一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力的方法

摘要

本发明提供了一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力的方法，包括以下步骤：选择超声波特征频率，获取所述特征频率下的特征衰减系数；获得表面不平度补偿系数，确定被测铝合金预拉伸板的晶粒度补偿系数，确定铝合金预拉伸板疏松补偿系数值，确定被测铝合金预拉伸板的与材料特性相关的常数，得到残余应力值方程；选择超声波探头；在残余应力试块上进行校准，并对系统增益补偿进行校正；对待测板材进行超声波扫描；生成残余应力场图谱。采用此技术方案，降低了表面不平度的影响，使得到的残余应力的定量值更加准确，具有更大的厚度适用范围，降低了板材疏松和板材晶粒度因素对残余应力检测精度的干扰。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测领域，尤其涉及一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应 力的方法。

背景技术

现代航空制造业正在向飞机大型整体化部件制造的方向发展。铝合金板材中存在 大量的残余应力将会导致严重的后果。2XXX系、7XXX系铝合金的固溶淬火工艺是导 入残余应力的主要原因。但是，为了在时效处理后获得更优的综合性能，2XXX系、 7XXX系铝合金的固溶淬火工序却是必不可少的。铝合金预拉伸板制造商往往使用大 吨位的预拉伸机对固溶淬火后的铝合金板材进行拉伸，从而使板材中的应力重新分布。 为了判断拉伸工序对铝合金板应力消减的效果，航空工业迫切需要一种快速、低成本、 直观地表征板材残余应力的无损检测方法。

目前，钻孔法、多孔方差法、裂纹柔度法等理化方法和射线衍射法等无损检测方 法较成熟地应用于材料的残余应力测量，也有越来越多的研究者公开了使用超声波方 法测量材料的残余应力。如专利98806517.7公开了一种使用超声波测量金属试样残余 应力的方法，该方法在选择的入射选通时间计算测量的超声入射波和一个基本频率的 周期波的入射卷积积分值。但是该方法未使用残余应力校准试块进行标定，因此仅能 生成残余应力分布图谱，但不能对残余应力值进行定量；另外，该方法未考虑轧制板 材疏松和板材晶粒度对残余应力检测的影响。

专利201310533626.4也公开了一种铝合金预拉伸板残余应力水浸超声波方法。该 方法使用一个探头发射、另一个探头接收的方式进行检测。但是此方法的检测精度受 表面不平度影响较大，仅适用于薄板表面的残余应力检测；另外，该方法使用的残余 应力试块利用过盈配合的方法向残余应力试块导入残余应力，这样每个批次的板材都 需制备一个残余应力试块，这个过程需要耗费大量资金和时间，成本很高。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供了一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力 的方法，降低了表面不平度的影响，使得到的残余应力的定量值更加准确，且具有更 大的厚度适用范围，并降低了板材疏松和板材晶粒度因素对残余应力检测精度的干扰。

对此，本发明采用技术方案为：一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力的 方法，包括以下步骤：

步骤S1：选择超声波特征频率A，获取所述特征频率A超声波在被测铝合金预拉 伸板中往返一次的特征衰减系数α_A；所述特征频率A值不小于10MHz，不大于40MHz；

步骤S2：将特征衰减系数换算为残余应力值；具体方法为：通过超声波方法获得 表面不平度补偿系数η；通过金相分析获取被测铝合金预拉伸板的晶粒度，确定被测 铝合金预拉伸板的晶粒度补偿系数μ；通过加工过程的总轧制压下率确定铝合金预拉 伸板疏松补偿系数ξ值；通过与XRD射线衍射法比对，确定与材料特性有关的常数a 和常数b；然后根据步骤S1得到的特征衰减系数α_A，得到被测铝合金预拉伸板的残余 应力值方程S＝exp(bα_A+a)×η×μ×ξ；

步骤S3：选择超声波探头；

步骤S4：在残余应力试块上进行校准；

步骤S5：根据步骤S4在残余应力试块上校准标定的残余应力数值，对系统增益 补偿进行校正；所述系统增益补偿是指在校准过程中，发现试块实际测量值与试块标 称值不符时，调整距离波幅校正曲线，使最终试块实际测量值与试块标称值的偏差在 允许的不确定度范围内；

