表面耦合状态对A7N01铝合金残余应力检测误差的影响

赵佳佳 ，戴忠晨 ，火巧英 ，孟宪伟 ，朱忠尹 ，祝鹏飞

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京210031；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031）

0 前言

残余应力是影响轨道车辆服役安全可靠性的重要因素。研究发现[1]，以铝合金为主要材料的轨道车辆，其关键结构的残余应力峰值可达146.3 MPa。过大的残余拉应力会导致车辆结构产生裂纹扩展，过大的残余压应力会导致车辆结构失稳变形。因此，获得车辆结构关键部位准确的残余应力分布状态及峰值非常必要[2-4]。超声波法是目前测量车辆结构残余应力的有效方法，但是超声波对被测工件表面的状态较为敏感，如表面弧度、表面粗糙度、表面附着物等都会影响测试精度，造成较大的测试误差[5]。

在此以A7N01铝合金为研究对象，分别从表面附着物、表面粗糙度、表面弧度3个方面分析研究表面耦合状态对残余应力测试误差的影响。

1 规则表面弧度对临界折射纵波测试结果的影响

圆柱体或者球体的测试平面称为规则的表面弧度。已有学者研究了在稳定固定状态下，LCR波对平面状态下工件残余应力的影响测试[6-7]。

在平面状态下LCR波应力测试的第一临界折射角如图1所示，并根据Snell定律确定

图1 临界折射纵波圆柱面中声波传播路径

如果产生LCR波，即θL=90°，则入射角计算方程为

研究材料为A7N01，固定超声波换能器的材质为有机玻璃楔块，LCR波在有机玻璃中的传播速度约为2730m/s，在铝合金中的传播速度约6 700 m/s，代入式（2）可以得出第一临界入射角值为24.05°。

在实际残余应力测试中，需要制作一个有机玻璃楔块，该楔块可以保证在圆弧面工件测试过程中的耦合状态良好。临界折射纵波圆柱面中声波传播路径如图1所示，在圆弧面工件应力测试过程中，通过作切线的法线方法，根据Snell定律得出第一临界入射角，在测试过程中为了保证耦合状态的稳定，需根据工件本身直径制作出不同曲率半径的有机玻璃楔块。

圆弧面k值标定很重要，因为实际生产实践中的实验条件很复杂，进行标定的成本很高，难以满足工程应用中高效与便于操作的要求。不管测试的是平行面还是圆弧面，声波传播的实际距离均为射入点、射出点与测试界面的结合处，即LCR波是平行沿测试表面进行传播。因此为降低标定难度，提高实际测试中的标定效率，可以用平板探头来替代圆弧探头的标定。临界折射纵波平面中声波传播路径如图2所示。

图2 临界折射纵波平面中声波传播路径

2 表面粗糙度对临界折射纵波测试结果影响

在测试材料上切取拉伸试样，具体尺寸按照标准ASTM B557-10进行制备，然后对试样进行喷砂处理。实验过程中采集到的测试波形如图3所示。利用X射线法分别测试喷砂最后两次打磨态、未打磨、母材的残余应力，得到每种测试波形状态下的临界折射纵波相对母材初始状态的传播时间，测试结果如表1所示。

图3 不同粗糙度超声初始信号比对

由表1和图3可知，当试件打磨次数为0～240次，次数为60次时超声波的传播时间t发生很大变化，而周围几个打磨态声波传播时间t与表面粗糙度均无明显变化，整体趋势较为稳定。当打磨次数超过240次，超声传播时间t与残余应力值发生明显变化，并且随着打磨次数的增加，声波的幅值整体呈现上升趋势。60次打磨状态下数值突变的原因可能是超声测试反应很敏感，位置换过后造成耦合状态的不一致，出现明显的误差。

表1 不同打磨次数后声波传播时间及粗糙度

母材的轧制工艺直接决定未喷砂处理的表面应力状态。实验中选取的母材原始应力为74.21MPa，喷砂之后形成的应力值为-130.54 MPa。当打磨次数由240次增加到300次后，表面粗糙度明显下降，并且表面的应力由压应力变为拉应力，LCR波相对于母材的传播时间也由负值变为正值，说明打磨量较多时会对打磨面造成额外的附加机械应力或者破坏压应力层。

