CN104597137B - 铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测领域，提供了铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组及其使用方法，所述试块取自同批次铝合金预拉伸板材中，且长度方向与板材轧制方向相同，所述试块的宽度为50~2000mm，长度为200~8000mm；所述试块组至少有2组试块，分别为：试块组合、平行试块B；每组试块的数量不小于2，每组均包含具有组间对应的不同残余应力的试块，所述不同残余应力呈梯度分布；所述平行试块B为残余应力值的标记试块组，所述试块组合为残余应力标尺的标定试块组。本发明无需对样品进行复杂的机加工和装配，节约了成本而且提高了试块制备的成功率，该方法有利于对铝合金预拉伸板近表面残余应力进行无损评价。

Description

铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组及其使用方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及一种铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组及其使用方法。

背景技术

在轧制、固溶淬火等工艺过程中，预拉伸铝合金板材常常会的产生残余应力，残余应力的存在直接导致后续使用过程中由于残余应力的释放造成工件的变形，预拉伸铝合金板材中的残余应力可能由轧制工艺引起的，但更主要的原因是铝合金的固溶淬火工艺。

平轧铝合金产品制造商往往使用大吨位的预拉伸机对固溶淬火后的铝合金板材进行处理从而减少板材中的残余应力。现代航空制造业对预拉伸铝合金板材提出低残余应力的要求，从而满足飞机大型整体化部件的要求。目前，钻孔法、多孔方差法、裂纹柔度法等理化方法和射线衍射法等无损检测方法较成熟地应用于材料的残余应力测量。但使用超声波方法测量材料的残余应力仍未形成国际公认的检测标准，一定程度上是由于还没有一种被行业普遍接受的参考试块。在试块使用一段时间后判断试块的有效性也是一个难题。

201310659777.4专利中使用超声波仪对拉伸试验机上的被施加载荷的试样进行测量。该方法通过接触法用超声检测传感器对拉伸试样进行测量，耦合效果将对校准结果产生较大影响；校准过程中需使用拉伸机，导致使用环境受到限制；一次校准完成后，拉伸力卸载使试样产生回弹，再次校准时需重新使用拉伸机对试样加载，操作程序较复杂。

201310534554.5专利中采用冷却安装过盈试样的方法给试块导入残余应力。这种方法需对试样进行复杂的机加工；而且组合试块进行安装前需使用液氮冷却至可装配的尺寸而且装配过程需迅速准确，对操作人员的操作能力有较高的要求；组合试块安装完成后，操作员需对组合试块平面进行打磨至两个面平行而且光滑的技术难度大而且可能导入新的残余应力。

201410073705.6专利中介绍的方法主要适用于钢材，该发明的试块制作过程中需在确保材质不发生变化的前提下，对外圆环进行加热，然后利用热胀冷缩的效应使外圆环压紧内圆盘；但可热处理铝合金对温度较敏感，在120℃左右就产生人工时效处理的效果，这使该发明难以应用于铝合金材料的检测。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种铝合金预拉伸残余应力超声检测试块组及其使用方法，其目的是提供一种在不受异常温度和外力影响条件下，能较长时间的保持残余应力的试块组。且此种试块无需对样品进行复杂的机加工和装配，节约了成本，提高了试块的制备成功率；以本发明的试块进行待测铝合金预拉伸板残余应力的无损检测，方便快捷，提高了效率。

铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组，取自同批次铝合金预拉伸板材中，且长度方向与板材轧制方向相同，所述试块与被检测板材的轧制面上表面方向相同的面上设有标记，所述试块的宽度为50~2000mm，长度为200~8000mm；所述试块组至少有2组试块，分别为：试块组合、平行试块B；每组试块的数量不小于2，每组均包含具有组间一一对应的相同残余应力的试块，每组内的试块具有不同的残余应力，所述不同的残余应力呈梯度分布；所述平行试块B为残余应力值的标记试块组，且其中至少有一块试块的残余应力低于临界残余应力值0 MPa，至少有一块的残余应力高于临界残余应力值0 MPa；所述试块组合为残余应力标尺的标定试块组。较优的，每组试块数量相同。

