超声技术在残余应力中的应用

镍基合金的焊接越来越多地应用于船舶制造业中的各种重要结构、化学处理等［31］。本节讲述利用超声法测量Monel 400合金的次表面残余应力，该部分残余应力是在压力容器的焊接过程中造成的。在利用超声法测量残余应力时，纵向临界折射（LCR）波在试样内部传播以评估应力对波速的影响，然后通过声弹性关系，波速的任何差异都可以转化为材料应力。

这里需要特别说明次表面残余应力与表面残余应力的差异。次表面残余应力被定义为材料一定深度内的应力。在制造压力容器所需的圆周焊接中，一定深度下的残余应力可能与表面应力有很大的不同。然而，大多数非破坏性应力测量技术如X射线衍射和巴克豪森噪声法，只能在几毫米的深度范围内进行表面应力的测量［32］。而超声法则已被证明具有在不锈钢板和管道中进行次表面应力测量的能力［33-34］。通过改变超声波的频率，LCR波能够穿透不同深度的材料以测量次表面残余应力。

图4-13展示了常用的实验配置。LCR波首先由发射器产生，然后通过材料的一个区域传播，最后由一个或两个接收器检测信号。在这个波路径中，LCR波的速度受材料应力的影响。次表面的残余应力通常可以被确定，只要层深与超声波波长是相关的，此时的层深往往超过几毫米。在图4-13所示的例子中，发射和接收的LCR波中的第一临界角都为31°。

图4-13　LCR波在镍合金压力容器中传播（参见彩图附图4）

Egle和Bray［35］推导出的，LCR波传播时间的变化与相应的单轴应力之间的关系为

式中，ΔR为应力的变化量；E为弹性模量；L为应力方向上传播的与纵波有关的声弹性常数；t为焊接试样中测得的波传播时间；t0为室温下均匀且各向同性的无应力材料中的传播时间；ΔtT为室温与测量温度之间温度梯度的影响。在了解焊接引起的传播时间的变化以及声弹性常数的情况下，便可知道应力的变化。

图4-14所示测量设备包括超声波箱、计算机和飞行时间（TOF）测量单元。超声波箱是一个100 MHz超声波实验设备，它在脉冲发生器的信号和控制A/D转换器的内部时钟之间进行了同步。这可以非常精确地测量小于1 ns的飞行时间。TOF测量单元包括三个纵波传感器，组装在一个集成楔块上以测量飞行时间。用激光切割聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，以构造楔形物。采用轴向和环向楔块分别测量轴向和环向的TOF。需要包括一个发送器和两个接收器的三探头安排来消除环境温度对飞行时间的影响。采用四种不同频率的十二个传感器，它们的标称频率为1 MHz、2 MHz、4 MHz和5 MHz。将三个具有相同频率的纵波换能器组装在楔块上，其上压电元件的直径为6 mm。扫描路径从左端的熔化区域（MZ）开始，通过中心主焊缝，到右端的融化区域（MZ）结束。对于靠近和位于MZ的点，移动步距等于1 mm；而远离焊缝的地方，步距增加到5 mm。对每个点测量TOF三次，记录平均数据。须使用四个不同频率的换能器扫描路径四次。

图4-14　超声波TOF测量设备（参见彩图附图5）

当LCR波在壁厚有限的样品中传播时，穿透深度预计为频率的函数。但是，LCR深度和频率之间没有可用的特定关系。因此，应该通过实验测量LCR深度。在管中切割变深凹槽，使用与研究试样相同的材料和厚度，以产生屏障来物理防止LCR波到达接收换能器。结果发现1 mm深度的凹槽可以完全防止5 MHz-LCR波通过，表明这种LCR波的穿透深度为1 mm。类似地，测量4 MHz、2 MHz和1 MHz-LCR波的穿透深度分别等于1.5 mm、3.5 mm和7 mm。

为了测量声弹性常数（L），试样需要加压以在表面上产生应力。将试样中充满水，并通过空气压缩机逐步增加内部压力。根据ASME-SectionⅧ计算外表面上的应力。试样保持在一定的压力下，利用超声波LCR方法确定受气动应力影响的TOF。然后根据前述公式计算整个试样的声弹性常数（L）。(www.xing528.com)

在利用有限元模型来验证超声法的测量结果前，须先验证有限元模型的可靠性。所以使用钻孔法的结果，验证得到一个可靠的有限元模型（VFEM）。然后根据LCR波的穿透深度，使用VFEM计算试样中各种深度的残余应力，如图4-15和图4-16所示（右图均为左图的局部放大图）。

图4-15　根据LCR穿透深度，利用VFEM获得的环向残余应力

图4-16　根据LCR穿透深度，利用VFEM获得的轴向残余应力

此前已有研究表明，超声法可以测量相当于LCR穿透深度处的残余应力平均值［36-40］。因此，图4-15和图4-16所示的结果需要修改，以满足平均应力测量的标准。修改后如图4-17所示，利用VFEM计算深度分别为1 mm、1.5 mm、3.5 mm和7 mm处的残余应力平均值，这被认为与分别利用5 MHz、4 MHz、2 MHz和1 MHz传感器进行超声法测得的结果完全等价。

图4-17　VFEM计算的环向（a）和轴向（b）平均残余应力在深度上与超声LCR波穿透深度相当

残余应力的平均值适用于超声波应力测量结果的验证。图4-18和图4-19显示了使用不同LCR检测频率测量的环向和轴向残余应力。

图4-18　使用不同LCR检测频率测得的环向残余应力

图4-19　使用不同LCR检测频率测得的轴向残余应力

从图4-18和图4-19可以看出，VFEM分析的残余应力与超声法得到的残余应力之间存在一个可接受的一致性。此外，当测量时使用较低的测试频率（1 MHz比2 MHz好，而5 MHz的情况下一致性最差），上述一致性就能更好地实现。所以超声法能够以可接受的精度测量Monel合金中的次表面残余应力。