用于宏观面外变形平板焊件的超声波残余应力测试方法

摘要

一种用于宏观面外变形平板焊件的超声波残余应力测试方法，步骤如下：A1、在平板焊件的待测区域内粘贴应变片，应变片所测试应变方向与将要进行的超声波残余应力测试的超声波传播方向一致；A2、施加外力使平板焊件的宏观面外变形消失并维持平整状态；A3、读取待测区域内应变片测得的应变值ε，计算待测区域消除反变形产生的力σw，σw＝Eε，E为平板焊件材料在应变测试方向的弹性模量；A4、清除待测区域上的应变片，对待测区域进行超声波残余应力测试，得到残余应力测量值σc；A5、根据待测区域消除反变形产生的力σw和残余应力测量值σc，确定平板焊件待测区域的实际残余应力值σ，σ＝σc-σw。该方法可以显著提高超声波对存在宏观面外变形平板焊件的残余应力测试精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种解决平板焊件的宏观面外形导致超声波耦合状态以及传播路径变化的超 声波残余应力测试方法，属于焊接残余应力的无损检测领域。

背景技术

搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，由一个圆柱体或其他形状(如带螺 纹圆柱体)的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从 而使连接部位的材料温度升高软化。搅拌摩擦焊接属于非熔化焊接，具有焊后无余高，焊接 缺陷较少，焊缝成型良好，焊缝强度可达到母材强度，可实现异种材料焊接等优点，在航空 航天、轨道车辆、船舶制造行业等有着广泛的应用。平板件的焊接最常用的方式为单轴肩搅 拌摩擦焊接。在单轴肩搅拌摩擦焊过程中，由于平板焊件上下面的残余应力状态差异较大， 常会引起平板焊件的宏观面外变形。搅拌摩擦焊接残余应力分布状态的无损评定，对搅拌摩 擦焊接变形以及残余应力状态控制调整具有重要意义。

超声波法测量残余应力属于间接性测量，超声波在待测样中的传播速度与待测样中的残 余应力存在着声弹性关系，即超声波的在待测样中的传播速度和待测样中的残余应力基本呈 现线性关系。根据超声波与待测样残余应力之间的关系，可以对待测样的残余应力进行测试。 使用最为广泛的超声波为临界折射纵波，当纵波探头以一定角度斜射入测试平面时，会折射 出平行于测试平面的纵波，该纵波称为临界折射纵波。目前临界折射纵波多用于对平面工件 的残余应力测试，对于有较为明显的宏观变形面，即具有一定曲率的平面残余应力测试，主 要存在以下问题：1、固定超声波的楔块与测试平面不能良好贴合；2、临界折射纵波不能沿 着平行表面传播，实际传播路径与名义传播路径具有较为明显差异。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于宏观面外变形平板焊件的超声波残余应力测试方法。该方 法可以解决固定超声波楔块在焊件的测试平面耦合状态差，超声波实际传播路径与名义路径 差异问题，可以显著提高超声波对存在宏观面外变形平板焊件的残余应力测试精度。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种用于宏观面外变形平板焊件的超声波 残余应力测试方法，其步骤如下：

A1、在平板焊件的待测区域内粘贴应变片，应变片所测试的应变方向与将要进行的超声 波残余应力测试的超声波传播方向一致；

A2、施加外力使平板焊件的宏观面外变形消失并维持平整状态；

A3、读取待测区域内应变片测得的应变值ε，计算待测区域消除反变形产生的力σ_w， σ_w＝Eε，其中E为平板焊件材料在应变测试方向的弹性模量；

A4、清除待测区域上的应变片，对待测区域进行超声波残余应力测试，得到平板焊件处 于平整状态时待测区域的残余应力测量值σ_c；

A5、根据A3步得到的待测区域消除反变形产生的力σ_w和A4步得到的待测区域的残余 应力测量值σ_c，确定平板焊件待测区域的实际残余应力值σ，σ＝σ_c-σ_w。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

搅拌摩擦焊接由于焊接上下面的应力状态差异较大，容易出现较为明显的宏观面外变形， 形成带有一定曲率的测试面。对固定超声波楔块与测试面的耦合状态产生较为明显的影响， 以及测试形成的测试平面容易导致超声波的实际传播距离与名义距离存在较为明显差异。本 发明首先对需要进行超声波残余应力的焊接特征区域(待测区域)粘贴应变片，然后通过施 加外载荷消除平板焊件的宏观面外变形，变形消除后，根据应变片测得的应变值确定消除反 变形产生的力，然后清除应变片并清洗测试平面，再用超声波对待测区域进行残余应力测试， 再根据残余应力测试值，反推出平板焊件的实际应力状态。上述方法解决了固定超声波楔块 在测试平面耦合状态差，超声波实际传播路径与名义路径差异问题，显著提高了超声波对存 在宏观面外变形平板焊件的残余应力测试精度。

进一步，本发明所述平板焊件的待测区域为需要进行超声波残余应力测试的焊接特征区 域。

更进一步，本发明所述平板焊件的待测区域的宽度为5-15mm，长度为30-70mm。

这样，可以保证平板焊件每个待测区域与在超声波残余应力测试中超声波传播的区域相 一致，即消除反变形产生的力σ_w对应的待测区域与残余应力测量值σ_c对应的待测区域基本一 致，从而保证最后得到的待测区域实际残余应力值的准确性。

