經驗交流

超聲波法焊接殘余應力測量技術*

路 浩1,邢立偉1,邢敬偉2

(1.西安石油大學 材料科學與工程學院,西安 710065;2.中國人民解放軍第五七二〇工廠,安徽 蕪湖 241007)

摘 要:總結了超聲波法測量焊接殘余應力的技術原理及發展歷史,指出了聲彈性的非線性原理的進一步發展是完成工程結構殘余應力精確測量的基礎。介紹了西安石油大學超聲法應力測量設備的技術特點,以及超聲波法在石油管道、高速列車、應力監控等領域的測量工程實例。對焊接殘余應力場的聲彈性不穩定現象進行了分析,對超聲波法測量焊接殘余應力的應用進行了總結,提出了適應石油行業殘余應力測量的發展方向。

關鍵詞:焊接殘余應力;超聲波法;石油管道

0 前 言

測量工業結構殘余應力的分布,是進行安全評估和疲勞壽命預測的基礎。殘余應力測量原理主要分為兩大類:破壞性的應力釋放原理和非破壞性的物理原理。破壞法中的小孔法和X 射線衍射法發展較為成熟,但會對被測工件造成破壞,測量過程繁瑣;非破壞法中的X 射線法易受合金成分干擾,測量深度也很淺。

基于聲彈性原理的超聲波測量焊接殘余應力的方法,克服了傳統破壞法耗時的缺點,可實現焊接結構殘余應力的無損、實時測量,滿足服役狀態焊接結構安全監控應力測量的需要,滿足壽命評估的技術需求,保障工業結構的安全使用,對石油工業管道具有很高的應用價值。

自筆者開發了國內第一套超聲波焊接殘余應力測量系統以來,該技術在工程實踐中不斷發展[1-15]。本研究對超聲波法焊接殘余應力測量技術進行了系統性回顧,指出其優點及不足,對下一步發展方向進行了展望。

1 超聲波法應力測量技術原理

1.1 聲彈性原理

自1940 年S.Oka 發現應力引起的聲雙折射現象以來,1953 年美國田納西大學物理系HUGHES D S、KELLY J L 根據 Murnaghan 的有限變形理論,提出了各向同性材料聲彈性理論的早期表達形式,建立了超聲波在材料中傳播速度與應力之間的關系,奠定了聲彈性基礎。后續者持續開展研究工作,如美國海軍研究實驗室TOUPIN R A 和BERNETEIN B 及美貝爾電話實驗室 THUR-STON R N、BRUGGER K 等。

1968 年日本東京大學Tatsuo Tokuoka 和Yukio Iwashimizu 導出了聲彈性方程,即應力介質中彈性波動方程。導出公式的基本假設有:物體連續性、物體是超彈性的、物體均勻、聲波的小擾動疊加在物體的靜態有限變形上、變形過程等熵。初始坐標下的應力介質中彈性波波動方程為

式中:δIK——Kronecker delta 函數;

uI——動態位移;

CIJKL——等效剛度,取決于材料常數和初始位移場;

ρi——物體受力狀態下密度;

tiJL——初始坐標中物體受力狀態下的柯西應力。

在20 世紀60—80 年代,經過學者的大量研究,大多選用對應力測量敏感的臨界折射縱波作為應力測量的首選超聲波類型。其中對于臨界折射縱波,經過大量簡化推導,可以得到三向應力作用下固體中臨界折射縱波的聲彈性方程為

式中:l、m、n、λ、μ——彈性常數;

vθ——應力狀態下縱波聲速;

v0——無應力狀態下縱波聲速;

σ1、σ2、σ3——各方向的應力分量;

ρ0——材料密度。

從公式(2)可以看出,臨界折射縱超聲波在介質中的傳播速度是由3 個方向應力共同作用決定的,與固體的二階、三階聲彈性常數密切相關。

1.2 聲彈性原理的發展

筆者在大量實踐中發現了非線性聲彈性效應在多向應力場下的不穩定現象,并進行科學表征,初步認識了聲彈性效應的復雜性。設計了焊接殘余應力場臨界折射縱波聲彈性分散度試驗及聲彈性效應隨機分布特征試驗,使用靜應力場來模擬殘余應力場彈性區的聲彈性不穩定現象,得到了類似殘余應力場的聲彈性隨機分布特征雙峰分布,提出了焊接殘余應力場彈性區聲彈性主應力計算公式。

