超聲波應(yīng)力測試降噪技術(shù)

（中國核動力研究設(shè)計院，四川成都610213）

0 前言

較高的殘余應(yīng)力對工件的服役性能影響較大，主要包括：扭曲變形、結(jié)構(gòu)剛度下降、尺寸穩(wěn)定性變差、促進(jìn)裂紋等缺陷擴(kuò)展，高數(shù)值的殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致服役壽命嚴(yán)重下降[1-3]。聲彈性效應(yīng)是指聲波傳播速度的變化和應(yīng)力變化之間存在線性關(guān)系，這一現(xiàn)象最早由S.Oka發(fā)現(xiàn)[4-5]。聲彈性效應(yīng)是超聲法測試殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)理論，LCR法應(yīng)力測試技術(shù)測試效率更高、硬件成本更低、工程使用價值更大，并在現(xiàn)階段得到了良好的應(yīng)用[6-8]。

材料內(nèi)部通常具有明顯的不均勻性，內(nèi)部存在一些常見缺陷，超聲與測試耦合界面聲阻抗與周圍物質(zhì)存在一定的差異性，會對LCR波信號的傳播產(chǎn)生明顯干擾；目前LCR法的測試探頭為壓電陶瓷晶片探頭，在線測試的工件振動也容易導(dǎo)致聲波的探頭產(chǎn)生噪聲信號，從而干擾LCR波的測試；超聲波應(yīng)力測試設(shè)備集成了繁多的電子元件，電子元件在工作過程中產(chǎn)生的磁噪聲也會對LCR波應(yīng)力測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。對LCR波原始信號進(jìn)行去噪聲處理，可以提高LCR波應(yīng)力測試技術(shù)的穩(wěn)定性。本研究對S355J與A7N01進(jìn)行LCR波應(yīng)力測試技術(shù)標(biāo)定，并采用小波閾值降噪技術(shù)處理LCR波初始信號，從而分析降噪處理對鋁合金與低合金鋼應(yīng)力測試結(jié)果的影響。

1 試驗方法及討論

1.1 試驗方法

分別切取A7N01與S355J拉伸標(biāo)定樣，尺寸如圖1所示，拉伸標(biāo)定樣的長度方向與軋制方向平行，標(biāo)定使用DNS3000型力學(xué)萬能試驗機(jī)，標(biāo)定樣按照如圖2所示的方式裝置于機(jī)械拉伸機(jī)。試驗使用奧林巴斯生產(chǎn)的探頭，探頭中心激發(fā)頻率為5 MHz，型號為C543。分別對兩個標(biāo)定樣進(jìn)行LCR波應(yīng)力測試應(yīng)力常數(shù)K標(biāo)定。

圖1 標(biāo)定樣尺寸

圖2 拉伸標(biāo)定試驗

LCR波應(yīng)力測試法應(yīng)力常數(shù)K的標(biāo)定過程為：（1）制定標(biāo)定樣，并對標(biāo)定樣進(jìn)行去應(yīng)力退火處理（不能熱處理的試樣通過機(jī)械法消除應(yīng)力）；（2）標(biāo)定樣安裝于萬能試驗機(jī)上，如圖2所示，安置超聲波收發(fā)一體探頭，使聲波的傳播方向平行于機(jī)械拉伸機(jī)的加載方向；（3）通過控制機(jī)均勻調(diào)整拉伸機(jī)產(chǎn)生不少于8組載荷，對A7N01每次施加的應(yīng)力載荷為5±5 MPa，由于S355J屈服強度更高，每次施加的應(yīng)力載荷為25±5 MPa，并測試出每組載荷對應(yīng)的超聲傳播聲時差；（4）擬合施加的載荷與對應(yīng)載荷下的聲波傳播時間差。由于聲彈性效應(yīng)加載應(yīng)力與聲時差應(yīng)理論上將呈現(xiàn)出線性關(guān)系，采用二乘法擬合標(biāo)定結(jié)果，擬合直線的斜率為k（單位：MPa/ns），如式（1）所示

式中 t為LCR波在被測材料中的傳播時間；Δσ為相對于參考點的應(yīng)力改變量，如果參考點為零應(yīng)力，則其為應(yīng)力測試值。

1.2 降噪對S355J測試的影響

S355J降噪與未降噪的對比信號如圖3所示，局部放大對比信號如圖4所示。降噪后信號平順度明顯提高，降噪處理效果明顯。根據(jù)式（1）對降噪與未降噪信號進(jìn)行擬合分析，根據(jù)斜率計算出LCR波應(yīng)力常數(shù)K，降噪與未降噪相差達(dá)13.82%，而未降噪聲波信號的線性擬合R2僅為0.940 94，遠(yuǎn)小于降噪后的0.991 48，因此聲波信號降噪處理可以使信號曲線更為圓滑，明顯提高測試精度和可靠性。S355J降噪與未降噪應(yīng)力常數(shù)擬合如圖5所示。

圖3 S355J降噪與未降噪測試信號對比

圖4 S355J降噪與未降噪測試信號對比局部放大

1.3 降噪對A7N01測試的影響

鋁合金A7N01降噪信號對比如圖6所示，局部放大對比如圖7所示，與S355J相似，降噪后A7N01鋁合金的聲波信號毛刺減少，更為圓滑。但與S355J信號有明顯不同，根據(jù)聲波傳播的時間差與應(yīng)力變化值的擬合結(jié)果如圖8所示，A7N01降噪前后擬合出的應(yīng)力常數(shù)K的差異性較小，降噪和線性擬合R2略有提高，但不明顯，說明聲波降噪處理對A7N01應(yīng)力測試結(jié)果的影響不明顯。

圖5 S355J降噪與未降噪應(yīng)力常數(shù)擬合

圖6 A7N01鋁合金降噪與未降噪測試信號對比

圖7 A7N01鋁合金降噪與未降噪測試信號對比局部放大

2 結(jié)論

圖8 A7N01鋁合金降噪與未降噪應(yīng)力常數(shù)擬合

（1）聲波在鋁合金和鋼中的傳播特征具有明顯的差異性，噪聲信號對LCR法測試S355J殘余應(yīng)力產(chǎn)生了明顯的誤差，聲波受應(yīng)力影響產(chǎn)生的顯微變化易受噪聲信號影響，LCR法對S355J進(jìn)行應(yīng)力測試時必須進(jìn)行降噪處理。

（2）超聲波在A7N01中聲速隨應(yīng)力的變化更為明顯，相同應(yīng)力狀態(tài)下超聲波在鋁合金中傳播速度的該變量約為鋼中的10倍，噪聲信號對應(yīng)力測試結(jié)果的影響可以忽略，不必對聲波信號進(jìn)行降噪處理。

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