此技术方案中的试块选用相同的材质和规格制备的试块组，原材料相同，经过的制作工艺相同，因此各组的残余应力水平相当。利用平行试块B有利于找到残余应力的临界点，有效地确定试块中允许存在的残余应力水平，提高了试块的制备率。同时，将平行试块B组内各试块的残余应力数值对应地标记在对应工艺制备的各组的试块上，从而实现对试块组合的残余应力值进行标定。

作为本发明的进一步改进，所述试块组还包括平行试块A，所述平行试块A为校准试块。

试块组合投入使用一段时间后，会出现残余应力变化的情况，将平行试块A作为校准样，定期采用平行试块A进行校准，达到了评价试块有效性的目的。当使用相同的水浸式超声波检测工艺对进行平行试块A和试块组合中的试块进行残余应力检测时，残余应力数值相差5~20%，则停止整套试块的使用。

作为本发明的进一步改进，所述试块采用以下步骤制备：

步骤1：从待检测的同批次铝合金预拉伸板材中截取矩形试块，所述试块的长度方向与板材轧制方向相同；可对试块的每个面都进行标记，使得在与被检测板材的轧制面上表面方向相同的面上进行测试，减小误差；

步骤2：对试块进行固溶淬火；

步骤3：对各组试块分别进行处理得到不同拉伸率的试块，消减残余应力，得到每组都包含有组间对应的同拉伸率的试块，所述不同拉伸率呈梯度分布；

步骤4：对试块进行电导率检测，要求所有试块的电导率极差值小于1.5%IACS；

步骤5：对试块进行峰值实效处理；优选为在室温下进行1天~15天自然时效，直至合金状态稳定；

步骤6：冷却后进行外观尺寸检验，得到具有相同残余应力梯度的检测试块组；完成时效待整套试块冷却至室温后进行外观尺寸检验，尺寸公差应符合ASTM E 127的要求。

作为本发明的进一步改进，步骤3所述不同的拉伸率的试块是采用拉伸方法制得的，采用不同工艺的退火方法也可以得到上述不同残余应力的试块。

通常，拉伸率的试块是采用拉伸方法制备的，此方法简单，可获得残余应力消减更均匀的试块，而且在预拉伸处理后试块可获得更好的表面平直度，有利于提供更高的检测精度。

退火也可以消减固溶淬火后的铝合金板材的残余应力。因此，采用不同的退火工艺可以替代不同的预拉伸率，从而获得具有梯度的残余应力的试块组合；采用退火方法可通过使用普通加热炉实现制作具有梯度的残余应力的试块组合的目的，避免使用价格昂贵的高精度拉伸机，从而降低成本。

通常，平行试块B的残余应力值是通过钻孔法获得的，此方法简单且可以获得被检测材料近表面的残余应力值。但也可以使用X射线方法直接对试块组合进行残余应力检测，免除制造平行试块B并进行钻孔法检测残余应力的麻烦。这种方法可以使用无损检测方法直接获得试块表面的残余应力值，避免试块组合与平行试块B在残余应力值上的偏差。但是，使用X射线方法检测获得的结果是材料表面的残余应力值，而超声波方法获得的是材料近表面的残余应力值。X射线方法获得的残余应力值需要进行较复杂的换算才能获得表征超声波检测方法获得的结果。

作为本发明的进一步改进，所述电导率检测是在试块上下表面每间隔宽度20mm和长度250mm的地方进行的。

作为本发明的进一步改进，所述每组试块的数量为5块。采用此数量的试块组，可以在使用每组尽量少的试块的同时，得到很好的残余应力标尺标定的功能，也便于后续试块的使用和检测。

作为本发明的进一步改进，所述呈梯度分布的拉伸率为：0.5%、1%、1.5%、 2%、2.5%和3%。拉伸率为0.5%、1%、 1.5% 、2%、 2.5%和3%对应的残余应力值分别约为-80MPa, -40MPa, -18MPa, 0MPa, 10MPa和25Mpa，采用此技术方案，便于残余应力的标记以及试块的制备。