在此基礎上,根據推導獲得了平面應力狀態下臨界折射縱波聲彈性方程,分析了基于單軸聲彈性效應的臨界折射縱波表面應力測量方法的不合理性,指出在應力測量中,垂直聲速方向應力引起的聲彈性效應不可忽略;根據實際測量與臨界折射縱波探頭結構,將平面應力下臨界折射縱波聲彈性方程中聲速與應力關系轉化為聲傳播時間與應力的關系,并進行簡化;根據實際工程需要,提出了可直接測得所需方向應力的多向法,對鋁合金平板對接接頭的焊接殘余應力進行了測量,測得的應力結果均在盲孔法誤差范圍之內,顯示該測量系統具有較高的測量精度。

對現有研究成果進行總結,存在以下不足:①現有臨界折射縱波表面應力測量均是直接套用基于單軸應力下縱波聲彈性方程,使用單軸應力下的聲彈性系數,未考慮復雜應力場中聲彈性系數與主應力大小及其夾角關系;②主應力由基于單軸應力狀態下的聲彈性效應分別測量得到的各向應力計算得出,沒有考慮其他方向應力對聲彈性效應的影響,測量方法不合理;③目前國內LCR 波測量的為幾十毫米聲程上的平均應力,應力場的空間分辨率較低。解決以上問題是本方法的重要發展方向。

2 超聲波法測量裝置及工程實例

2.1 殘余應力超聲法測量裝置

西安石油大學研制的超聲波法殘余應力測量系統,實現了焊接殘余應力場的快速、無損測量。經小孔法和切割釋放法等驗證,測量結果可靠,重復性好,設備輕便,操作便捷,適合于工程現場測量應用。設計的探頭可產生高幅值臨界折射縱波,接收晶片可同步獲取超聲波信號,由此同步信號確定聲時差,有效地降低了系統誤差。

超聲波測試應力方法綜合采用FIR 數字濾波、全包絡權重算法、格羅布斯準則和數字移相技術,可顯著提高系統測量精度。首次發現了聲彈性不穩定效應,并闡明了聲時差數據雙峰分布的規律,依據雙峰間距與主聲束和主應力方向夾角之間的關系,給出了平面應力條件下的雙向主應力計算公式。

目前結合石油工業行業的特殊需求,西安石油大學正在研發使用范圍更廣、更高精度、更多功能的超聲波法殘余應力測量技術及裝備,如圖1 和圖2 所示。

圖1 超聲波法殘余應力測量系統

圖2 平板對接試樣殘余應力測量

2.2 殘余應力超聲法工程測量實例

筆者先后主持完成了“和諧號” 系列、CRH380 系列、“復興號” 標準動車組等多個型號的殘余應力測試項目。先后完成了車體結構優化、長期服役引起的車體應力狀態跟蹤、大部件失穩等應力問題分析攻關及加改應力評估、攪拌摩擦焊接大部件等重大技術問題應力測試,積累了大量超聲波法、小孔法、X 射線法應力測試數據及應力測量工程實踐經驗。某型號高速列車車體側墻由鋁合金熱擠壓型材拼接而成,使用超聲波法對高速列車側墻殘余應力分布進行測量,測量位置和測量結果如圖3所示。某鋼級管道超聲法應力測量及小孔法驗證如圖4 所示。

隨焊旋轉擠壓法是一種隨焊高效控制焊接變形的新方法,其原理為通過置于焊槍后方一定距離的柱狀擠壓桿,對焊后尚處一定溫度范圍的焊縫金屬施加旋轉擠壓作用延展焊縫,達到減小焊接殘余應力、焊后變形的目的。使用超聲波法對隨焊旋轉擠壓工藝降低殘余應力效果進行測試,對超聲波測量結果采用切割釋放法進行驗證,試樣材料為LY12 鋁合金,規格為300 mm×140 mm×2 mm,焊接方法為TIG 焊,隨焊旋轉擠壓法殘余應力測量結果如圖5 所示。

圖3 高速列車側墻焊接殘余應力測量位置及結果

圖4 某鋼級管道殘余應力測量及小孔法驗證

圖5 隨焊旋轉擠壓法殘余應力測量結果及驗證

3 焊接殘余應力聲彈性不穩定現象

根據非線性應力應變關系推導的聲彈性方程繁瑣復雜,實際工程中無法應用。聲彈性現象是非線性的,簡化過程不可避免的忽略了一些因素,簡化未考慮力場的多向性。聲速由應力變化引起的變化為聲彈性效應。聲彈性方程導出有下列假設:假設聲波疊加在物體的靜態有限變形上,物體是超彈性、均勻的、連續的;物體在變形過程視為等溫過程。

圖6 是聲場與力場作用的模型。假設有連續體,如圖6(a)所示,y 方向單軸拉伸,第一主應力為正,沿y 軸方向,第二主應力為負,沿x軸方向。主聲程中軸線為OE,發射晶片中心為O,接收晶片中心為 E,收、發晶片在 y 軸方向的間距為b,在x 軸方向的間距為a。

