CN109163831B - 一种超声波残余应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波残余应力测量方法，包括：标定待测焊件的发射率；焊接待测焊件的同时，采用红外热像仪进行实时温度监测，作任意位置点的温度变化曲线；将待测焊件划分为若干特征区域，计算每个特征区域的平均温度后绘制平均温度变化曲线；制备相应的拉伸试样，分别进行热模拟处理后；进行拉伸试验，同时进行超声波应力测试，计算各试样的应力系数和零应力传播时间；基于特征区域所占待测焊件的比例，计算测试区域的应力系数和零应力传播时间；对测试区域进行超声波残余应力测试，获得超声波在该测试区域的传播时间后，计算该测试区域的焊接残余应力值。该方法可修正声弹性公式中的应力系数和零应力传播时间的变化，提高残余应力的测量精度。

Description

一种超声波残余应力测量方法

技术领域

本发明涉及一种应力测量方法，具体涉及一种超声波残余应力测量方法。

背景技术

随着中国高速列车轨道交通的飞速发展，焊接作为轨道交通中的一项关键技术，焊接质量在一定程度也决定高速列车车辆的质量，焊接残余应力水平是评价焊接质量的重要标准，因为焊接残余应力产生的破坏是焊接接头破坏的主要原因，因此对焊接残余应力水平的快速、高效、无损监测、评定工业意义巨大。

目前测量焊接接头残余应力的方法主要分为有损和无损两种方法。

有损方法主要包括盲孔法、切条法，有损方法测量准确度高但对测试构件产生了不可逆的破坏，这对很多商品化的产品是不允许的。

无损方法主要包括超声波法、X射线法、中子衍射法以及磁性测定法。其中中子衍射法由于其设备昂贵，受条件限制，在实际工业中几乎没有使用，磁性测定法只针对铁磁性材料，对于铝合金不能使用，目前对于铝合金焊接接头的残余应力测定主要采用超声波法和X射线法，但X射线对残余应力的测试只能测试几十个微米厚度，对待测样的表面质量要求较高，受到表面的质量状态影响较大；中子衍射法残余应力测试设备重大、昂贵，很难实现生产现场的残余应力测试。超声波法对测量试件表面要求低、测量速度快、绿色无污染，近几年来发展较快。

超声波法测量残余应力属于间接性测量，超声波在待测样中的传播速度与待测样中的残余应力存在着声弹性关系，即超声波中的临界折射波(LCR波)在待测样中的传播速度和待测样中的残余应力基本呈现线性关系。依据声弹性原理，若超声波收发探头距离固定(超声波收发探头距离即为超声波传播有效距离)，由声弹性公式：△σ＝K△t＝K(t-t0)，得到待测样的残余应力值，其中，K为应力系数，△σ为待测样中的应力值与零应力样中的应力值之差，即超声波残余应力测量系统测得的残余应力值；△t为LCR波在待测样中的传播时间t与在零应力样(零应力样取自于母材)中的传播时间t0之差，也称为超声波声时差。应力系数K与材料的自身性质以及收发探头距离决定，通过单向拉伸标定，标定之后输入超声波测量系统中。

在对焊接部位进行超声波残余应力测试时，由于距离焊缝中心不同距离的位置经历的热循环不同，焊接接头不同区域的组织结构(晶粒尺寸、析出强化相、织构组织等)具有一定的差异性，而组织结构会对超声波的传播速度产生一定影响，则不同区域的应力系数K和也有所不同，同时不同区域的零应力传播时间也与母材的零应力传播时间t0不同。而在实际测量中使用的应力系数和零应力传播时间为母材的应力系数和零应力传播时间给超声波声时差的计算造成了误差，进而严重影响到超声波残余应力测量的精度，限制了超声波法在残余应力测试中的应用。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可修正由于焊接部位的不同位置经历的热循环不同，所造成的声弹性公式中的应力系数和零应力传播时间的变化，从而提高测量精度的超声波残余应力测量方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种超声波残余应力测量方法，包括以下步骤：