分析测试结果可知，粗糙度在10 μm以内没必要对试样进行机械打磨。虽然可以通过打磨降低测试面粗糙度，但这是因为轻微的打磨并未破坏喷砂的压应力层，而过度的打磨极易破坏表面压应力层或者形成附加机械应力层，从而对测试数据造成明显影响。在实际测试过程中，手动打磨方式的打磨量很难把握。

3 表面附着物对LCR波测试结果影响

切取A7N01P-T4试验材料，其中一件未涂装油漆，一件涂装油漆。试验过程中采用的探头频率分别为 2.25 MHz、3.5 MHz、5 MHz和 10 MHz。其中选取探头频率为5MHz分别对未涂装油漆件与涂装油漆件进行K值标定拟合。

根据声波传播原理可知，超声波可以通过油漆层，但油漆层的厚度势必对第一临界角与初始传播速度产生影响。未涂装油漆样与油漆样在2.25 MHz、3.5MHz、5MHz和10MHz试验条件下的计算如表2所示，在5MHz探头下标定拟合的K值如图4所示。

表2 涂装油漆件与未涂装油漆件传播时间t0

图4 油漆件与未涂装油漆件

由表2可知，在理想实验条件下，即试样与油漆接触面状态良好、无其他缺陷，根据超声波在油漆中传播原理可知，油漆其实充当了传播路径以提高超声波的传播时间，因为随着路径的增大，超声波初始状态下的传播时间t肯定会发生变化。

在超声波探头频率由10 MHz降至2.25 MHz的过程中，声波传播时间呈持续减小趋势，这是因为频率越小，所测得的深度就越大，油漆层表面的厚度影响就会很小。以国内常用的底架为例，在没有添加防火材料的情况下，底架油漆层的厚度为240 μm，实际防火涂料深度约为1 000 μm，可得出超声波传播路程的增加量为480～2 000 μm，通过查阅相关资料LCR纵波在油漆中的传播速度约为3 000 m/s，通过以上数据可计算出超声波初始时间的增加范围为 160～668 ns。

由图4可知，未涂装油漆试样和涂装油漆试样的应力常数K值相差仅为0.9%，K值受油漆层影响相对很小，根据式（3）

K值会受LCR波状态下t0的影响，但影响很小。本研究中收发换能器之间的距离为30 mm，预估油漆层厚度为240～1 000 μm，若考虑传播速度的差异性，t0相对无油漆层状态的变化仅为1.5%～12.7%；若不考虑差异性，t0相对无油漆层状态下的变化范围为0.8%～6.7%。最后限定油漆层较薄且低于400 μm，因K值受到油漆层的影响变化率在5%范围以内，所以不考虑修正应力常数K。

若超声波在有机玻璃块与涂装油漆层中的传播速度差异明显，需修正第一临界入射角。但本研究并不考虑超声波在油漆层界面的折射情况，因为超声在油漆层和有机玻璃块中传播速度大小几乎相同。但实际生产中并非所有种类的油漆都具有声透性，对其进行超声检测时可以不用涂装这类油漆工件。

3 结论

（1）在残余应力测试中，若测试的是圆弧面，则必须根据测试工件的具体直径制作出不同曲率半径的有机玻璃楔块，使得耦合状态处于稳定状态。

（2）利用砂纸对喷砂面进行适度范围内的打磨来提高超声法应力测试精度，但若打磨过度则会破坏喷砂层或者形成附加的机械应力层，对测试结果产生巨大影响。

（3）由于超声波能直接穿过油漆层，所以可以直接对其进行应力测试，油漆层对t0影响极其明显，但K值对第一临界入射角的影响不大，必须修正t0大小。

参考文献：

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

[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]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.

[4]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.

[5]朱其猛.临界折射纵波（LCR）应力测试修正方法与机理研究[D].四川：西南交通大学，2017.

[6]Qimeng Zhu，Jia Chen，Guoqing Gou，et al.Residual Stress Measurement and Calibration for A7N01 Aluminum Alloy Welded Joints by Using Longitudinal Critically Refracted（LCR）Wave Transmission Method[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2016（25）：4181-4189.

[7]Qimeng Zhu，Jia Chen，Guoqing Gou，et al.Ameliorated Longitudinal Critically Refracted-Attenuation Velocity Method for Welding Residual Stress Measurement[J].Journal of Materials Processing Technology，2017（246）：267-275.