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LCR波测量残余应力修正模型的建立

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第48卷第3期 雹珲墩 Electric Welding Machine Vo1.48 No.3 Mar.2018 2018年3月 本文参考文献引用格式:火J0蜒,薛海峰.苟 庆.LCR波测醚战余心力修I卜模型的建市l Jll电焊讥,2018.48((/3):275—280 LCR波测量赡余痊匆修正模型的建妻 火巧英 ,薛海峰 ,苟国庆 (1.中车南京浦镇车辆有限公司,江苏南京2661 1l;2.西南交通大学材料科学与工程学 院,四川成都6l0031) 摘要:对7N01铝合金母材进行热处理,制备具有不同晶粒度的试样,定性分析其晶粒度。通过单轴拉伸标 定实验测试热处理试样的应力常数 ,发现材料的晶粒度越大,应力常数K越大。自行搭建超声波测试 平台,基于基;住波形和采集波形进行互相关计算,得到各个晶粒度试样的相对t。,发现材料的t ,与晶 粒度也成正相关关系。使用电压幅值表征材料的声衰减后,建立超声衰减与应力常数K、t。之间的关系, 拟合得到超声衰减与K、t ,的本构方程。建立关于临界折射纵波衰减度和传播时间的修正模型,使用电 压幅值表征K t的变化。 关键词:残余应力;临界折射纵波;衰减度;晶粒度 中图分类号:TG404 文献标志码:A 文章编号:1001—2303(2018)03—0275—06 DOI:10.7512 ̄.issn.1001—2303。2018.03.54 Establishment of the modiied modelf for residual stress measurement by LCR wave HUO Qiaoyi ̄lg ,XUE Haifeng。,GOU Guoqing (1.CRIt(:Nanjing Ih,zhe,1 Co.,Ltd.,Nanjing 266l1 1,China;2.School of Mater’ial Science and Engineering,South— west.1 )t()irg Uniw rsily,Cheng(1 Ll 610031,China) Abstract:St)e( Ill1¨IS【IfI 7NO1 ahllllilllJnl alloy with diff ̄ nt grain sizes were prepar( tIl illt ̄alis of[]eat treatmenl in tifs pape!‘in tlrtlI i I【1 allal\ sis the gl’aill size qualilati',e1)’.The stress('OllSlal st K of the specimens ai1Pr heat tre alm( nl was f alil:,rate(t hv uniaxial II nsile{ alillrati,m IP . rI1P r suhs slI(】wP【l that the sIl ss t‘f11]slant K increased with the Itlalel‘ial gl【1o.in size increasing. the author In,ill ItlP ultl‘ I ’fljt‘testing i ̄lallb,’II1 in this pape ̄.The non,tial『rc1 of the st)ecinleI1s was t 1)2Jst tt tll1 lhe cross correlation f ill(tulati ̄)n I1rf、¨ t 『 l1t ti FI I1(。