步骤S6：对被测铝合金预拉伸板进行超声波扫描；

步骤S7：生成残余应力场图谱。

步骤S1～步骤S3的顺序可以进行调换，步骤S1和步骤S2可以在步骤S6完成后 进行。优选的，先执行步骤S3、步骤S4、步骤S6(完成步骤S6时保存被检测板材的 扫描数据)，再对扫描数据进行步骤S1和步骤S2的数据处理，然后执行步骤S7生成 残余应力场图谱。同时此方案也适用于其他金属板材的残余应力的检测。

上述方案中，将特征衰减系数换算为残余应力值的运算方程可以使用实际实验建 立的数据库进行替代，即采用实际实验的方式获取数据，将铝合金预拉伸板的特征衰 减系数与残余应力数值一一对应起来，形成完整的数据库，在检测过程中，利用数据 库完成特征衰减系数与残余应力值的转换。

此技术方案独特地采用特征频率的数据采集方式，并用该数据计算特征衰减系数， 提高了残余应力检测的灵敏度。

进一步优选的，所述超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力的方法应用于铝合 金预拉伸板的残余应力评估。

作为本发明的进一步改进，将所述特征衰减系数换算为残余应力值采用以下方法： 通过超声波方法获得表面不平度补偿系数η；通过金相分析获取被测铝合金预拉伸板 的晶粒度，确定被测铝合金预拉伸板的晶粒度补偿系数μ；通过加工过程的总轧制压 下率确定铝合金预拉伸板疏松补偿系数ξ值；通过与XRD射线衍射法比对，确定被测 铝合金预拉伸板的常数a和常数b，所述常数a和常数b与被测铝合金预拉伸板的材 料特性有关，每种合金牌号和合金状态对应的常数a和常数b不同，需实际测量而定。 然后根据步骤S1得到的特征衰减系数α_A，得到被测铝合金预拉伸板的残余应力值方 程S＝exp(bα_A+a)×η×μ×ξ。

特征频率A的超声波衰减主要与残余应力、晶粒度、材料本身存在的密集型缺陷 (例如疏松)和表面的不平度等有关。本发明的技术方案为了准确地获得残余应力的 数值，同时考虑到表面不平度、晶粒度、疏松对被测板材的残余应力检测的干扰，在 残余应力值方程中将干扰因素造成的影响进行排除。并引入板材疏松和板材晶粒度补 偿系数，降低板材疏松和板材晶粒度因素对残余应力检测精度的干扰。

综合而言，本发明的技术方案创造性的通过建立数据库的方式，将表面不平度、 晶粒度、疏松的影响因素纳入到残余应力的计算式中，减少了干扰，提高了残余应力 检测的精度和准确度。

作为本发明的进一步改进，所述表面不平度补偿系数η的获取方法为：将跟踪闸 门放置在被检测材料上表面回波信号上，在对被检测材料的扫描过程中获取板材表面 不平度数据，从而计算出表面不平度补偿系数η。

作为本发明的进一步改进，铝合金预拉伸板疏松补偿系数ξ值由总轧制压下率决 定，总轧制压下率大于或等于80％的，ξ为1.0；总轧制压下率为60％～80％，ξ为0.1～1.0。

进一步优选的，所述铝合金预拉伸板疏松补偿系数ξ值由第一轧制道次压下量和 总轧制压下率综合决定。当第一轧制道次压下量达到20mm以上时，总轧制压下率大 于或等于70％时，ξ为1.0。

作为本发明的进一步改进，所述被测铝合金预拉伸板的晶粒度采用在被测铝合金 预拉伸板的头部和尾部分别截取样品进行金相分析获得。

作为本发明的进一步改进，所述被测铝合金预拉伸板的晶粒度采用超声波方法检 测被测铝合金预拉伸板得到。

作为本发明的进一步改进，所述特征衰减系数的获取步骤为：在10MHz～40MHz 中选择特征频率A，对被测铝合金预拉伸板进行超声扫描，获取所述特征频率A超声 波对被测铝合金预拉伸板的第一次上表面波波幅H₁和第一次底波波幅H₂，并测试被检 测板材厚度T，然后按照计算得到特征衰减系数α_A。

