CN106595926A - 晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，属于超声波无损评价技术领域。该方法通过超声波能量衰减分析，优化并制备间距恒定的双超声波探头。借助压力可调的装置夹持超声波探头，获得幅值稳定的超声波信号。采用金属热处理方法获得不同晶粒尺寸的试样，通过超声波声弹性常数标定实验建立超声波声弹性常数与晶粒尺寸间对应关系，进而实现焊接接头热影响区声弹性常数的修正。通过焊缝超声波声弹性常数标定实验，获得焊接接头焊缝超声波声弹性常数，最终实现超声波评价焊接接头残余应力的修正。本发明为晶粒尺寸对超声波评价焊接残余应力影响的修正提供了技术支撑，具有无损、快速、方便、安全等优点。

Description

晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法

技术领域

本发明属于超声波无损评价技术领域，具体来说涉及的是一种晶粒尺寸对超声波评价焊接残余应力影响的修正方法。

背景技术

焊接结构的服役安全及其可靠性评价是推动焊接产品高效、安全融入市场循环的关键，因而探讨可实现焊接结构服役安全及其可靠性评价的技术方法就亟待解决。相关研究表明，焊接残余应力是影响焊接结构服役安全及其可靠性的重要因素之一，为此国内外学者对焊接残余应力进行了大量研究，主要包括如下三方面：①焊接工艺的优化；②焊接新装备及新方法的研发；③焊接新材料的研发。上述研究虽可在一定程度上提高焊接结构服役安全及其可靠性，但仍集中于焊接残余应力的调控，并未真正实现焊接残余应力的评价，因而不可避免的对焊接结构的服役带来安全隐患。

一般而言，焊接残余应力的评价方法可分为有损评价与无损评价两类。有损评价方法是在(局部或完全)破坏焊接结构完整性基础上实现焊接残余应力评价的方法统称，如盲孔法、弯曲法等。该类方法虽可实现焊接残余应力的评价，但均属于小样品抽样检测范畴，且不能是实现焊接应力的在线评价；无损评价方法是以不破坏焊接结构完整性为前提，通过对检测信号(与焊接残余应力响应产生)进行分析，实现焊接残余应力无损评价的方法统称，如超声波法、X射线衍射法、云纹干涉法等。鉴于安全、方便、设备价格便宜、快速及可实现在线检测等优点，超声波法在焊接残余应力评价领域引起众多学者的广泛关注。

由超声波声弹性理论可知，通过测量超声波传播速度即可实现焊接残余应力的无损评价。但相关研究表明，焊接接头的组织结构、晶粒尺寸、元素含量等均是影响超声波传播速度的重要因素，且该影响在焊接接头不同区域(焊缝、热影响区、母材)亦不完全相同，因而探讨可实现焊接残余应力评价影响因素的修正方法对超声波技术在焊接残余应力评价中的应用及推广就显得极为重要。鉴于此，以超声波声弹性理论为依据，探讨并建立一套行之有效的对晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法体系不仅可为焊接结构服役安全及其可靠性评价提供技术支持，而且对减少甚至避免焊接结构服役安全隐患也至关重要。

发明内容

本发明针对目前焊接残余应力的超声波无损评价中存在的问题及不足，提供一种晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，是针对晶粒尺寸对焊接残余应力评价的影响提出的修正方法。

超声波声弹性理论认为超声波传播速度与应力间存在严格的线性关系，通过测量超声波传播速度即可实现应力的评价，但超声波传播速度对应力变化并不敏感。一般认为，应力改变100MPa，超声波在钢中的传播速度该变量约为0.01％，因而探讨可取代超声波传播速度的参数作为应力评价指标就亟待解决。为此，本发明采用双超声波探头(一发一收模式)，以超声波信号间时间差代替超声波传播速度作为应力评价特征参量，通过建立超声波声弹性系数与晶粒尺寸间对应关系进而实现晶粒尺寸对超声波评价焊接残余应力影响的修正。

晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，具体步骤如下：

步骤一，选定待评价金属材料，测定其主要化学元素及含量，结合相图制定热处理工艺，并优化热处理工艺参数，获得不同晶粒尺寸的试样，且试样数量不少于6组。

步骤二，依据常温静载拉伸国家标准制备静载拉伸试样，测定各晶粒尺寸金属材料的力学性能。

步骤三，固定超声波信号激发参数恒定不变，依次提取不同传播距离时试样超声波接收信号，并建立超声波接收信号幅度与其传播距离的对应关系，最终确定超声波最佳传播距离(超声波信号能量衰减量不大于70％)。依据超声波接收信号幅值的变化，获得超声波探头与试样间最佳耦合压力。