P WaV{ f lI lI1 all(t( a1)i1Il‘P ̄avefi)nI1. the nlalel’ial f__WHS also positively as ,‘dated with the gl’ain size.The relationshiIls l】r1w, ¨1 K,『l land vIlI1|I alh IIl1 ̄liion WPI’P established_f1 lits 1f)apm.Then,the COllstitutiv ̄-Pquation of K, ()and voltag ̄ altenuati(m Ⅵas fith tI.TI. lPn)I’P.Iht ll1Il(jint (1 IllOd( 1 between the attellllalion of LCR wave alld the pn,pagation linlc Wfls established in this 1)aper. dⅢ1 f11P(‘]1',1Dge of K alld w¨’ l’f l,resented by the voltage alnplitude. Key words:residual s【l t s :I (3/、vd、P:all(qmation:grain size 0前言 残余 力可能 敛结构 寸变化、结构疲劳寿 命下降,也可能增『JIl心力臂蚀敏感性,严重威胁焊 接结构件的安伞,f『j仃疏忽就会造成重大事故。n1 收稿日期:2017一l!一26 基金项目:城轨 钳1介会1 仆焊接残余应力检测杯准技术 研究(KJ 16—67I:048) 一于日前残余应力榆洲手段的局限性及其危害性,检 测、消除残余应力成为学术界的研究热点. …j订尚无 种满足各种测试条件的兀损应力检测方法,如X 射线衍射法测试埘试件表面要求较高、产乍辐射对 人体危害较大;中子衍射法设备笨重、耗资F 大、测 试效率低;超声波测量残余应力技术发展潜力巨 大,但其测试精确性仍受到诸多因素的冈扰..为此, 在残余应力的产牛I I、榆测 l、消除 上,学术界及 业界进行了大 研究I 作。 z 一 《 3船 ·275· 作者简介:火巧英{lq8l一).殳.4 ̄ft-.高级] 程帅,主要从‘儿l 轨道 辆1 怵焊接1 f【ll11 作E—mai:huo1026@l63. 高速列车金属材料及焊接先进技术 雹焊墩 信号后即可得到K、t。,简化了计算过程。 第48卷 试验材料为高速列车车体用材料7N01P—T4,在 此从超声衰减与应力常数K的关系、超声衰减与t。 的关系、修正模型、焊缝部分应力测试4个方面系 LCR波电压幅值采集步骤为:使用白搭建的实 验平台采集试样的超声波测试信号数据,信号采集 频率2.5 GS/s,同时采集512次,取平均值以消除干 扰。将其导入Origin分析绘图,获得本次测试从发 射到接收的波形图,如图1所示。 统研究LCR波测量残余应力修正模型的建立。 1超声衰减与应力常数K的关系 超声波在介质中传播时,随着距离的增加,声 波的散射和吸收会导致能量衰减,这种现象称为超 声波衰减。它是评价材料特性的重要参数。超声波 在固体介质中传播时,根据衰减原因的不同分为 扩散衰减、吸收衰减和散射衰减等。 介质中的衰减可以用衰减系数来度量。对于金 属材料,超声波的衰减主要包括吸收衰减和散射衰 减两类f8]。金属材料的超声波衰减系数为『9 I= + (1) 式中 为吸收衰减系数; 为散射衰减系数。 传播时间f/ 吸收衰减系数为 =clf (2) 图1超声波传播波形 式中c。为与材料微观结构无关的系数;厂为超声 选取LCR波,如图2所示。 波频率。实际情况中,吸收衰减非常微小,且与材料 的微观结构无关。因此,金属材料的超声波衰减形式 主要为散射衰减¨0】。 为达到修正超声波测量残余应力的目的,需定 量描述超声波衰减。微观上,当超声波在金属材料 中传播时,材料的晶粒度越大,品界面对超声波的 散射干扰就越大,从而增加了超声能量的衰减。宏 观上,表现为接收波形电压幅值减小,即超声衰减的 增大,超声衰减与电压幅值之间有确切的对应关系。 由于超声波衰减系数的计算较为复杂,将使用声波 信号电压值来描述超声波的衰减,其优点为: (1)利用现有设备,节省成本。目前,使用LCR波 测量应力时,超声探头的作用仅为测量LCR波从 传播时陋】,/ 图2 LCR波 发射到接收的传播时间t。若使用声信号的电压幅 值代表超声波的衰减,在测量时可以直接通过探头 采集LCR波的声信号,不需另外添加测量设备。 进一步放大声信号,使用标尺工具选定LCR波 信号的最大值。读取电压幅值数据,获得LCR波的 电压幅值,如图3所示。采集第i组热处理试样的波 形,如图4所示。进一步放大,使用标尺读取数据。