临界折射纵波（LCR）应力测试修正方法与机理研究

作     者：朱其猛 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苟国庆

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：临界折射纵波 焊接残余应力 互相关 声波衰减 微观组织 影响因素 误差修正 

摘      要：超声波法的高速列车车体应力测试结果常呈现出普遍范围的高应力状态,甚至超过材料屈服强度,而企业工程师面对这样的应力测试结果常感到非常棘手,难以将其有效用于工程化生产。残余应力是影响列车安全可靠性的重要因素,修正超声波法应力测试结果,提高其测试精度,对服役状态下高速列车的焊接残余应力状态精确监测具有重要意义。超声波法残余应力测试主要是基于声弹性理论即超声波的传播速度与应力改变量存在的线性关系。目前行业内常用方法是固定超声收发探头之间距离,通过对超声在固定距离内传播时间的变化测量表征速度变化,从而使用时间改变量代替速度该变量与应力变化之间的线性关系对应力测试。应力引起的时间变化属于纳秒级别,但焊缝、热影响区以及母材区域的微观组织等对超声传播时间的影响甚至超过纳秒级别,这正是限制超声波法焊接残余应力测试工程化使用的主要障碍。超声波法残余应力测试技术属于敏感测试,除了焊接接头各区域微观组织变化的影响,耦合状态、表面附着物、表面弧度、材料的各项异性、信号的处理方法等对超声波法的应力测试结果也有明显影响。。基于目前高速列车车体焊接残余应力快速、高精度、便捷化测试需求,本文以A7N01高强度铝合金材料及其焊接接头作为研究对象,对焊接接头各区域微观变化、信号处理方案、超声耦合状态、测试温度、表面附着物、材料各向异性影响因素开展较深入研究,主要包括以下几方面工作:(1)详细介绍了临界折射纵(LCR)波的激发原理,并基于声弹性原理推导了固定超声收发换能器距离情况下,声波传播时间变化与应力变化之间的线性关系,适用于工程化残余应力测试。(2)进行了 S355J与A7N01铝合金信号处理研究。分别使用阈值小波分析对S355J与A7N01铝合金声波测试信号降噪,得出降噪处理明显提高S355J的测试精度,而对于A7N01铝合金影响不明显。分别对S355J200MPa、A7N01铝合金90MPa信号进行不同步长互相计算,提出计算步长至少为0.8cycle才能保证应力测试精度。对S355J信号互相关计算起点选择研究发现,起点只要属于LCR且终点不超出LCR范围,测试精度变化不明显。(3)进行了超声波法常见影响因素研究分别测试A7N01铝合金焊接接头各区域波速,计算各区域第一临界入射角,得出组织变化对LCR入射角影响不明显;通过实验标定了 A7N01板材与型材平行与垂直轧制方向的应力常数K,并单独拟合A7N01板材拉压状态K,发现材料的方向性与拉压状态对K值影响明显;实验测试了 A7N01铝合金各接头不同区域声波传播时间与温度之间关系,结果表明不同组织的声波传播受温度影响相似,并建立了温度影响修正模型;实验研究不同频率声波探头对A7N01铝合金测试深度,并标定了接头各区域不同率的K,发现焊缝区域不同频率探头标定的K变化最明显;对比平行与垂直应力加载方向K,发现与测试方向垂直应力对超声波法影响不明显;理论分析了弧度面超声波法的测试方案,并提出规则圆弧面的标定方案与第一临界入射角计算方法;实验标定油漆件K与声波零应力状态传播时间t0,结果表明对K影响不大,对r0影响明显且不可忽略;测试喷砂样不同打磨次数下的粗糙度与t0,表明粗糙度小于10μm可以直接测试。(4)破坏平行样修正超声波法A7N01接头各区域组织变化影响针对A7N01铝合金MIG焊接接头超声波法测试误差进行分析,单独制作焊接接头各区域的标定样。定量分析焊缝(WZ)、热影响区(HAZ)和母材区域(BM)微观组织差异性对超声测试基本参数K与t0的影响,使用各区域单独标定的参数对LCR测试结果修正,并与盲孔法测试结果对比验表明修正后结果具有更高的可靠性与精确度。(5)在线修正超声波法A7N01接头各区域组织变化影响本文通过热处理的方法制作具有不同析出相和晶粒度的试样,对各个试样的衰减度进行了测试。并建立衰减度、晶粒度和析出相的关系,从而实现对LCR技术的在线修正。本文中称该种测试方法为临界折射纵波声速衰减(LCR-AV)法。同样将LCR-AV法的测试结果与盲孔法进行对比,发现LCR-AV法修正效果明显。