较优的，所述呈梯度分布的拉伸率为：1%、1.5%、2%、2.5%和3%。

作为本发明的进一步改进，将拉伸夹区及其附近50~80mm处标记为“非测试区”。采用此技术方案是为了避免拉伸夹持区域附近残余应力不均匀对检测结果造成影响，拉伸夹持痕迹及其附近50~80mm的区域用标记笔标记为“无效区域”。检测过程中仅使用整套试块的“有效区域”进行校准。整套试块加工完成后进行表面氧化处理以提高其抗腐蚀性。

作为本发明的进一步改进，试块组合投入使用后，定期采用平行试块A进行校准；当使用相同的水浸式超声波检测工艺对进行平行试块A和试块组合中的试块进行残余应力检测时，残余应力数值相差5~20%，则停止整套试块的使用。

本发明还提供了一种铝合金预拉伸残余应力水浸超声检测试块的使用方法，其特征在于， 包括以下步骤：

1）．对所述平行试块B中的试块采用残余应力有损方法或 X射线衍射法测量残余应力，测试点不少于3点，其中3点分别设在轧制面的中心及距离轧制中心两侧80mm处，如图3所示，此3点的残余应力相互差值小于35Mpa；并将在轧制面的中心的点的残余应力测试结果标记在各组的各相同拉伸率的试块上。

此技术方案中，选取3个点进行测试，获得了3个点的残余应力值，但只选用轧制面中心点的残余应力进行标识，这样可以与实际超声波探头在试块上校准时的点保持一致，另外2个点可以提供质量保证的作用。

所述残余应力有损方法为所述残余应力有损方法为钻孔法、层削法或裂纹柔度法；此技术方案优选成本低廉、常用的钻孔法。使用X射线方法检测获得的结果是材料表面的残余应力值，而超声波方法获得的是材料近表面的残余应力值。X射线衍射方法获得的残余应力值需要进行较复杂的换算才能获得表征超声波检测方法获得的结果，而且费用较贵。

2）．对所述试块组合中的各试块采用水浸超声波检测，获得试块组合中各试块的残余应力值，设置残余应力标尺；

3）．对被检测的铝合金预拉伸板进行残余应力的检测，与步骤2）中的标尺进行对照评价；

使用通过试块组合获得的标尺对使用超声波方法测得的被测样品的残余应力值进行标定，计算被测样品组的残余应力极差值，当残余应力极差值（均匀性）劣于客户要求或公司规范要求时将被检测的铝合金预拉伸板判废，所述残余应力极差值为残余应力最大值和最小值的差值，体现残余应力的不均匀程度。此技术方案中，通过计算被测样品的残余应力最大值和最小值的差值，得到被测样品的残余应力极差值，作为评价被测样品残余应力均匀性的基础。

较优的，试块组合使用时，先将试块按组序列进行排列，长度和厚度的侧面相互靠紧。试块组合的轧制面上表面方向与被检测板材的轧制面上表面方向相同。使用超声波探头依次在试块组合上获得5个具有梯度的残余应力数据。此过程必须保证超声波探头与试块表面垂直。从试块组合上获得的5个具有梯度的残余应力数据用于设置残余应力数值的彩色标尺。彩色标尺中的残余应力数值为0 MPa的点被设置为绿色(工业国际标准色卡编号：RAL 6018) ，代表临界残余应力数值。残余应力数值低于临界残余应力数值时使用比RAL 6018更冷的色调表示，例如RAL 5011。.残余应力数值高于临界残余应力数值时使用比RAL 6018更暖的色调表示，例如RAL 3020。彩色标尺设置的完成即完成了残余应力测量标定。

残余应力测量完成标定后，开始使用水浸式超声波检测设备对被检测的铝合金预拉伸板进行扫查，扫查完成后水浸式超声波检测设备生成被检测的铝合金预拉伸板的残余应力分布图，使用通过试块组合获得的彩色标尺对被测样品的残余应力的极差值（残余应力的不均匀程度）进行标定。当残余应力的极差值（残余应力的不均匀程度）劣于客户要求或公司规范要求时将被检测的铝合金预拉伸板判废。