S1、标定待测焊件的发射率ε；

S2、对待测焊件进行焊接的同时，采用红外热像仪进行实时温度监测，并对红外热像仪视域内的任意位置点作温度变化曲线；

S3、结合温度变化曲线，将待测焊件划分为若干特征区域，并作关联性分析；

S4、计算每个特征区域的平均温度，并绘制平均温度变化曲线；

S5、以待测焊件为基准，制备拉伸试样，并根据平均温度变化曲线，分别进行热模拟处理，制成热模拟试样；

S6、对热模拟处理后的热模拟试样进行拉伸试验，同时进行超声波应力测试，通过施加载荷和超声波应力测试结果计算各热模拟试样的应力系数和零应力传播时间；

S7、基于特征区域所占待测焊件的比例，结合对应的热模拟试样，计算待测焊件的任一测试区域的应力系数和零应力传播时间；

S8、对测试区域进行超声波残余应力测试，获得超声波在测试区域的传播时间，结合该测试区域的应力系数和零应力传播时间，计算焊接残余应力值。

上述步骤S1中发射率ε标定的具体方法，包括以下步骤：

A1、将红外热像仪的发射率设置为1，将红外热像仪的镜头垂直于待测焊件表面并保持测量距离在1m以内；

A2、将红外热像仪的环境温度、路径温度均设置为此时的环境温度，透射率设置为1；

A3、用热电偶测量出待测焊件表面的真实温度T0，计算出同温度下黑体的辐射力Eb；

A4、用红外热像仪拍摄待测焊件，读出辐射力Er；

A5、利用红外热像仪测量出待测焊件所处环境的辐射力Eu；

A6、计算待测焊件的发射率ε，公式为：

上述步骤S2中的视域包括待测焊件的起弧区域、稳定区域和收弧区域的焊缝区、熔合区、热影响区和母材区。

上述步骤S2中的温度变化曲线的制作方法，为：将红外热成像仪中某个位置点的温度场数据提出来，去除异常的温度数据，将得到的温度与时间数据用ORigin绘制，得到温度变化曲线。

上述步骤S3中的特征区域的划分方法为：

B1、将待测焊件的起弧区域沿平行焊缝方向划分为P个特征区域，沿垂直焊缝方向划分为Q个特征区域，该起弧区域共包括P*Q个特征区域，记为Ri，i为特征区域的编号，i＝1,2,3…P*Q，P≥2，Q≥5；

B2、将待测焊件的稳定区域沿垂直焊缝方向划分为G个特征区域，记为Ri，i＝P*Q+1,P*Q+2,P*Q+3…P*Q+G，G≥5；

B3、将待测焊件的收弧区域沿平行焊缝方向划分为E个特征区域，沿垂直焊缝方向划分为F个特征区域，该收弧区域共包括E*F个特征区域，记为Ri，i＝P*Q+G+1,P*Q+G+2,P*Q+G+3…P*Q+G+E*F，E≥2，F≥5。

上述步骤S5中的拉伸试样的材料和厚度均与待测焊件相同。

上述步骤S6中的应力系数和零应力传播时间的计算方法，包括以下步骤：

C1、沿热模拟试样的长度方向进行超声波应力测试，记录LCR波传播时间，即为该热模拟试样的零应力传播时间；

进而，测得与特征区域Ri对应的热模拟试样的平行于焊缝方向的零应力传播时间T′_xi和垂直于焊缝方向的零应力传播时间T′_yi；

C2、沿热模拟试样的长度方向，拉伸机夹持两端，并施加不同梯度的载荷；

在各应力状态下，分别对热模拟试样进行沿长度方向的超声波应力测试，记录各应力状态下，LCR波传播时间和拉伸机提供的实际载荷值，

根据实际载荷值和热模拟试样的横截面积，得到实际作用在热模拟试样上的应力值(σ＝F/S,σ为热模拟试样上的应力值，F为拉伸机实际载荷值，S为热模拟试样的横截面积)。

C3、根据热模拟试样的零应力传播时间和各应力状态下热模拟试样的LCR波传播时间、实际作用在热模拟试样上的应力值之间的对应关系，利用声弹性公式，计算热模拟试样的应力系数；