具体而言是，所述的超声波最佳传播距离是超声波接收信号幅值降低为最大值60％时对应的超声波传播距离，并以此制备距离恒定的一发一收模式的双超声波探头。

依据超声波信号幅值变化，借助压力可调的超声波探头夹持装置，保证超声波探头与试样间压力恒定并可调，进而避免耦合压力对焊接残余应力评价结果的影响，提高应力评价精度。

步骤四，依据试样静载拉伸力学性能，结合超声波声弹性系数标定实验，设定加载程序(最高加载应力不超过试样的屈服应力)，采集超声波信号(加载载荷与保载时间均固定)，计算超声波信号间时间差，并建立超声波信号间时间差与加载应力间对应关系。

步骤五，基于超声波声弹性理论对超声波信号间时间差与加载应力(符合线性规律的结果)进行线性拟合，见式(1)，得到各晶粒尺寸试样的超声波声弹性系数。

Δt＝k·σ (1)

式中，Δt为超声波信号间时间差，k为超声波声弹性系数，σ为加载应力。

步骤六，建立超声波声弹性系数与晶粒尺寸间对应关系，并采用幂函数，见式(1)进行拟合，得到超声波声弹性系数与晶粒尺寸间的函数关系式。

k＝x·d^y (2)

式中，x,y为系数，k为超声波声弹性系数，d为晶粒尺寸。

步骤七，制备待评价焊接接头的金相试样，测量其热影响区晶粒尺寸，代入式(2)，计算得到焊接接头试样热影响区的超声波声弹性系数。

步骤八，依据常温静载拉伸国家标准测量焊缝及母材的力学性能，设定加载程序(最高加载应力不超过试样的屈服应力)，依次采集超声波信号(加载载荷与保载时间均固定)，计算超声波信号间时间差，建立超声波信号间时间差与加载应力间对应关系，采用式(1)对结果(符合线性规律的结果)进行拟合得到焊缝及母材的超声波声弹性系数。

步骤九，采集待评价焊接接头(焊缝、热影响及母材区域)的超声波信号，分别将其超声波信号间时间差代入焊缝、热影响及母材的超声波声弹性公式，进而实现晶粒尺寸对焊接残余应力影响的修正，最终得到焊接残余应力的分布曲线。

该方法通过优化超声波传播距离制备间距恒定的双超声波探头，通过超声波声弹性系数标定实验获得焊缝及母材的声弹性系数。为实现焊接接头热影响区声弹性系数的修正，采用热处理方法获得不同晶粒尺寸的试样，通过超声波声弹性系数标定实验获得超声波声弹性系数与晶粒尺寸间的函数关系，进而获得待评价焊接接头热影响区的超声波声弹性系数，进而实现晶粒尺寸对超声波评价焊接残余应力影响的修正，提高评价结果精度。

本发明不仅为焊接残余应力的评价提供了一种无损方法，而且为晶粒尺寸对焊接残余应力的影响提供了一种修正方法，具有快速、方便、安全及可实现在线评价等优点。

附图说明

图1为本发明45钢S1-S6试样金相照片；晶粒尺寸由小到大，分别为8.5、10.8、17.5、20.6、58.3与79.2μm。

图2为本发明45钢S1-S6试样超声波声弹性系数与晶粒尺寸关系曲线；

图3为本发明45钢对接接头焊接残余应力修正前及修正后结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

选择碳钢为例对晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正步骤进行描述，具体过程如下：

步骤一，选择厚度为12mm的45钢为焊接母材，测量其碳含量约为0.45％，结合Fe-C二元合金相图制定热处理工艺曲线，并获得六组不同晶粒尺寸的试样，分别标记为S1-S6，金相组织如图1所示。其热处理工艺及晶粒尺寸详见表1。

表1 45钢热处理工艺参数及其晶粒尺寸

步骤二，依据GB/T2002-228金属材料室温拉伸试验方法，制备厚度为3mm的静载拉伸试样，测量S1-S6试样的屈服强度。

步骤三，固定超声波信号激发参数恒定不变，每间隔30mm依次采集S1-S6试样的超声波接收信号，测量其幅值，建立超声波接收信号幅值与传播距离间对应关系，并计算超声波接收信号幅值降低为最大值60％时对应的超声波传播距离，并以此制备距离恒定的一发一收模式的双超声波探头。借助压力可调的超声波探头夹持装置，保证超声波探头与试样间压力恒定，依据超声波接收信号幅值变化。