现有的测量衰减系数方法是直接测量第一次上表面回波波幅和第一底面回波波 幅，从而计算出全波衰减系数。但是，由于超声波探头所发射出的超声波频率除了标 称值的中心频率外，还发射其他频率的超声波，由于各种频率的超声波与板材内部组 织的相互作用复杂，使用全波衰减系数作为残余应力检测的数据源将带来较大的干扰。 为了尽可能减少其他频率超声波给残余应力测量带来误差，本发明仅使用某个特定频 率的超声波对残余应力进行测量，在10MHz～40MHz中选择一个特定的值，称为特征 频率A。所述特征频率A优选15MHz～25MHz之间的一个定值，更优选为20MHz。使 用特征频率A超声波的第一次上表面波波幅和第一次底波波幅计算出特征频率超声波 在被检测材料中往返一次的特征衰减系数，从而提高残余应力检测的灵敏度。

作为本发明的进一步改进，所述超声波探头为频率为10MHz～40MHz的接触式直 探头或水浸式超声波探头或相控阵超声波探头。为表征残余应力的较佳频率范围，超 声波频率范围优选为15MHz～25MHz。

作为本发明的进一步改进，所述待测板材的厚度为6～12mm时，采用水浸式聚焦 探头；所述待测板材的厚度大于12mm时，采用水浸式平探头或者水浸式相控阵超声 波探头；需要携带仪器到现场检测时，采用接触式直探头。采用此技术方案，得到的 残余应力值更准确。

作为本发明的进一步改进，所述残余应力试块从残余应力为0～60MPa的铝合金预 拉伸板材上截取。

作为本发明的进一步改进，所述残余应力试块从残余应力为0～20MPa的铝合金预 拉伸板材上截取。

上述技术方案使用的残余应力试块是近无应力试块，这种试块由于自身的残余应 力值非常低，所以材料状态较稳定，不容易发生高残余应力试块面临的蠕变、应力松 弛、应力腐蚀等问题，测定的残余应力标定值更加稳定，使超声波测试残余应力的定 量更加准确，同时降低了成本。

作为本发明的进一步改进，所述残余应力试块的厚度为6mm～250mm，所述残余 应力试块的宽度为100mm～1000mm，长度为100mm～1000mm。

作为本发明的进一步改进，所述残余应力试块为从7050-T7451铝合金预拉伸板材 上截取，厚度为76mm，宽度为200mm，长度为200mm。

作为本发明的进一步改进，所述残余应力试块的残余应力值采用XRD方法进行测 量；至少每年使用XRD方法测量一次所述残余应力试块的残余应力数值，并重新进行 标定。进一步优选的，根据客户标准要求定制残余应力水平为合格临界的残余应力试 块，称为判定用残余应力试块。在检测过程中如果被检测铝合金预拉伸板的残余应力 水平高于判定用残余应力试块则判为不合格；在检测过程中如果被检测铝合金预拉伸 板的残余应力水平低于判定用残余应力试块则判为合格。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S6，对待测板材进行超声波扫描时，超声波 水距为50mm～120mm，低通滤波为25～50MHz，高通滤波设置为5～15MHz，扫描方法 采用步进式100％扫描，超声波声束覆盖10％以上，扫描速度小于300mm/s。根据被检 测板材厚度设置脉冲重复频率，需保证检测过程中不产生幻影波。

作为本发明的进一步改进，进行超声波扫描时，作为耦合剂的水的温度为7℃ ～37℃，且在整个超声波扫描检测过程中，水的温度波动小于±2℃。开始检测时就测 量作为耦合剂的水的温度，确保该温度处于7℃～37℃范围。采用此技术方案，避免温 度波动降低残余应力检测的精度。

作为本发明的进一步改进，所述残余应力场图谱中，采用暖色点代表残余应力数 值大的点，使用冷色点代表残余应力数值小的点，并附带相应颜色对应残余应力数值 的标尺。采用此技术方案，更直观地表示残余应力在铝合金预拉伸板各个坐标的数值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，本发明的技术方案在检测过程中获得整块板材的不平度数据，并使用该不 平度数据进行残余应力检测结果的补偿，从而降低表面不平度对测得的残余应力精度 的影响；