进而,测得与特征区域Ri对应的热模拟试样的平行于焊缝方向的应力系数K′_xi和垂直于焊缝方向的应力系数K′_yi。

上述步骤S7中的测试区域的应力系数和零应力传播时间的计算方法，包括以下步骤：

D1、测量在测试区域n中特征区域Ri所占的比例δ_ni，

D2、分别计算：测试区域n内的，

平行于焊缝方向的应力系数K_xn：

垂直于焊缝方向的应力系数K_yn：

平行于焊缝方向的零应力传播时间T_xn：

垂直于焊缝方向的零应力传播时间T_yn：

上述步骤S8中的焊接残余应力值的计算方法，包括以下步骤：

E1、基于公式：Δσ_xn＝K_xn(t_x-T_xn)，计算测试区域n的平行于焊缝方向的焊接残余应力值Δσ_xn，

式中，t_x为在对测试区域n进行平行于焊缝方向的超声波残余应力测试时LCR波在测试区域n的传播时间；

E2、基于公式：Δσ_yn＝K_yn(t_y-T_yn)，计算测试区域n的垂直于焊缝方向的焊接残余应力值Δσ_yn，

其中，t_y为在对测试区域n进行垂直于焊缝方向的超声波残余应力测试时LCR波在测试区域n的传播时间。

本发明的有益之处在于：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明首先采用红外热像仪获得了焊接过程中焊接各个区域的热循环曲线(温度变化曲线)，然后通过数据处理，对所有的热循环曲线进行相关性分析，根据热循环曲线的相似度对焊件进行特征区域划分，因为热循环不同对焊接区域的影响是多方面的，无法精确测量的，所以通过热循环曲线的方法进行区域划分，比根据观察组织结构划分更直观、精确，使得后续制备的热模拟试样与实际焊接区域各个位置的匹配度更高。

二、进行区域划分时，本发明不仅考虑到在同一个焊缝位置，因焊缝周围区域距焊缝中心距离不同而受到的热循环不同，而且考虑到焊接的起弧区域、稳定区域和收弧区域所受到的焊接热不同，各个位置处受到的热循环不同，对特征区域的划分更加全面，使得后续对焊接板各个位置的应力系数和零应力传播时间的修正更加全面，保证了在残余应力测试中对焊接板各个位置的测量的精确性。

三、通过计算的每个特征区域的平均温度变化曲线制作热模拟试样，保证了制备的热模拟试样与实际焊接各个特征区域的匹配度。

四、因为每个焊接区域平行于焊缝方向的应力系数和垂直于焊缝方向的应力系数不同，平行于焊缝方向的零应力传播时间和垂直于焊缝方向的零应力传播时间不同，本发明针对每个特征区域，均制备长度方向与焊缝方向平行的热模拟试样和长度方向与焊缝方向垂直的热模拟试样，最终获得每个特征区域平行于焊缝方向的应力系数、垂直于焊缝方向的应力系数、平行于焊缝方向的零应力传播时间和垂直于焊缝方向的零应力传播时间，保证了残余应力测量的准确性。

五、根据国标要求，用于超声波标定的试样需要进去应力退火，但去应力退火会导致材料组织结构发生明显的变化，而声波传播对微观结构的敏感性容易引入新的误差源，所以在本发明中采用在与焊件的材料和厚度均相同的试板上截取的拉伸试样，拉伸试样尺寸只需符合一般拉伸机对试样大小的要求，经试验验证一般尺寸的拉伸试样可尺寸较小，材料的应力得到充分释放，可认为是零应力样，无需进行去应力退火，避免了新误差源的引入。

总之，本发明针对焊接部位各个焊接区域受到的热作用不同，经过数学分析和推导得到测量区域中各个特征区域的应力系数和零应力传播时间，即可定量消除测量区域热作用不同造成的声弹性常数变化和零应力传播时间存在所引入的误差，显著减小了超声波应力测量系统的测量误差，明显提高了测量精度。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明提供的一种超声波残余应力测量方法，其步骤如下：