整套试块组在使用时，轧制面上表面方向与被检测板材的轧制面上表面方向相同。采用此技术方案是为了减少检测面的不同造成残余应力检测准确性的影响。

作为本发明的进一步改进，试块组还包括平行试块A，所述平行试块A保存在20~25℃干燥箱中，水平放置，试块间隔为50-100mm，并定期取出对试块组合进行校准。

由于试块在使用过程中，出现残余应力变化的情况，将平行试块A妥善保存，作为校准样，达到了评价试块有效性的目的。平行试块B有利于找到残余应力的临界点，有效地确定试块中允许存在的残余应力水平，提高了试块的制备率。

作为本发明的进一步改进，所述残余应力标尺的设置方法为：对要求的临界残余应力值0 MPa进行颜色标识，对具有不同残余应力的各试块也采用颜色进行标识，高于临界残余应力值的试块用比临界残余应力值标识颜色冷色的进行标识，低于临界残余应力值的试块用比临界残余应力值标识颜色暖色的进行标识。

使用水浸式超声波探头依次在试块组合上获得数个具有梯度的残余应力数据，这些数据与标记在试块上的残余应力值一起用于设置残余应力数值的彩色标尺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对同一批次的状态均匀的可热处理铝合金板样品进行固溶淬火，然后对这批铝合金板样品进行不同预延伸率的处理，从而获得具有梯度残余应力的试块组。这种试块组在不受异常温度和外力影响条件下，可以较长时间的保持试块上的残余应力。

通过对试块的平行试块B进行钻孔法残余应力检测寻找到残余应力的临界点，有效地帮助确定板材中允许存在的残余应力水平，从而帮助筛选出符合质量要求的铝合金预拉伸板材。

本发明无需对样品进行复杂的机加工和装配，节约了成本而且提高了试块制备的成功率。该方法有利于对铝合金预拉伸板近表面残余应力进行无损评价。

另外，还可以通过对试块的平行试块A进行妥善保存并与试块进行定期比较测量，从而确认试块的有效性。

附图说明

图1是本发明实施例中试块组制作流程图；

图2是本发明实施例中试块组合示意图；

图3是本发明实施例中残余应力测试点位置示意图，图中箭头所指方向为轧制方向。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述。

实施例1

图1为试块组制作流程图，按此流程，铝合金预拉伸残余应力水浸超声试块组详细的制备方法如下：

1、从待检测的同批次铝合金预拉伸板材中截取15块宽50mm、长405mm的矩形试块，长度方向与板材轧制方向相同，将试块平均分组，如图2所示，分别得到试块组合、平行试块A和平行试块B三组，每组各有5块试块；

2、对截取的试块进行固溶淬火；

3、用电导仪对试块在每间隔宽20mm、长250mm的位置上进行电导率检测，电导率极差值应小于1.5%IACS；

4、对试块组合、平行试块A和平行试块B分别进行相同的梯度拉伸，消减残余应力；如图2所示，每组试块中5块试块的第一组、第二组、第三组、第四组合和第五组的延伸率按次序依次为0.5%、1%、2%、2.5%和3%；并将拉伸夹区及其附近50~80mm处4和5的位置标记为“非测试区”，如图3中所示；

5、对拉伸后的试块在室温下进行5天的自然时效处理；

6、待冷却至室温后进行外观尺寸检验，尺寸公差应符合ASTM E 127的要求；

7、经过上述工序，得到整套试块梯度残余应力，分别为试块组合、平行试块A和平行试块B。

使用上述试块铝合金预拉伸残余应力水浸超声检测方法如下：

1）梯度残余应力制作完成后，平行试块A的试块应保存在20~25℃干燥箱中，水平放置，试块间隔为50-100mm，防止取出时相互碰击，平行试块A定期或使用前取出对试块组合进行校准，两者残余应力数值相差小于10%时整套试块被判废；

