鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力超聲波檢測(cè)技術(shù)研究*

0 前 言

TC4 鈦合金具有輕質(zhì)高強(qiáng)、 耐腐蝕性能好等優(yōu)良特性， 被廣泛應(yīng)用于船舶、 航空航天、石油化工等諸多領(lǐng)域

。 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展， 鈦合金焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用日益增加， 但焊接的局部快速加熱冷卻特性， 極易在構(gòu)件中產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力

。 在服役過(guò)程中高的殘余應(yīng)力會(huì)顯著降低鈦合金構(gòu)件的強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性， 造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至傷亡性事故

。 因此準(zhǔn)確測(cè)量鈦合金焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力， 對(duì)其服役安全至關(guān)重要。

2015年原農(nóng)業(yè)部制定了《到2020年化肥、農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，2016年國(guó)務(wù)院頒布《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)今后我國(guó)土壤污染防治工作作出了全面部署。2018年8月31日，十三屆全國(guó)人大常委會(huì)第五次會(huì)議全票通過(guò)了《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》。這些政令、計(jì)劃的實(shí)施吹響了土壤修護(hù)的集結(jié)號(hào)。

目前殘余應(yīng)力檢測(cè)方法根據(jù)其對(duì)構(gòu)件破壞程度差異可分為破壞性的機(jī)械法（小孔法、 裂紋柔度法等） 和無(wú)損的物理法（超聲波法、 X 射線法、磁測(cè)法等）。 其中機(jī)械法是通過(guò)去除被測(cè)構(gòu)件部分區(qū)域材料， 釋放被去除區(qū)域應(yīng)力， 測(cè)量因應(yīng)力釋放導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)變， 計(jì)算出殘余應(yīng)力的大小。物理法是采用X 射線、 超聲波等信號(hào)， 檢測(cè)由于外加應(yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變及傳播聲速的變化， 從而計(jì)算殘余應(yīng)力值。 相比機(jī)械殘余應(yīng)力測(cè)試方法，物理法不會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生任何損傷， 在精密、 貴重、大型設(shè)備制造及服役過(guò)程中的應(yīng)力檢測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)， 成為目前殘余應(yīng)力測(cè)試研究的熱點(diǎn)

。超聲波法具有穿透性強(qiáng)、 操作簡(jiǎn)單、 無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)， 克服了X 射線測(cè)量深度淺、 操作復(fù)雜等問(wèn)題，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)車車輪、 石油管道等領(lǐng)域

。針對(duì)鋼等磁性材料， 超聲楔塊主要采用磁鐵進(jìn)行固定吸附， 而鈦合金無(wú)磁特性使得超聲楔塊與待測(cè)表面無(wú)法用磁鐵固定， 導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果漂不穩(wěn)定， 檢測(cè)難度較高。

例題貴在精而不是貴在多，數(shù)學(xué)是需要思考的，數(shù)學(xué)教育的目的也不是培養(yǎng)熟練的工種[18]，因此有理數(shù)例題的配備除了注重學(xué)生運(yùn)算能力，也要注重學(xué)生對(duì)有理數(shù)概念的理解與掌握，不能只注重是什么，更要知道為什么．RJ版教科書(shū)有理數(shù)的例題全部出現(xiàn)在有理數(shù)加減乘除運(yùn)算的小節(jié)中，在1.2.1有理數(shù)小節(jié)中沒(méi)有出現(xiàn)例題，這一定程度上體現(xiàn)出RJ版教科書(shū)重運(yùn)算而輕概念．相反，CM教科書(shū)在每小節(jié)的KEY CONCEPT（核心概念）模塊后都列舉一或兩道例題來(lái)幫助學(xué)生理解所給概念．

本研究針對(duì)鈦合金無(wú)磁特性引發(fā)的超聲殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題， 設(shè)計(jì)了超聲楔塊貼合輔助裝置， 并對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證，以期提升鈦合金殘余應(yīng)力超聲波檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性。

1 超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)原理

圖5 為未使用超聲楔塊貼合輔助裝置時(shí)TC4鈦合金試板超聲LCR 波形采集圖。 波形采集時(shí)的參數(shù)分別為： 超聲換能器頻率5 MHz、 激勵(lì)電壓300 V、 阻抗匹配值200 Ω、 濾波頻率2.5 MHz。

在耦合劑厚度保持1.5 mm 時(shí)， 在同一位置對(duì)LCR 波形圖進(jìn)行了多次采集， 其波形圖如圖8 所示。 當(dāng)耦合劑厚度保持一致時(shí)， 在同一點(diǎn)采集的三組LCR 波形數(shù)據(jù)幾乎重合， 表明超聲楔塊貼合輔助裝置可以有效改善超聲楔塊與被測(cè)表面之間的貼合狀態(tài)， 使超聲波傳播距離L 固定， 提高了超聲波形采集穩(wěn)定性。