S1、标定待测焊件的发射率ε，标定方法如下：

A1、将红外热像仪的发射率设置为1，将红外热像仪的镜头垂直于待测焊件表面并保持测量距离在1m以内；

A2、将红外热像仪的环境温度、路径温度均设置为此时的环境温度，透射率设置为1；

A3、用热电偶测量出待测焊件表面的真实温度T0，计算出同温度下黑体的辐射力Eb；

A4、用红外热像仪拍摄待测焊件，读出辐射力Er；

A5、利用红外热像仪测量出待测焊件所处环境的辐射力Eu；

A6、计算待测焊件的发射率ε，公式为：

S2、在对待测焊件进行焊接的同时，采用红外热像仪对焊道中心及其周围区域进行实时温度监测，然后对热成像仪记录下的温度数据进行处理分析，可得到焊接过程中红外热像仪视域内任意位置点随时间的温度变化曲线，具体为：将红外热成像仪中某个位置点的温度场数据提出来，去除异常的温度数据，将得到的温度与时间数据用ORigin绘制，得到焊接热循环曲线(温度变化曲线)。

异常的温度数据是指突降的数据，由于焊接过程中飞溅的焊渣或产生的烟尘挡住了红外热成像仪的拍摄视线，造成热成像仪记录的数据不再是焊件的表面温度，而是温度较低的飞渣或者烟尘的温度，所以在绘制焊接热循环曲线之前先去除异常的温度数据，使得绘制曲线更加符合实际温度循环情况。

该红外热像仪的视域，包括焊件的起弧区域、稳定区域和收弧区域的焊缝区、熔合区、热影响区和母材区。

S3、对步骤S2得到的温度变化曲线进行相关性分析，根据温度变化曲线的相似程度，对焊件进行特征区域划分：

将焊件的起弧区域沿平行焊缝方向划分为P个特征区域，沿垂直焊缝方向划分为Q个特征区域，所述起弧区域共包括P*Q个特征区域，记为Ri，i为特征区域的编号，i＝1,2,3…P*Q，P≥2，Q≥5；

将焊件的稳定区域沿垂直焊缝方向划分为G个特征区域，记为Ri，i＝P*Q+1,P*Q+2,P*Q+3…P*Q+G，G≥5；

将焊件的收弧区域沿平行焊缝方向划分为E个特征区域，沿垂直焊缝方向划分为F个特征区域，收弧区域共包括E*F个特征区域，记为Ri，i＝P*Q+G+1,P*Q+G+2,P*Q+G+3…P*Q+G+E*F，E≥2，F≥5。

S4、计算每个特征区域Ri的平均温度变化曲线。

S5、在与待测焊件的材料和厚度均相同的试板上截取拉伸试样，包括至少P*Q+G+E*F个长度方向与焊缝方向平行的拉伸试样和至少P*Q+G+E*F个长度方向与焊缝方向垂直的拉伸试样；

根据步骤S4得到的每个特征区域Ri的平均温度变化曲线，分别对不同的拉伸试样进行热模拟处理，得到与每个特征区域Ri相对应的长度方向与焊缝方向平行的热模拟试样和长度方向与焊缝方向垂直的热模拟试样。

S6、对热模拟试样进行拉伸试验，在对每个热模拟试样进行拉伸试验的同时，对热模拟试样进行沿长度方向的超声波应力测试，通过施加载荷和超声波应力测试结果计算各个热模拟试样的应力系数和零应力传播时间，具体方法为：

S61、对每个热模拟试样进行沿长度方向的超声波应力测试，记录的LCR波传播时间，即为每个热模拟试样的零应力传播时间；

进而，测得与特征区域Ri对应的热模拟试样的平行于焊缝方向的零应力传播时间T′_xi和垂直于焊缝方向的零应力传播时间T’_yi；

即为，该特征区域Ri的平行于焊缝方向的零应力传播时间T’_xi和垂直于焊缝方向的零应力传播时间T’_yi；

S62、将拉伸机的夹持端夹持在每个热模拟试样长度方向的两端，通过拉伸机对热模拟试样施加沿长度方向的不同梯度的载荷；

在各个应力状态下，分别对热模拟试样进行沿长度方向的超声波应力测试，记录每个应力状态下LCR波传播时间和拉伸机提供的实际载荷值，并根据拉伸机提供的实际载荷值和热模拟试样的横截面积，得到实际作用在热模拟试样上应力值；