第二，本发明的技术方案采用脉冲直声束技术对待测板材进行超声波扫描，其受 板材厚度的限制很小，大大降低了板材厚度的影响因素，具有更大的厚度适用范围；

第三，本发明的技术方案独特地采用特征频率的数据采集方式，并用该数据计算 特征衰减系数，提高了残余应力检测的灵敏度；

第四，引入板材疏松和板材晶粒度补偿系数，降低板材疏松和板材晶粒度因素对 残余应力检测精度的干扰；

第五，本发明的技术方案同时考虑到表面不平度、晶粒度、疏松对被测板材的残 余应力检测的干扰，创造性的通过建立数据库的方式，将表面不平度、晶粒度、疏松 的影响因素纳入到残余应力的计算式中，提高了残余应力检测的精度和准确度；为残 余应力的评估提供了一种新的构思；

第六，本发明的技术方案使用的残余应力试块是近无应力试块，这种试块由于自 身的残余应力值非常低，所以材料状态较稳定，不容易发生高残余应力试块面临的蠕 变、应力松弛、应力腐蚀等问题，测定的残余应力标定值更加稳定，使超声波测试残 余应力的定量更加准确，同时降低了成本。

附图说明

图1是本发明实施例1将板材通过人工方法导入残余应力的示意图；

图2是本发明实施例1生成的残余应力图谱；

图3是本发明实施例1生成的残余应力3D视图；

图4是本发明实施例2中频率为15MHz的超声波探头的频谱图频率；

图5是本发明实施例2生成的残余应力场图谱；

图6是本发明实施例2生成的残余应力场3D视图。

图中标记：1-7075板材；2-支架；3-冷水；4-水管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

被检测板材为7075铝合金板材，规格为厚度20mm，宽度200mm，长度300mm。 残余应力试块从7075铝合金预拉伸板材上截取，规格为厚度20mm，宽度150mm，长 度150mm。采用XRD射线衍射方法对所述残余应力试块进行测量，测得所述残余应 力试块的残余应力值为20MPa，并在残余应力试块上进行标定。

被检测板材通过人工方法导入残余应力，见图1所示，将该7075板材1放在加热 炉中升温至475℃，保温4小时。然后将7075板材1迅速转移至悬空的支架2上。在 支架2的中心固定一根带喷嘴的水管4。冷水3通过水管4喷射至7075板材1的表面， 使7075板材1以不均匀的冷却速度快速冷却至室温。由于7075板材1仅一个点受到 快速冷却，导致7075板材1上留下较高的残余应力。

使用本发明所述方法对所述单点淬火的7075板材进行残余应力分析，具体操作步 骤如下：

(1)建立特征衰减系数的运算程序：

测试被检测板材厚度，得到被检测板材厚度T；将同步闸门和上表面波闸门放置 在被检测板材第一次上表面回波上。将底面波闸门放置在第一次底面回波上。同时将 信号采集设置为仅采集频率为20MHz的超声波信号。在第一次上表面回波的傅里叶空 间里选择特征频率20MHz并记录特征波幅H₁；同时在第一次底面回波的傅里叶空间 里选择特征频率20MHz并记录特征波幅H₂。将H₁和H₂代入方程式 计算出特征衰减系数。其中，T是被检测板材厚度；α_20MHz是特 征衰减系数。

(2)建立特征衰减系数换算为残余应力值的运算程序：

表面不平度补偿系数η通过超声波方法获取。具体实施方式是将跟踪闸门放置在 被检测板材上表面回波信号上。在对铝合金预拉伸板扫描过程中即可获取板材表面不 平度数据并生成C扫描图，通过C扫描图上的渡越时间数值计算出各个坐标点的表面 不平度补偿系数η；

在被铝合金预拉伸板的头部和尾部分别截取样品进行金相分析，晶粒度均为一级， 从而确定晶粒度补偿系数μ；

被检测板材在热轧过程中第一轧制道次压下量为20mm，总轧制压下率为80％。 使用这2个数据确定疏松补偿系数ξ值；

对于7075铝合金板材，其常数a和常数b分别为32.02和1.24，将得到的a、b、 α_20MHz、η、μ和ξ值代入残余应力值方程式S＝exp(bα_A+a)×η×μ×ξ中，得到残余 应力方程。