热 处理试样LCR波的电压幅值如图5所示。获得超声 (2)无需经过复杂公式演算,直观形象地度量 超声波衰减。试验度量超声波衰减大小的目的是建 立衰减与计算参数的关系。相比通过复杂计算得到 的衰减系数,使用探头直接采集信号,对比测试信 号中的LCR波电压幅值与母材声信号中的LCR波 电压幅值,能够直观看出衰减幅度的大小。并且在后 续与应力常数K、t。的关系建立后,实质上是K、t。与 衰减测试结果如表1所示。由图5可知,经过热处 理后,7系铝合金晶粒度有了较好区分度的同时,材 料的超声衰减变化明显。热处理时间越短,材料的超 声衰减越小。 通过拉伸标定方式测取材料的真实应力常数 声信号电压值之间的计算关系。在测试时采集到声 ·K直,具体实验方案如下。 276’ 一 专题讨论 火巧英,等:LCR波测情残余应力修正模7 的缱 第3 I9J 播 训t/Hs 图3计算LCR波电压幅值 0 6 ()5 0 4 (】3 0 2 0 l =三0 0 S一0 1 = —0-2 0 3 0 4 -0.5 06 0.7 时『IiJt/{tS 图4热处理试样的LCR波信号 13 8 H,rl词t/fts 图5热处理试样LCR波电压幅值 表l超声衰减测试结果 试样编号 电压幅值/mV 试样编号 电压幅值/mV 3一l 0.346 3-5 0.285 3—2 0.327 3-6 0.316 3—3 0.32l 3—7 0.263 3-4 0.299 3-8 0.259 (1)测试前的准备T 作。将超声波测试探头 定在标准试样表面,放毁方向为材料拉伸方向,以 保汪LCR波的传播方向与施加载衙方向平行。超声 探头与试样■ 之问涂有耦合剂,保证充分接触 由于检测探头 直放置,试验中无法使用金属重块 施加 力,改为使用橡皮筋完成探头的同定,每次 同定时橡皮筋的缠绕方式、圈数一致,保证耦合¨ 力为定值,所仃试样测试时耦合程度一敛。试样的实 验状态如图6所爪 a实验状态 b原理 图6拉伸标定实验 (2)确认材料试验机上下夹头锁紧后,没定心 力常数K=4 操作超声波设备进行零应力标定,以 此为基准进仃下一阶段测量: (3)操作材料试验机以2 kN+0.05 kN的步长逐 步加力,每次7JIJ力后保持至拉力稳定不变后,使用 超声设备洲试此}『、f试样的应力值。然后再次加力, 维持、稳定后洲试心力,循环直至20 kN。由此得到 l0组数据,即叮汁算¨ 该材料的真实心力常数K。 1一l试样经过拉伸标定试验获得施加力 和 r, 两列原始数据,如表2所示 在现有施加力F、r,洲共计l0组数据的基础 }:,计算声时差 和真实应力 r 以△,为横轴, r,“为纵轴绘 ,拟合得到公式 =5.616 6X+3.284 2 (3) 拟合f}fI线如冈7所示 该热处理状态试样的应 力常数即为该拟合曲线斜率K=5.62。 按照 述实验方法,对8组试样进行托伸标定 实验,得到拟合fff1线如图8~图l0所示。拟合曲线 的斜率即为该试样的应力常数 ,如表3所示。 超声衰减的测试结果如表1所示,将二者数据 高透列车金甚秘科及焊接先进技术 表2试样l一1拉伸标定 .耄晖俄 主 第48卷 羔 尉 声时差At/ns a 3—6 嚣 卢时差At/ns 声fI1f/;-At/ns b 3—7 图7拟合曲线 蔓 董 斟 卢时差At/ns 声时差At/ns c 3-8 图8母材试样拉伸标定拟合曲线 导入Origin中绘图,得到超声衰减与应力常数 的 关系如图l 1所示。随着电压幅值的增大(即超声衰 减的减小),材料的应力常数呈现减小趋势,二者之 图9 470 oC试样热处理试样拉伸标定拟合曲线 式(4)即为应力常数 与超声衰减的定量关系 确定系数尺 为0.940 7,说明曲线拟合较好。在应力 间有较好的线性关系。对比热处理后的晶粒度趋势, 晶粒度与应力常数和电压幅值之间均有较好的相 测试中,若已知测试点的超声衰减,则可根据该定 量关系得到该点的应力常数 ,从而达到修正目的。 关性:随着晶粒度的增大,电压幅值减小(即超声衰 减增大)、应力常数 增大。 通过线性拟合,得到的拟合方程为 K=9.87-13_3l (4) 2超声衰减与 的关系 热处理后试样的电压幅值 与t。的测试结果 如表4所示。 专题讨论 主 火巧英,等:LCR波测量残余应力修正模 的建、 誊 第3 Ⅻ ㈨ ∞加∽ 如 m 0 m …㈣ 踟 ∞ ∞∞如m 0 m 蔓 \ b ..