2）梯度残余应力制作完成后，平行试块B采用钻孔法测量梯度残余应力，测试点为三个，分别在轧制面的中心1及距离轧制中心两侧80mm处2和3，如图3所示，各点的残余应力差应小于35MPa。取轧制面的中心1的点的残余应力值对试块残余应力值进行标记。平行试块B中应至少有一块的残余应力小于0 Mpa，且至少有一块的残余应力大于0Mpa，则整套试块有效，则将平行试块B作为参考试样，并将测试结果标定试块组合；

3）试块组合测试标定：将试块按组序列排列，长度与厚度的侧面相互靠紧，保持试块组合与被检测板材的轧制面上表面方向一致，使用超声波探头依次检测试块组合，使超声波探头与试块表面垂直，获得5个梯度残余应，并用于设置残余应力彩色标尺，0Mpa为临界残余应力数值，彩色标尺中用为绿色表示。数值小于临界残余应力数值用更冷的色调表示。数值大于临界残余应力数值用更暖的色调表示。彩色标尺设置的完成即残余应力测量完成标定；

4）残余应力均匀性检测：残余应力测量完成标定后，使用水浸式超声波检测设备对被检测的铝合金预拉伸板进行100%扫查，得到被检测的铝合金预拉伸板的残余应力分布图，使用标定后的彩色标尺计算出被测样品的整体残余应力极差值。当残余应力的极差值劣于客户要求或公司规范要求时将被检测的铝合金预拉伸判为不合格。

实施例2

1. 原料获取：

在同一批次7075-T651铝合金预拉伸板材中，截取3组原料，分别为试块组合、平行试块A和平行试块B。原料的长度方向与板材轧制方向相同，所述原料与被检测板材的轧制面上表面方向相同的面上设有标记。每组原料包含5块，每块的规格为厚度50mm，宽度300mm，长度2100mm。

2. 原料加工：

将3组原料放入辊底式淬火炉进行固溶处理，从室温加热至470℃后保温时间2小时然后进行淬火处理。在30分钟内将各组原料转至预拉伸机进行不同拉伸率的拉伸处理，拉伸率分别为1%、1.5%、2%、2.5%和3%。对经拉伸处理后的各组原料的双面进行涡流电导率检测以确保固溶淬火的均匀性，涡流电导率检测取点的方法为板材横向每隔25mm取一个点，板材纵向上每隔200mm取一个点。全部材料所测得的电导率数值的最大值与最小值的差值应小于1.5%IACS，否则需重新取样进行制备。全部材料在7~37℃下进行自然时效108小时。

3. 残余应力值标定阶：

对平行试块B的拉伸率分别为1%、1.5%、2%、2.5%和3%的5块试样分别使用钻孔法测得试样上表面中心位置轧制方向上的残余应力值分别为-41.5MPa、-18.0MPa、-5.2MPa、9.5MPa和25.6 MPa。残余应力值-41.5MPa、-18.0MPa、 -5.2MPa、9.5MPa和25.6MPa分别采用标准工业色卡中的颜色ral 5004、ral 5001、ral4009、ral 1021和ral 2002进行标识。

由于试块组合、平行试块A和平行试块B的原料取自相同批次、进行适当的标记、经过相同的固溶淬火、拉伸、自然时效处理并通过检测手段进行质量控制，因此认为这3组中各拉伸率的材料的残余应力值是相当的。

4. 使用试块做检测前的校准：

使用超声波残余应力检测方法分别测量试块组合中拉伸率分别为1%、1.5%、2%、2.5%、3%的5块试块获得用超声波方法获得的表征残余应力的量值。再将使用超声波方法获得的表征残余应力的5个量值分别对应ral 5004、ral 5001、ral4009、ral 1021和ral 2002颜色标识。使用这5个数据点制作一个连续的彩色标尺。随着残余应力数值增大，表征颜色由冷色调向暖色调过渡。