S63、根据步骤S61得到的每个热模拟试样的零应力传播时间和步骤S62得到的每个应力状态下热模拟试样的LCR波传播时间、实际作用在热模拟试样上应力值之间的对应关系，利用声弹性公式，得到各个热模拟试样的应力系数，

进而，测得与特征区域Ri对应的热模拟试样的平行于焊缝方向的应力系数K′_xi和垂直于焊缝方向的应力系数K′_yi；

即为，该特征区域Ri的平行于焊缝方向的应力系数K′_xi和垂直于焊缝方向的应力系数K′_yi。

S7、在对待测焊件上任一测试区域n进行超声波残余应力测试前，测量在测试区域n中特征区域Ri所占的比例δ_ni，然后根据特征区域Ri所占的比例δ_ni和步骤S6的计算结果，按照以下公式求得测试区域n的平行于焊缝方向的应力系数K_xn、垂直于焊缝方向的应力系数K_yn；平行于焊缝方向的零应力传播时间T_xn和垂直于焊缝方向的零应力传播时间T_yn：

S8、在对测试区域n进行平行于焊缝方向的超声波残余应力测试时，将步骤S7得到的该测量区域n的平行于焊缝方向的应力系数K_xn和零应力传播时间T_xn输入超声波残余应力测试系统，基于公式：Δσ_xn＝K_xn(t_x-T_xn)，得到该测量区域n的平行于焊缝方向的焊接残余应力值Δσ_xn，

其中，t_x为在对测试区域n进行平行于焊缝方向的超声波残余应力测试时LCR波在测试区域n的传播时间；

在对测试区域n进行垂直于焊缝方向的超声波残余应力测试时，将步骤S7得到的该测量区域n的垂直于焊缝方向的应力系数K_yn和零应力传播时间T_yn输入超声波残余应力测试系统，基于公式：Δσ_yn＝K_yn(t_y-T_yn)，得到该测量区域n的垂直于焊缝方向的残余应力值Δσ_yn，

其中，t_y为在对测试区域n进行垂直于焊缝方向的超声波残余应力测试时LCR波在测试区域n的传播时间。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、标定待测焊件的发射率ε；

S2、对待测焊件进行焊接的同时，采用红外热像仪进行实时温度监测，并对红外热像仪视域内的任意位置点作温度变化曲线；

S3、结合温度变化曲线，将待测焊件划分为若干特征区域，并作关联性分析；

S4、计算每个特征区域的平均温度，并绘制平均温度变化曲线；

S5、以待测焊件为基准，制备拉伸试样，并根据平均温度变化曲线，分别进行热模拟处理，制成热模拟试样；

S6、对热模拟处理后的热模拟试样进行拉伸试验，同时进行超声波应力测试，通过施加载荷和超声波应力测试结果计算各热模拟试样的应力系数和零应力传播时间；

S7、基于特征区域所占待测焊件的比例，结合对应的热模拟试样，计算待测焊件的任一测试区域的应力系数和零应力传播时间；

S8、对测试区域进行超声波残余应力测试，获得超声波在该测试区域的传播时间，结合该测试区域的应力系数和零应力传播时间，计算焊接残余应力值。

2.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S1中发射率ε标定的具体方法，包括以下步骤：

A1、将红外热像仪的发射率设置为1，将红外热像仪的镜头垂直于待测焊件表面并保持测量距离在1m以内；

A2、将红外热像仪的环境温度、路径温度均设置为此时的环境温度，透射率设置为1；

A3、用热电偶测量出待测焊件表面的真实温度T0，计算出同温度下黑体的辐射力Eb；

A4、用红外热像仪拍摄待测焊件，读出辐射力Er；

A5、利用红外热像仪测量出待测焊件所处环境的辐射力Eu；

A6、计算待测焊件的发射率ε，公式为：

3.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的视域包括待测焊件的起弧区域、稳定区域和收弧区域的焊缝区、熔合区、热影响区和母材区。

