基于声弹性理论的超声波评价焊接残余应力基础研究

摘要

焊接结构质量控制贯穿于焊接过程的各个环节，它不仅是保证焊接结构产品安全、高效融入市场循环的关键，而且也是推动焊接技术在工业领域得到可持续发展的关键。焊接残余应力是影响甚至决定焊接结构质量的关键因素，因而对焊接残余应力进行评价是实现焊接结构质量保障的可行手段。但目前焊接残余应力评价方法均存在一定问题，因而探讨一种适用于焊接残余应力评价的技术方法就亟待解决。
　　鉴于此，本课题以不锈钢、碳钢、铝合金焊接结构为研究对象，基于临界折射纵波（Lcr波）声弹性理论，探讨了Lcr波评价其残余应力的技术方法与机理，借助互相关理论探讨了互相关步长对Lcr波评价焊接残余应力结果精度的影响规律，揭示了其影响机理；通过热处理工艺，制备并探讨了晶粒尺寸对Lcr波声弹性系数的影响规律，获得了晶粒尺寸与Lcr波声弹性系数间的映射关联，结合弹塑性变形理论澄清了晶粒尺寸对Lcr波声弹性系数的影响机理；借助不同焊接方法，获得了不同结构形式的焊接接头，提出了晶粒尺寸影响Lcr波评价焊接残余应力的修正方法，实现了Lcr波评价焊接残余应力的研究。
　　基于Lcr波声弹性理论，推导出适用于Lcr波评价焊接残余应力的传播时间差-应力理论公式，并实现了互相关步长的优化研究。结果表明：互相关步长是影响超声波声时差计算结果的关键因素，随互相关步长增大，Lcr波传播时间差结果精度逐渐提高，当互相关步长达到1周期时，再随互相关步长增大，Lcr波传播时间差结果基本保持不变。综合认为，1周期长度为最佳互相关步长。
　　借助Lcr波声弹性系数标定试验，通过断口形貌明确了Lcr波评价304L不锈钢、碳钢（Q235钢和45钢）、6061铝合金应力的机理，建立了其晶粒尺寸对Lcr波声弹性系数的对应关系，揭示了其影响机理。结果表明：随应力增大，Lcr波在304L不锈钢、碳钢（Q235钢和45钢）、6061铝合金中的传播速度逐渐减小，当应力达到应力转折点时，再随应力增大，Lcr波在其中的传播速度随应力呈不规则变化。分析认为304L不锈钢、碳钢（Q235钢和45钢）、6061铝合金的各向异性组织结构引起的不均匀弹塑性变形是导致上述结果的根本原因；随晶粒尺寸增大，304L不锈钢、碳钢（Q235钢和45钢）、6061铝合金的Lcr波声弹性系数均逐渐减小，其变化速率亦逐渐变小。
　　借助晶粒尺寸和Lcr波声弹性系数间对应关系，实现了Lcr波评价304L不锈钢T型接头、碳钢激光焊对接接头、6061铝合金双轴间搅拌摩擦焊接头（SR-FSW）残余应力的研究，明确了其修正方法，并采用小孔法对其修正结果进行了验证。结果表明：Lcr波评价304L不锈钢T型接头、碳钢激光焊对接接头、6061铝合金SR-FSW残余应力与焊接残余应力理论分布规律基本吻合，与小孔法评价结果的最大误差分别为31、29和25MPa，在误差允许范围内。这也就表明本研究中的Lcr波评价焊接残余应力方法是可行的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2 焊接残余应力评价方法

1.3 超声波评价应力的研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 试验材料、方法及设备

2.1 试验材料

2.2 焊接接头制备

2.3 焊接残余应力评价及分析测试设备

第3章 超声波信号分析方法理论研究

3.1 超声波评价应力的理论基础

3.2 临界折射纵波产生机理

3.3 超声波传播时间差计算理论与方法研究

3.4 本章小结

第4章 临界折射纵波评价焊接残余应力机理研究

4.1 临界折射纵波评价应力试验研究

4.2 Lcr波评价应力机理研究

4.3 晶粒尺寸影响Lcr波评价应力机理及其修正方法研究

4.4 本章小结

第5章 焊接残余应力评价结果与验证

5.1 304L不锈钢T型接头残余应力评价与验证

5.2 激光焊对接接头残余应力评价与验证

5.3 6061铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接接头残余应力评价与验证

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位阶段研究成果

致谢