步骤四，依据S1～S6试样屈服强度设定试样的应力加载程序(最高加载应力为屈服应力)。为避免超声波信号幅值对应力评价的影响，采用压力可调的装置夹持超声波探头(保证超声波探头与试样间耦合压力恒定)，采集试样超声波信号，计算并建立超声波信号间时间差与加载应力间对应关系。其中，应力间隔为25MPa，保载时间为20s，待载荷稳定，采集超声波信号。

步骤五，基于超声波声弹性公式，采用式(1)对应力分别小于400、400、400、400、366和366MPa时的超声波信号间时间差与加载应力进行线性拟合，得到其超声波声弹性公式，见式(3)：

Δt＝k·σ (1)

式(1)中，Δt为超声波信号间时间差，k为超声波声弹性系数，σ为加载应力。

步骤六，提取并建立超声波声弹性系数与晶粒尺寸间对应关系，并采用幂函数，见式(2)，

k＝x·d^y (2)

式中，x,y为系数，k为超声波声弹性系数，d为晶粒尺寸。

对式(2)进行拟合，得超声波声弹性系数与晶粒尺寸间关系函数，见式(4)：

k＝0.1211·d^-0.0581 (4)

步骤七，采用激光+MIG复合焊方法制备45钢焊接接头，其接头形式为对接，坡口形式为“V”型。测量其热影响区晶粒尺寸为18.9μm，代入式(4)，计算得到其超声波声弹性公式，见式(5)：

Δt＝0.1021·σ (5)

步骤八，制备并测量焊接试样的焊缝(MZ)及母材(PM)力学性能，结合超声波声弹性系数标定实验，获得焊接试样的母材及焊缝超声波声弹性公式(详见步骤四与步骤五)，见式(6)：

步骤九，采集对接接头焊缝区、热影响区及母材区超声波信号，分别计算其超声波信号间时间差，并分别代入式其超声波声弹性公式，见式(5)、式(6)，最终实现45钢激光+MIG复合焊对接接头残余应力的超声波无损评价及修正。

Claims (6)

1.晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、明确焊接材料的主要化学元素及其含量，通过金属热处理方法确定并优化其热处理工艺参数，获得不同晶粒尺寸的试样，测量其晶粒尺寸及相应的静载拉伸力学性能；

(2)、以超声波能量为评价依据，制备间距恒定不变的双超声波探头，并通过超声波声弹性系数标定实验获得待标定材料的声弹性系数，获得超声波声弹性系数与晶粒尺寸间的函数关系；

Δt＝k·σ (1)

式(1)中，Δt为超声波信号间时间差，k为超声波声弹性系数，σ为加载应力；

采用幂函数，对式(1)进行拟合，得到超声波声弹性系数与晶粒尺寸间的函数关系式：

k＝x·d^y (2)

式(2)中，x,y为系数，k为超声波声弹性系数，d为晶粒尺寸；

(3)、测量焊接试样热影响区的晶粒尺寸，代入式(2)计算其对应的超声波声弹性系数；

(4)、制备焊缝及母材超声波声弹性系数标定试样，测定其静载拉伸力学性能；

(5)、通过超声波声弹性系数标定实验，得到焊缝及母材试样的超声波声弹性系数；

(6)、采集焊接接头的超声波信号，计算其超声波信号间时间差，分别代入各自的超声波声弹性公式，进而实现焊接残余应力的修正。

2.根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，其特征在于步骤(1)中，试样数量不少于6组。

3.根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，其特征在于，步骤(1)中，热处理工艺中最高加热温度不应引起金属材料出现“过热”或“过烧”现象。

4.根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的以超声波能量为评价依据，制备间距恒定不变的双超声波探头是固定超声波信号激发参数恒定不变，依次提取不同传播距离时试样超声波接收信号，并建立超声波接收信号幅度与其传播距离的对应关系，最终确定超声波最佳传播距离，并以此最佳传播距离制备距离恒定的一发一收模式的双超声波探头。

5.根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，其特征在于步骤(2)中借助压力可调的超声波探头夹持装置，保证超声波探头与试样间压力恒定并可调。

6.根据权利要求1所述的晶粒尺寸影响超声波评价焊接残余应力的修正方法，其特征在于步骤(7)中计算超声波信号间时间差的参考信号分别为焊缝、热影响及母材试样的参考信号。