4.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的温度变化曲线的制作方法，为：将红外热成像仪中某个位置点的温度场数据提出来，去除异常的温度数据，将得到的温度与时间数据用ORigin绘制，得到温度变化曲线。

5.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S3中的特征区域的划分方法为：

B1、将待测焊件的起弧区域沿平行焊缝方向划分为P个特征区域，沿垂直焊缝方向划分为Q个特征区域，该起弧区域共包括P*Q个特征区域，记为Ri，i为特征区域的编号，i＝1,2,3…P*Q，P≥2，Q≥5；

B2、将待测焊件的稳定区域沿垂直焊缝方向划分为G个特征区域，记为Ri，i＝P*Q+1,P*Q+2,P*Q+3…P*Q+G，G≥5；

B3、将待测焊件的收弧区域沿平行焊缝方向划分为E个特征区域，沿垂直焊缝方向划分为F个特征区域，该收弧区域共包括E*F个特征区域，记为Ri，i＝P*Q+G+1,P*Q+G+2,P*Q+G+3…P*Q+G+E*F，E≥2，F≥5。

6.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S5中的拉伸试样的材料和厚度均与待测焊件相同。

7.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S6中的应力系数和零应力传播时间的计算方法，包括以下步骤：

C1、沿热模拟试样的长度方向进行超声波应力测试，记录LCR波传播时间，即为该热模拟试样的零应力传播时间；

进而，测得与特征区域Ri对应的热模拟试样的平行于焊缝方向的零应力传播时间T′_xi和垂直于焊缝方向的零应力传播时间T′_yi；

C2、将拉伸机的夹持端夹持在每个热模拟试样长度方向的两端，通过拉伸机对热模拟试样施加沿长度方向的不同梯度的载荷；

在各应力状态下，分别对热模拟试样进行沿长度方向的超声波应力测试，记录各应力状态下，LCR波传播时间和拉伸机提供的实际载荷值，根据实际载荷值和热模拟试样的横截面积，得到实际作用在热模拟试样上的应力值σ＝F/S,

式中:σ为热模拟试样上的应力值，F为拉伸机实际载荷值，S为热模拟试样的横截面积；

C3、根据热模拟试样的零应力传播时间和各应力状态下热模拟试样的LCR波传播时间、实际作用在热模拟试样上的应力值之间的对应关系，利用声弹性公式，计算热模拟试样的应力系数；进而,测得与特征区域Ri对应的热模拟试样的平行于焊缝方向的应力系数K′_xi和垂直于焊缝方向的应力系数K′_yi。

8.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S7中的测试区域的应力系数和零应力传播时间的计算方法，包括以下步骤：

D1、测量在测试区域n中，特征区域Ri所占的比例δ_ni，

D2、分别计算：测试区域n内的，

平行于焊缝方向的应力系数K_xn：

垂直于焊缝方向的应力系数K_yn：

平行于焊缝方向的零应力传播时间T_xn：

垂直于焊缝方向的零应力传播时间T_yn：

9.根据权利要求1所述的一种超声波残余应力测量方法，其特征在于，所述步骤S8中的焊接残余应力值的计算方法，包括以下步骤：

E1、基于公式：Δσ_xn＝K_xn(t_x-T_xn)，计算测试区域n的平行于焊缝方向的焊接残余应力值Δσ_xn，

式中，t_x为在对测试区域n进行平行于焊缝方向的超声波残余应力测试时LCR波在测试区域n的传播时间；

E2、基于公式：Δσ_yn＝K_yn(t_y-T_yn)，计算测试区域n的垂直于焊缝方向的焊接残余应力值Δσ_yn，

其中，t_y为在对测试区域n进行垂直于焊缝方向的超声波残余应力测试时LCR波在测试区域n的传播时间。