根據(jù)聲彈性原理， 超聲折射縱波在應(yīng)力方向上進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)， 其聲速會(huì)受到傳導(dǎo)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的影響而發(fā)生變化， 變化之后的聲速

為

被測(cè)材料的應(yīng)力系數(shù)在超聲波殘余應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中至關(guān)重要， 標(biāo)定試樣制作完成后需按照熱處理標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行去應(yīng)力退火， 在應(yīng)力水平較低時(shí)進(jìn)行超聲基準(zhǔn)波形采集， 去應(yīng)力退火參數(shù)根據(jù)GJB 3763A—2004 《鈦及鈦合金熱處理》 選用600 ℃、 3 h、 空冷。 標(biāo)定試驗(yàn)采用WDW3100 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加外部載荷， 其載荷精度可達(dá)0.001 N， 控制方式為載荷控制， 載荷達(dá)到預(yù)定值后保載10 s 進(jìn)行標(biāo)定。 為保證超聲楔塊與標(biāo)定試樣表面的穩(wěn)定貼合， 采用橡皮筋輔助固定。圖9 是根據(jù)GB/T 32073—2012 設(shè)計(jì)的拉伸標(biāo)定試樣尺寸圖， 伸長(zhǎng)段寬度取26 mm， 以確保超聲楔塊實(shí)現(xiàn)縱向貼合。

式 （2） 中參數(shù)k 和v

為常量， 測(cè)量超聲波波速變化即可計(jì)算出應(yīng)力值。 但精確測(cè)量臨界折射縱波聲速的微小變化難以實(shí)現(xiàn)， 實(shí)際應(yīng)力測(cè)量時(shí)通常將超聲波在固定傳播距離L 的內(nèi)傳播時(shí)間變化來(lái)反應(yīng)聲速的變化。 將其代入式（2） 中，可推導(dǎo)出

焊接材料選用100 mm×100 mm×4 mm 的退火態(tài)TC4 鈦合金薄板， 采用對(duì)焊形式進(jìn)行激光焊接。 焊接試驗(yàn)使用nLIGHT-alta-TM 光纖激光器， 其最大功率6 000 W， 波長(zhǎng)1 080 nm， 光纖直徑200 μm， 焦距300 mm， 整個(gè)焊接過(guò)程采用氬氣進(jìn)行保護(hù)。 本次焊接所用激光功率4 000 W，焊接速度1 200 mm/min， 離焦量0 mm。 激光焊接試驗(yàn)裝置如圖3 所示。

在霞浦進(jìn)行拍攝，要考慮到潮汐帶來(lái)的景色變化，隨著潮水的褪去，灘涂才會(huì)顯露出來(lái)，此時(shí)是拍攝的最佳時(shí)機(jī)。沙江是此行拍攝灘涂最為壯觀的地點(diǎn)之一，本來(lái)期待拍攝落日的我們，雖然沒(méi)有如期而遇地等到太陽(yáng)，沒(méi)有晚霞的絢麗色彩，索性使用黑白模式。這里眾多插在灘涂上的竹竿形成的優(yōu)美線條，錯(cuò)落有致地排列在“S”形的港灣水道兩邊，依然構(gòu)成了一幅完美的灘涂風(fēng)景。每當(dāng)海帶收獲季節(jié)，來(lái)來(lái)往往的船只，在竿影間繁忙穿梭，水墨韻律更加美妙突出。

鈦合金的無(wú)磁特性導(dǎo)致超聲楔塊與被測(cè)材料表面的貼合狀態(tài)穩(wěn)定性大幅降低， 耦合劑厚度的輕微變化將導(dǎo)致固定傳播距離L 發(fā)生變化， 降低超聲波殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料與方法

從超聲臨界折射縱波殘余應(yīng)力測(cè)量公式簡(jiǎn)易推導(dǎo)過(guò)程來(lái)看， 超聲波固定傳播距離L 對(duì)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果影響極大。 若傳播距離L 發(fā)生改變，應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果隨之變化， 不僅難以反映超聲臨界折射縱波的聲速變化， 還會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果的精度。

