雙向殘余應(yīng)力的超聲檢測及其對比性研究

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

我國航天器空間站密封艙長時間在91～97kPa的壓力及-160～+120℃的溫度條件下工作，故需對艙體結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力進行嚴格地控制。如在空間條件下對航天器的殘余應(yīng)力進行無損檢測，受環(huán)境與人員等條件限制，其實施難度較大，所以需要在地面條件下對其進行更為全面地檢測，以保證航天器的安全、可靠運行。為了有效地控制殘余應(yīng)力，需要準確地檢測出殘余應(yīng)力值，并對其狀態(tài)進行合理地評估。目前殘余應(yīng)力檢測的方法有很多[1-2]，如X射線法、散斑法、巴克豪森法等。2012年，意大利ROSSINI[3]對比分析了各種檢測方法后認為，超聲波法是殘余應(yīng)力無損檢測發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一。

筆者針對雙向應(yīng)力狀態(tài)下航天器鋁合金和對接焊焊板平面雙向殘余應(yīng)力的超聲波檢測結(jié)果進行驗證性研究。鑒于X射線衍射法以及電子散斑法的應(yīng)用情況和工程界對其檢測結(jié)果的認可程度[4]，選擇烏克蘭巴頓研究所的X射線衍射儀和電子散斑檢測系統(tǒng)對同一塊焊接板進行檢測，并與超聲波法得到的殘余應(yīng)力結(jié)果進行對比分析，以驗證平面應(yīng)力下用雙向應(yīng)力系數(shù)修正單向應(yīng)力系數(shù)得到的測量結(jié)果的準確性，從而驗證超聲臨界折射縱波(LCR)法測量殘余應(yīng)力的工程應(yīng)用價值，為航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品殘余應(yīng)力的精確檢測提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗系統(tǒng)

采用的LCR波殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，其由6大模塊組成。

圖1 LCR波殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)組成框圖

2 超聲應(yīng)力常數(shù)標定

應(yīng)力系數(shù)是利用LCR波的聲彈性效應(yīng)進行殘余應(yīng)力測量過程中的一個不可或缺的系數(shù)，其取值精確與否直接影響到殘余應(yīng)力的測量精度。聲彈性效應(yīng)是由平面上兩個相互垂直的應(yīng)力共同決定的，為了更真實地標定應(yīng)力系數(shù)，筆者設(shè)計了可雙向夾持的十字形加載試件，材料選擇航天器上常用的5A06鋁合金。LCR波換能器放置在試件中心圓孔和減薄區(qū)邊緣的中間位置，即距離圓孔中心50 mm處。試件的幾何尺寸如圖2所示。

圖2 試件的尺寸

對試件進行退應(yīng)力處理后，在250 kN平面雙軸疲勞試驗機上提供雙向加載力，從10 kN開始，以10 kN遞增，最大加載到110 kN。試件背面貼應(yīng)變片，加載過程中應(yīng)變片同步采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后通過應(yīng)變計算應(yīng)力值，貼好應(yīng)變片的試件實物圖如圖3所示。

圖3 貼好應(yīng)變片的試件實物

以應(yīng)力為橫坐標，聲時差為縱坐標，對測量數(shù)據(jù)進行曲線擬合，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，應(yīng)力與聲時差之間存在良好的線性關(guān)系，用擬合的方法得到雙向加載條件下的應(yīng)力系數(shù)kB=2.44 MPa·ns-1。取擬合數(shù)據(jù)kB=2.44 MPa·ns-1，根據(jù)超聲測量得到的聲時差，計算超聲波實測的應(yīng)力值。

圖4 平行拉力加載方向測量的雙向應(yīng)力系數(shù)標定圖

圖5 平行拉力加載方向的應(yīng)變片法與超聲法的 應(yīng)力測量結(jié)果對比

3 殘余應(yīng)力測試對比試驗

為了驗證雙向應(yīng)力系數(shù)標定的超聲檢測殘余應(yīng)力的正確性，分別在平板試件上利用應(yīng)變片和在焊接板上利用X射線、電子散斑法進行對比檢測試驗。

3.1 超聲法與應(yīng)變片法對比

以拉力值為橫坐標，分別以應(yīng)變片計算的應(yīng)力值和超聲測量的應(yīng)力值為縱坐標，對測試數(shù)據(jù)進行曲線擬合，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，兩者的斜率只相差0.000 6，近似相同，只是截距有1.257的差距，說明標定的平行加載方向的雙向應(yīng)力系數(shù)的線性度良好。超聲測量結(jié)果與應(yīng)變片應(yīng)力值的最大偏差小于4 MPa。

3.2 超聲法與X射線法對比驗證

進行超聲檢測與X射線對比驗證試驗時,材料選擇與應(yīng)力常數(shù)標定試驗相同牌號、批次的5A06鋁合金VPPA(變極性等離子弧焊)焊接板材，試樣尺寸(長X寬X厚)為600 mm×100 mm×4 mm(見圖6 )。

