University Press，2014.