殘余應(yīng)力測(cè)量之前， 采用80

、 280

、 600

、1000

、 1500

砂紙對(duì)焊接接頭表面進(jìn)行打磨， 加工出平整光滑的待測(cè)面以滿足應(yīng)力測(cè)試要求。 小孔法殘余應(yīng)力測(cè)試參照GB/T 31310—2014 《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 鉆孔應(yīng)變法》 進(jìn)行， 應(yīng)變片型號(hào)為BE120-2CA-K-Q30， 電阻值120.3 Ω±0.3 Ω， 靈敏系數(shù)2.23%±1%。 應(yīng)變儀型號(hào)為澄科-CT2110， 其最大量程±2 000 με， 分辨率0.5 με，系統(tǒng)示值誤差0.3%±0.5 με。 應(yīng)變釋放系數(shù)根據(jù)GB/T 31310—2014 進(jìn)行計(jì)算， 鉆孔直徑與深度均為2 mm。 超聲法測(cè)試流程按照GB/T 32073—2015 《無(wú)損檢測(cè) 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法》 進(jìn)行。 超聲波法與小孔法測(cè)量點(diǎn)布置如圖4 所示， 在焊接試板上排布A、 B 兩條測(cè)試線， 測(cè)試線間隔50 mm， 各測(cè)量點(diǎn)之間等間距20 mm ， 共計(jì)16 個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 規(guī)定垂直于焊縫方向?yàn)閤 軸、 平行于焊縫方向?yàn)閥 軸。

怒江州政府從2003年開(kāi)始大量招商引資，推進(jìn)中小水電開(kāi)發(fā)。國(guó)家發(fā)改委評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)了《怒江中下游水電規(guī)劃報(bào)告》，計(jì)劃了在怒江修建“兩庫(kù)十三級(jí)”電站的開(kāi)發(fā)方案,但上述規(guī)劃方案遭到了環(huán)保組織的反對(duì)。在隨后的十一五、十二五國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃中，怒江水電開(kāi)發(fā)的計(jì)劃一直位列其中。通過(guò)民間環(huán)保力量的不懈努力，經(jīng)過(guò)十多年保護(hù)與開(kāi)發(fā)的探討，在2016年12月的能源發(fā)展十三五規(guī)劃中，怒江水電開(kāi)發(fā)終于出列。

2.2 超聲楔塊貼合輔助裝置設(shè)計(jì)

超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)原理及實(shí)物如圖1所示。 圖1 （a） 所示為超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)原理圖， 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制超聲波發(fā)射板卡激發(fā)超聲波換能器， 將超聲波導(dǎo)入被測(cè)材料， 超聲波接收板卡對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行采集并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)做分析計(jì)算， 結(jié)合聲時(shí)差與應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可計(jì)算出被測(cè)材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小

。 根據(jù)超聲波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)原理圖自主搭建的超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)平臺(tái)如圖1 （b） 所示， 其最大激勵(lì)電壓400 V，采樣頻率100 MHz， 最大增益100 db， 并設(shè)有收發(fā)分離、 收發(fā)一體兩種檢測(cè)模式。

從圖5 可以看出， 即使在同一點(diǎn)進(jìn)行超聲LCR 波的多次采集， 波形數(shù)據(jù)之間重合度依然較低， 存在較大的相位差異。 這可能是由于超聲楔塊貼合時(shí)耦合劑厚度不一致引起超聲波傳播距離L 發(fā)生變化所導(dǎo)致。 在超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程中， 需在被測(cè)表面涂抹耦合劑以減少超聲能量損失。 鈦合金的無(wú)磁特性需人為將超聲楔塊固定在試樣表面。 人為因素的引入使得殘余應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中超聲楔塊與測(cè)試面的耦合劑厚度不能保持穩(wěn)定， 造成超聲殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的不穩(wěn)定性加大。 當(dāng)人為施加力過(guò)大時(shí)， 超聲楔塊與被測(cè)表面之間的耦合劑被排出、 厚度減小， 反之耦合劑厚度增大， 從而出現(xiàn)同一點(diǎn)多次采集的LCR 波形相位偏移現(xiàn)象。

圖6 為貼合輔助裝置示意圖。 該裝置采用一定剛度的亞克力玻璃制作， 尺寸如圖6 （a） 所示。 在超聲波殘余應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中， 將超聲楔塊與輔助裝置進(jìn)行組裝， 如圖6 （b） 所示。 輔助裝置的沉頭結(jié)構(gòu)可確保超聲楔塊與輔助裝置結(jié)合穩(wěn)固， 將耦合劑填充至貼合輔助裝置底部， 用力按壓超聲楔塊， 多余的耦合劑從輔助裝置底部的溝槽流出， 使得超聲楔塊與待測(cè)面的耦合劑填充厚度始終為H。