圖6 焊接板實物圖

利用超聲法測量平行于焊縫方向的殘余應(yīng)力，測量位置選擇在對接焊縫的1/2(100 mm的寬度方向的1/2)處，測量兩次，記為A和B，超聲波換能器平行焊縫方向放置，測量時換能器沿焊趾向母材區(qū)方向移動，共測量24個點。由于焊縫存在余高，靠近焊縫中心最近的測量點選擇在距離焊縫中心(600 mm的長度方向的中心)10 mm處，最遠的測量點距離焊縫中心200 mm。試驗前，用酒精清理待測試件表面油污，使用甘油作耦合劑以保證換能器與待測部位耦合良好。以焊縫中心為坐標原點，距離焊縫中心距離為x坐標，則檢測點(24個點)的位置坐標如表1所示。

表1 殘余應(yīng)力測量點的位置坐標(超聲法)

用X射線法和超聲法測量同一塊5A06鋁合金對接焊焊板上相同位置的測量點。將圖6所示焊接板的待檢測面朝上固定在X射線衍射儀的支架上，再進行檢測。為了避免試件表面的氧化、粗糙及存在油污等因素影響殘余應(yīng)力的測量，對試件表面檢測線進行電解剖光，剖光深度為10 μm。以焊縫中心為坐標原點，距離焊縫中心距離為x坐標，X射線法的檢測點(27個點)的位置坐標如表2所示。

表2 殘余應(yīng)力測量點的位置坐標

以檢測點為橫坐標，電解剖光后的試件X射線檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 電解剖光后X射線法對平行焊縫方向 應(yīng)力的測量結(jié)果

由圖7可知，平行焊縫方向的殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)出熔合區(qū)和熱影響區(qū)為較高拉應(yīng)力、母材區(qū)基本為壓應(yīng)力的分布趨勢。圖8給出了X射線法和超聲波法對平行焊縫方向的殘余應(yīng)力的測量結(jié)果(為了表述方便，圖中橫坐標未嚴格按比例繪制，下同)。

圖8 超聲法和X射線法對平行焊縫方向 應(yīng)力的測量結(jié)果

由圖8可知，超聲法與X射線法得到的焊接應(yīng)力數(shù)值有所差別，這是因為兩種方法的檢測原理不同，X射線法是點測量，而超聲法檢測的是以測量點為中心的兩個換能器平均路徑上的應(yīng)力，更重要的是兩種方法的檢測深度不同，但是超聲法與X射線法測量結(jié)果的趨勢基本相同，且都符合對接焊焊板上平行于焊縫方向的殘余應(yīng)力的分布趨勢，說明超聲波法能夠用于焊縫殘余應(yīng)力的檢測，具有一定的工程應(yīng)用價值。

3.3 超聲法與散斑法對比

采用如圖9(a)所示的電子散斑殘余應(yīng)力測試儀，測量同一塊5A06鋁合金對接焊焊板相同位置的殘余應(yīng)力分布，從測試結(jié)果可以直接得到測試點的主應(yīng)力方向和大小，如圖9(b)所示。

圖9 電子散斑殘余應(yīng)力測試儀外觀與焊板應(yīng)力測量結(jié)果

以焊縫中心為坐標原點，距離焊縫中心距離為x坐標，電子散斑法和超聲波法對平行于焊縫方向的殘余應(yīng)力的測量結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，超聲法與電子散斑法得到的焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值有所差別，但是趨勢基本相同，均呈現(xiàn)出熔合區(qū)和熱影響區(qū)為較高拉應(yīng)力、母材區(qū)基本為壓應(yīng)力的分布趨勢，且都符合對接焊焊板上平行焊縫方向的殘余應(yīng)力的分布趨勢，說明超聲波法檢測焊縫殘余應(yīng)力趨勢的正確性。在應(yīng)力數(shù)值上，超聲波法檢測結(jié)果中的拉應(yīng)力數(shù)值較高，而壓應(yīng)力數(shù)值也較高，對比每個檢測點的超聲波法和電子散斑法的測量數(shù)值，利用雙向應(yīng)力系數(shù)計算得到的應(yīng)力數(shù)值與散斑法數(shù)值的偏差平均值μ=7.689 5 MPa，標準差σ=11.526 3 MPa。

圖10 超聲波法與電子散斑法的應(yīng)力測量結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1) 使用超聲波法與工程應(yīng)用比較成熟的X射線衍射法測量焊接板相同位置的殘余應(yīng)力，得到的殘余應(yīng)力分布趨勢基本一致，證明了超聲波法能正確、快速、無損地測量焊縫殘余應(yīng)力，具有較高的工程應(yīng)用價值。

(2) 以小孔電子散斑法的檢測結(jié)果為參考依據(jù)，分別與超聲波法單向應(yīng)力系數(shù)計算和雙向應(yīng)力系數(shù)計算得到的殘余應(yīng)力結(jié)果進行偏差對比，結(jié)果表明采用雙向應(yīng)力系數(shù)計算得到的殘余應(yīng)力結(jié)果與小孔電子散斑法結(jié)果的偏差平均值和標準偏差均明顯減小，證明了平面應(yīng)力下，相比單向應(yīng)力系數(shù)法，采用雙向應(yīng)力系數(shù)得到的超聲殘余應(yīng)力結(jié)果的精確度更高。