三= 声 箍A/tns a 3—2 , 时差At!ns b 3—3 芝 羔 、、 如 m∞ 舯阳∞如知如加m 0 m ∞如m∞帅舯 ∞如∞如如m 0m加 b : i;;rld Atins c 3—4 弧r差A//ns d 3—5 图10 420℃热处理试样拉伸标定拟合曲线 表3第三组热处理试样拉伸标定结果 试样编号 3一l 3-2 3-3 表4热处理试样电压幅值U、t。测试结果 应力常数K 5-22 5.40 5.66 试样编号 3-5 3-6 3-7 应力常数 6.08 5.8l 6.23 试样编号 3—1 3-2 3-3 电压幅值 £加s U/mV 0.346 0.327 0.32l 0 5.6 8.0 试样 电压幅值编号 3—5 3—6 3—7 to/ns l7.2 l0.8 22.4 U/mV 0.285 0.3l6 0.263 3—4 5.88 3-8 6.50 3-4 0.299 14.8 3-8 0.259 25.6 将数据导入Origin中绘图,结果如罔12所永.. 电压幅值与t 之问有较好的线性关系,拟合方程为 to=96.54—276.04 U (5) 确定系数尺 为0.984 28,可信度较高。式(5)即 为7N01P—T4材料超声衰减与t 之间的计算天系. .通过数据可以看,ql:7N0lP—T4材料的超声衰减 _j_ t。成正相关,即材料的超声衰减越大。 越大,超声波 传播速度越慢。结合试样的晶粒度数据町知,材料晶 粒度与t。成正相关,晶粒度越大圳t越大一、 电 幅l'ffCWmV 3修正模型 将K、t 与超声衰减的关系代入趟声波洲鲢残 £ '279’ 图11超声衰减与应力常数 的关系 高速列车金辅材料及焊接先进技术 重晖墩 第48卷 025 026 0 27 0.28 029 0 30 0.j1 032 0.33 0.34【】35 036 电¨i幅缎U/mV 图12超声衰减与to的关系 余应力公式,得到: Act=(9.87一l3.3l【,)·『t一(96.54—276.04U)1(6) 整理得到 Act=(9。m∞ 87一l3.31 )·(f一96.∞如 54+276.如m 0 04U)(7) 式中 为LCR波电压幅值(单位:mV)。若能在实 际测量时实现超声波的自动采集和分析,则实现了 在线修正功能。 4焊缝部分应力测试 试验中发现焊缝区域的微观组织与其他区域 的差异巨大,使用修正模型效果不理想。这是因为焊 缝组织主要是铸态组织、等轴晶。化学成分』二,本研 究MIG焊所用的ER5356焊条为5系铝合金, 母 材差异性较大。而焊缝内部的主要成分均为填充金 属,且经历的热循环相似,其微观组织均匀性较好。 基于此,采用单独标定应力常数K、t。的方式对焊 缝区域进行应力测试。 对7N0 1铝合金MIG焊焊接接头焊缝切割取样, 使用超声测试平台测试该焊缝组织的名义t 测试 结果为20.4 ns。使用拉伸标定方式测试其应力常数 K t。MIG焊焊缝区域试样的拉伸标定结果如图13 所示。结果表明,焊缝区域应力常数K=4.193 MPa/ns, 焊缝部分的应力测试将使用该参数进行计算。 5 结论 (1)建立超声衰减与计算参数K、t。的计算公式, 实现了材料微观结构与计算参数关系的建立。根据 超声波应力测试基本公式,推导得到修正后的应力 测试公式。在焊缝的应力测试修正部分,通过制取焊 缝组织试样,经过拉伸试验、超声数据采集得到对 应的应力常数 和t 以修正其应力测试结果。 ·280· 誊 留 ‘ ,, c 芦时差△, I1s 图l3焊缝区域拉伸标定 (2)使用波形电压幅值定量描述材料的超声 衰减,超声衰减与材料的晶粒度的关系为to=96.54— 276.04U。 (3)通过对超声衰减与应力常数 、超声衰减 与 关系的探索,验证了试验猜想,量化_r超声波 检测残余应力的两个核心计算参数—— 、fc, 材 料微观结构的关系。并根据以 关系.完成J 超声 波应力测试修正模型的建立。 参考文献: 『1】 阳广志,杨会静,宋维才.焊接残余应力的产生硬其危害 预防『J].唐山师范学院学报.2010,32(5):45—56. 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