圖6 聲場與力場作用模型

如果縱波振動沿兩主應力方向進行分解,分解為沿x 軸方向的振動為Ux,沿y 軸方向的振動為Uy。外力造成連續體各向異性,x 方向長度變短,y 方向長度變長。但是超聲波速度不變,兩個振動到達終點的時間不相同。到達終點E 時的振動Ux 和振動Uy 具有不同時性,兩振動不同時到達,沿x 軸方向的振動Ux 較沿y 軸方向的振動Uy 早到達接收端E。

聲波振動為一個動態過程,介質元在連續不斷接收遠處傳來的振動。振動Ux 和振動Uy 具有不同時性,造成了接收端E 合成振動的不穩定,圖6(b)中所示Δt 為隨機分布雙峰中心的應力特征值間隔,對應一定的時間間隔。連續體在應力作用下發生了變形,x 方向長度變短,y 方向長度變長,振動Ux 和振動Uy 到達終點具有不同時性。合成振動的不穩定表現在隨機波動概率分布的雙峰現象上,左峰體現x 軸方向的振動Ux較快到達,右峰體現了沿y 軸方向的振動Uy 較慢到達。

定義連續體在y 方向單軸拉伸作用下x 軸方向 a 距離的變化為 Δa,y 軸方向 b 距離的變化則有

式中:εx——第二主應力方向應變;

εy——第一主應力方向應變;

Δt——雙峰的應力特征值距離;

t——主聲程內傳播時間;

θ——主聲程與主應力夾角;

v——超聲波速度。

根據有限變形關系,進一步簡化為

由公式(4)計算的臨界折射縱波包絡波峰聲彈性效應隨機分布雙峰時間間隔與試驗結果對比吻合較好,誤差主要由探頭與主應力交角放置誤差造成。

測量系統可獲取包絡波峰聲彈性隨機分布雙峰距離Δt,主聲程傳播時間t 也可以方便地計算出來。因此焊接殘余應力場彈性區的主應力為

式中:σ1——第一主應力;

σ2——第二主應力;

σx——縱向殘余應力;

E——彈性模量;

λ——泊松比。

根據以上公式,焊接殘余應力場彈性區應力測量時,只需測出被測量點的縱(橫)向殘余應力,包絡波峰的聲彈性隨機分布,就可以方便地計算出此測量點的兩個主應力,以及橫(縱)向殘余應力。

4 結 論

(1)超聲波法殘余應力測量系統實現了焊接殘余應力場的快速、無損測量。經小孔法、切割釋放法等驗證,測量結果可靠,重復性好,測量無損,適合于工程現場測量應用,也適用于非焊接引起的殘余應力測量。

(2)焊接殘余應力場彈性區應力測量時,測出測量點的縱(橫)向殘余應力,包絡波峰的聲彈性隨機分布,可計算出測量點的兩主應力、橫(縱)向殘余應力。

(3)針對焊接殘余應力的聲彈性不穩定效應,需進一步科學簡化聲彈性非線性方程,指導精確應力測量的應用。

(4)在油氣管道殘余應力測量中,針對高鋼級管道的結構、加工特點,持續發展、驗證該方法具有重大應用價值,能夠滿足服役管道的在線應力測量需求。

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Ultrasonic Method Measurement of Welding Residual Stress

LU Hao1, XING Liwei1, XING Jingwei2
(1.School of Material Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China;2.The people’s Liberation Army of China No.5720 Factory, Wuhu 241007, Anhui, China)

Abstract: The technical principle and development history of ultrasonic method for measuring welding residual stress are summarized,and it is pointed out that the further development of the nonlinear principle of acoustic elasticity is the basis of accurate measurement of the engineering structure residual stress.The technical characteristics of stress measurement equipment by ultrasonic method in Xi’an Shiyou university and the engineering examples of ultrasonic measurement in the fields of petroleum pipeline, high-speed train, stress monitoring are introduced.The acoustic elasticity instability of welding residual stress field is analyzed, the application of ultrasonic method to measure welding residual stress is summarized, and the further development to adapt to the stress measurement in petroleum industry is put forward.

Key words: welding residual stress; ultrasonic method; petroleum pipeline

中圖分類號:TG404

文獻標識碼:B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.010

*基金項目:中國石油天然氣集團公司西部管道公司橫向資助項目“高鋼級管道超聲法殘余應力測試”(項目編號290018199)。

作者簡介:路 浩(1981—),男,教授,主要從事焊接應力及缺陷檢測技術、鋁合金焊接工藝研發工作,發表論文50 余篇,授權國家發明專利15 項,獲省部級科技進步獎2 項,國防科技鑒定成果1 項,兼任中國機械工程學會應力測試專業委員會委員、中國焊接協會理事等。

收稿日期:2018-12-27

編輯:羅 剛

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