為了進(jìn)一步明確耦合劑厚度對(duì)超聲LCR 波形的影響， 在耦合劑填充厚度H 分別為0.5 mm、1 mm、 1.5 mm 時(shí)對(duì)TC4 鈦合金試板同一位置進(jìn)行超聲LCR 波形采集， 結(jié)果如圖7 所示。當(dāng)耦合劑厚度從0.5 mm 增至1.5 mm 時(shí)， 超聲LCR波形相位整體右移， 耦合劑厚度每增加0.5 mm，超聲LCR 波形相位滯后約50 ns， 這將使超聲波殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果減小， 甚至改變應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果的拉壓性質(zhì)。 為了保證超聲殘余應(yīng)力測(cè)試的精度，在測(cè)量過(guò)程中耦合劑厚度應(yīng)該保持一致。

康寧大中華區(qū)總裁兼總經(jīng)理李放表示：“改革開(kāi)放40周年，中國(guó)取得了巨大成就。 如今，中國(guó)不僅是世界的主要經(jīng)濟(jì)體，更是創(chuàng)新的發(fā)源地和試驗(yàn)場(chǎng)。在中國(guó)，我們一以貫之地利用自身在材料科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，不斷引領(lǐng)行業(yè)變革，改善人類生活?！?/p>

圖2 所示為超聲臨界折射縱波 （LCR 波）產(chǎn)生示意圖。 根據(jù)Snell 定律， 當(dāng)超聲波以一定入射角進(jìn)入被測(cè)材料時(shí)， 會(huì)使折射縱波的折射角達(dá)到90°， 此時(shí)產(chǎn)生的折射縱波被稱為臨界折射縱波。 因超聲LCR 波對(duì)于材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力變化表現(xiàn)出較好的敏感性， 所以現(xiàn)階段的超聲波法大多采用LCR 波進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量

。

3 結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

外在因素?cái)?shù)是影響職前教師數(shù)學(xué)認(rèn)知的外部環(huán)境因素，其中，影響最大的是其專業(yè)學(xué)習(xí)中的課堂教學(xué)環(huán)境．眾所周知，中國(guó)數(shù)學(xué)教育注重學(xué)生“雙基”的發(fā)展．然而，在數(shù)學(xué)教師的職前教育中，由于人才培養(yǎng)大多偏重“學(xué)術(shù)性”，教師普遍關(guān)注數(shù)學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)性、邏輯性和結(jié)構(gòu)性，忽視知識(shí)的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，由此導(dǎo)致知識(shí)本位的數(shù)學(xué)課堂教學(xué)產(chǎn)生．在這樣的教學(xué)環(huán)境影響下，不少職前教師在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析的教學(xué)方案時(shí)，過(guò)于注重對(duì)問(wèn)題的講解和解題訓(xùn)練．知識(shí)因此被僵化，失去活性．

依據(jù)公式 （5） 設(shè)置標(biāo)定數(shù)據(jù)， 見(jiàn)表1。 從表1 中可以看出， 隨著附加應(yīng)力的逐漸增加， 接收到的超聲信號(hào)相較于基準(zhǔn)波形的相位差逐漸增大， 聲時(shí)差近似呈線性增長(zhǎng)。

A——橫截面積， mm

。

對(duì)聲時(shí)差數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合如圖10 所示。從圖10 可看出， 殘余應(yīng)力與聲時(shí)差之間存在良好的線性關(guān)系。 經(jīng)過(guò)標(biāo)定得到TC4 鈦合金應(yīng)力系數(shù)K=19.923 5 MPa/ns， 應(yīng)力常量b=-0.888 127 MPa。

3.2 殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與分析

4 結(jié) 論

（1） 超聲波法殘余應(yīng)力測(cè)量過(guò)程中， 耦合劑厚度對(duì)超聲LCR 波形相位影響較大， 耦合劑厚度每增加0.5 mm， 超聲LCR 波形相位滯后約50 ns，這將導(dǎo)致超聲波應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)壓應(yīng)力減小及拉應(yīng)力增大現(xiàn)象。

（4）在初始參數(shù)均為電纜加熱功率150W/m2；室外溫度-8℃；相對(duì)誤差0.001時(shí)，隨著地板的導(dǎo)熱系數(shù)的增大，室內(nèi)升溫越快，但影響并不大。

（2） 超聲楔塊貼合輔助裝置使耦合劑填充厚度保持一致， 實(shí)現(xiàn)超聲波傳播距離L 的固定，提高了超聲波形采集穩(wěn)定性及殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性。

（3） 經(jīng)標(biāo)定， TC4 應(yīng)力系數(shù)K=19.923 5 MPa/ns，應(yīng)力常量b= -0.888 127 MPa。

（4） 采用貼合輔助裝置后的超聲波法和小孔法獲得的TC4 鈦合金焊接試板殘余應(yīng)力分布特征基本一致， 表明超聲楔塊貼合輔助裝置設(shè)計(jì)合理、 實(shí)用性強(qiáng)。

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