(3)将频率为15MHz，直径为12.7mm的水浸式超声波平探头安装到超声波设备 上。

(4)在残余应力试块上进行校准。残余应力显示值为15MPa。

(5)调整系统增益补偿使残余应力显示值等于残余应力试块上的标称值20MPa。

(6)对被检测板材进行100％覆盖的超声波扫描，超声波水距为70mm；低通滤 波设置为40MHz，高通滤波设置为5MHz，扫描步进为2mm，从而保证对板材100％ 扫描；脉冲重复频率设置为500Hz，扫描速度为100mm/s，检测过程中作为耦合剂的 水的温度为25±2℃。

(7)生成残余应力场图谱：

将步骤(6)所获得的整块板的A扫描数据，即得到的全波扫描数据导入专用数据 处理软件，该专用数据处理软件包含步骤(1)和步骤(2)所述运算程序，得到被检 测板材的残余应力场图谱如图2所示，残余应力场的3D视图如图3。

实施例2

被检测板材为7050-T7451铝合金板材，被检测的7050-T7451铝合金板材采用拉 伸率为2.5％的拉伸应力消减工序，规格为厚度76mm，宽度260mm，长度260mm。残 余应力试块从7050-T7451铝合金板材上截取，规格为厚度76mm，宽度200mm，长度 200mm。采用XRD射线衍射方法测得残余应力试块的残余应力值为18MPa，并在残余 应力试块上进行标定。对被检测板材进行残余应力测量，步骤如下：

(1)将频率为15MHz，直径为12.7mm的水浸式超声波平探头安装到超声波设备 上，所述频率为15MHz的超声波探头的频谱图如图4所示。

(2)在残余应力试块上进行校准。残余应力显示值为22MPa。

(3)调整系统增益补偿使残余应力显示值等于残余应力试块上的标称值18MPa。

(4)对被检测板材进行100％覆盖的超声波扫描。超声波系统数据采集记录模式 设置为记录A扫描。也可以理解为超声波系统被设置为在扫描过程中记录全波扫描数 据，以便扫描结束后使用专用软件对该数据进行处理。超声波水距为75mm，低通滤波 设置为35MHz，高通滤波设置为5MHz；扫描步进为2mm，从而保证对板材100％扫 描；脉冲重复频率设置为400Hz；扫描速度为80mm/s；检测过程中作为耦合剂的水的 温度为25±2℃。

(5)建立特征衰减系数的运算程序。测试被检测板材厚度，得到被检测板材厚度 T。然后将同步闸门和上表面波闸门放置在被检测板材第一次上表面回波上，将底面波 闸门放置在第一次底面回波上。同时将信号采集设置为仅采集频率为15MHz的超声波 信号。在第一次上表面回波的傅里叶空间里选择特征频率15MHz并记录特征波幅H₁； 同时在第一次底面回波的傅里叶空间里选择特征频率15MHz并记录特征波幅H₂。将 H₁和H₂代入方程式计算出特征衰减系数。其中，T是被检测板 材厚度；α_15MHz是特征衰减系数。

(6)建立特征衰减系数换算为残余应力值的运算程序：

表面不平度补偿系数η通过超声波方法获取。具体实施方式是将跟踪闸门放置在 被检测板材上表面回波信号上。在对铝合金预拉伸板扫描过程中即可获取板材表面不 平度数据并生成C扫描图，通过C扫描图上的渡越时间数值计算出各个坐标点的表面 不平度补偿系数η；

在被铝合金预拉伸板的头部和尾部分别截取样品进行金相分析，晶粒度均为一级， 从而确定晶粒度补偿系数μ；

被检测板材在热轧过程中第一轧制道次压下量为15mm，总轧制压下率为75％。 使用这2个数据确定疏松补偿系数ξ值；

对于7050-T7451铝合金板材，其中常数a和常数b分别为29.23和1.32，将得到 的a、b、α_20MHz、η、μ和ξ值代入残余应力值方程式将特征衰减系数α_15MHz的值代 入残余应力值方程式S＝exp(bα_A+a)×η×μ×ξ。

(7)生成残余应力场图谱：

将步骤(4)所获得的整块板的A扫描数据，即将得到的全波扫描数据导入专用数 据处理软件。该专用数据处理软件包含步骤(5)和步骤(6)所述运算程序。执行步 骤(7)得到被检测板材的残余应力场图谱如图5所示，残余应力场的3D视图如图6 所示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本 发明的保护范围。