5. 检测执行：

使用超声波残余应力检测方法对计划销售给客户的预拉伸铝合金板材进行检测。检测结束后获得的数据根据上述彩色标尺计算得到的极差值为48MPa，客户要求使用钻孔法检测，且轧制方向上的残余应力应小于50MPa，因此该板材合格。

6. 试块保养和校准阶段：

试块组每次被使用前先用超声波方法与平行试块A组进行残余应力比较。该试块使用1年后，在比较过程中发现试块组的2%拉伸率试块与平行样品A组的2%拉伸率样品的残余应力数值相差10%。则整套试块被报废。

实施例3

采用实施例2制备的试块对一批预拉伸铝合金板材进行检测。某块板材经超声波方法检测结束后获得的残余应力数值根据上述彩色标尺计算得到的极差值为55MPa，但客户要求使用钻孔法检测获得的板材轧制方向上残余应力应小于50MPa，因此，该块板材被判废。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组，取自同批次铝合金预拉伸板材中，且长度方向与板材轧制方向相同，所述试块与被检测板材的轧制面上表面方向相同的面上设有标记，其特征在于：所述试块的宽度为50~2000mm，长度为200~8000mm；所述试块组至少有2组试块，分别为：试块组合、平行试块B，每组试块的数量不小于2，每组均包含具有组间一一对应的相同残余应力的试块，每组内的试块具有不同的残余应力，所述不同的残余应力呈梯度分布；所述平行试块B为残余应力值的标记试块组，所述试块组合为残余应力标尺的标定试块组；所述试块组还包括平行试块A，所述平行试块A为校准试块。

2.根据权利要求1所述的试块组，其特征在于：试块组合投入使用后，定期采用平行试块A进行校准。

3.根据权利要求1或2所述的试块组，其特征在于：采用以下步骤制备：

步骤1：从待检测的同批次铝合金预拉伸板材中截取矩形试块，所述试块的长度方向与板材轧制方向相同；

步骤2：对试块进行固溶淬火；

步骤3：对各组试块分别进行处理得到不同拉伸率的试块，且每组都包含有组间对应的同拉伸率的试块，所述不同拉伸率呈梯度分布；

步骤4：对试块进行电导率检测；

步骤5：对试块进行自然时效处理；

步骤6：自然时效后进行外观尺寸检验，得到具有相同残余应力梯度的检测试块组。

4.根据权利要求3所述的试块组，其特征在于：步骤3所述不同拉伸率的试块是采用拉伸方法制得的。

5.根据权利要求3所述的试块组，其特征在于：所述电导率检测是在试块上下表面每间隔宽度20mm和长度250mm的地方进行的。

6.根据权利要求5所述的试块组，其特征在于：所述每组试块的数量为5块。

7.根据权利要求6所述的试块组，其特征在于：所述不同拉伸率为：1%、1.5%、2%、2.5%和3%。

8.如权利要求1~7任意一项所述铝合金预拉伸板残余应力超声检测试块组的使用方法，其特征在于，采用以下步骤：

1）．对所述平行试块B中的试块采用残余应力有损方法或 X射线衍射法测量残余应力，测试点不少于3点，其中3点分别设在轧制面的中心（1）及距离轧制中心两侧80mm处（2，3），并将在轧制面的中心（1）点的残余应力测试结果标记在各组的各相同拉伸率的试块上；

2）．对所述试块组合中的试块采用水浸超声波检测，获得试块组合中各试块的残余应力值，设置残余应力标尺；

3）．对被检测的铝合金预拉伸板进行残余应力的检测，与步骤2）中的标尺进行对照评价。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：试块组还包括平行试块A，所述平行试块A保存在20~25℃干燥箱中，水平放置，试块间隔为50~100mm，并定期取出对试块组合进行校准。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述残余应力有损方法为钻孔法、层削法或裂纹柔度法。

11.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述残余应力标尺的设置方法为：设定临界残余应力值并标识颜色，对具有不同残余应力的各试块采用颜色进行标识，高于临界残余应力值的试块用比临界残余应力值标识颜色冷色的进行标识，低于临界残余应力值的试块用比临界残余应力值标识颜色暖色的进行标识。