再进一步，本发明所述在平板焊件的每个待测区域内粘贴的应变片不少于4个，步骤A3 中读取待测区域内应变片测得的应变值ε是待测区域内所有应变片测得的平均应变值。

通过多个应变片测得的应变值计算平均应变值，可以保证计算待测区域消除反变形产生 的力σ_w的准确性。

再进一步，本发明所述步骤A2施加外力使平板焊件的宏观面外变形消失并维持平整状 态的具体操作是：将平板焊件放到平整试样台，通过刚性夹具施加外力，减少平板焊件由于 焊接产生的宏观面外变形，通过三坐标测量仪检测平板焊件的平整度，根据三坐标测量仪检 测结果，调动刚性夹具，使宏观面外变形完全消失，使平板焊件处于完全平整的状态。

这样，可以完全消除平板焊件待测区域的宏观面外变形，使之处于平整状态，保证得到 的待测区域消除反变形产生的力σ_w的准确性，也同时使A4步进行超声波残余应力测试时超 声波楔块与焊件的测试平面之间耦合状态良好，保证测试的精确度。

再进一步，本发明所述步骤A3中所用的平板焊件材料在应变测试方向的弹性模量E的 测量方法为：根据待测平板焊件材料加工弹性模量测试样，且弹性模量测试样长度方向与所 述应变测试方向一致，通过拉伸标定方式测量测试样的弹性模量。

这样，能准确测试出平板焊件材料在应变测试方向的弹性模量，进一步保证最终得到的 测试区域实际残余应力的准确性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例中经过搅拌摩擦焊焊接后存在宏观面外变形的平板焊件截面示意 图。

图2为本发明实施例划分好待测区域的平板焊件俯视示意图。

图3为本发明实施例对平板焊件的待测区域进行超声波残余应力测试的测试点分布示意 图。

图4为本发明实施例步骤A1在每个待测区域内粘贴应变片的平板焊件俯视示意图。

图5为本发明实施例步骤A2施加载荷消除平板焊件的宏观面外变形示意图。

图6为本发明实施例通过盲孔法测量平板焊件待测区域的测试点分布示意图。

图7为本发明实施例通过不同方法测得的残余应力值对比图。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是：一种用于宏观面外变形的平板焊件的超声波残余应力测 试方法，其步骤如下：

A1、在平板焊件的待测区域内粘贴应变片，应变片所测试的应变方向与将要进行的超声 波残余应力测试的超声波传播方向一致；

A2、施加外力使平板焊件的宏观面外变形消失并维持平整状态；

A3、读取待测区域内应变片测得的应变值ε，计算待测区域消除反变形产生的力σ_w， σ_w＝Eε，其中E为平板焊件材料在应变测试方向的弹性模量；

A4、清除待测区域上的应变片，对待测区域进行超声波残余应力测试，得到平板焊件处 于平整状态时待测区域的残余应力测量值σ_c；

A5、根据A3步得到的待测区域消除反变形产生的力σ_w和A4步得到的待测区域的残余 应力测量值σ_c，确定平板焊件待测区域的实际残余应力值σ，σ＝σ_c-σ_w。

本例中所述平板焊件的待测区域为需要进行超声波残余应力测试的焊接特征区域，待测 区域的宽度为5-15mm，长度为30-70mm。

本例中所述在平板焊件的每个待测区域内粘贴的应变片不少于4个，步骤A3中读取待 测区域内应变片测得的应变值ε是待测区域内所有应变片测得的平均应变值。

本例中所述步骤A2施加外力使平板焊件的宏观面外变形消失并维持平整状态的具体操 作是：将平板焊件放到平整试样台，通过刚性夹具施加外力，减少平板焊件由于焊接产生的 宏观面外变形，通过三坐标测量仪检测平板焊件的平整度，根据三坐标测量仪检测结果，调 动刚性夹具，使宏观面外变形完全消失，使平板焊件处于完全平整的状态。

本例中所述步骤A3中所用的平板焊件材料在应变测试方向的弹性模量E的测量方法为： 根据待测平板焊件材料加工弹性模量测试样，且弹性模量测试样长度方向与所述应变测试方 向一致，通过拉伸标定方式测量测试样的弹性模量。

为了证明本发明方法的测量准确性，选取材料为2219铝合金平板焊件，进行搅拌摩擦焊 接，焊接完成后平行焊缝方向出现了较为明显的面外宏观面外变形，如图1所示。

将平板焊件的需要测量残余应力的部分划分为36个待测区域，如图2所示，a为平板焊 件的需要测量残余应力的区域，b为划分的待测区域。取每个待测区域的中心点为超声波残 余应力测试的测试点，共36个，直接进行超声波残余应力测试，测试点的分布如图3所示， 测得的结果如图7中分布线K1所示。

按照步骤A1，在平板焊件每个待测区域内粘贴4个应变片，如图4所示，c为待测区域 内粘贴的应变片。按照步骤A2通过刚性夹具施加外力，使平板焊件由于焊接产生的宏观面 外变形消失，使平板焊件处于平整状态；图5示出施加外力消除平板焊件的宏观面外变形示 意图，F1、F2为在平板焊件两边缘施加的力。按照步骤A3，计算每个待测区域消除反变形 产生的力。按照步骤A4将平板焊件待测区域表面清洗干净，对处于平整状态的平板焊件的 每个待测区域进行超声波残余应力测试，超声波残余应力测试的测试点和上述未进行处理进 行超声波残余应力测试的测试点相同，均为每个待测区域的中心点。按照步骤A5确定平板 焊件待测区域中每个待测区域的实际残余应力值，如图7中分布线K2所示。

释放外部载荷，使平板焊件恢复原有的初始变形状态，对其使用行业统一认可的有损测 试方法盲孔法对其进行残余应力测试，如图6所示，d表示通过盲孔法测量平板焊件待测区 域残余应力的测试点。测得的结果如图7中K3分布点所示。

从图7中可以看出未使用本发明方法的应力测试结果(K1)普遍比使用该发明方法的测 试结果(K2)要大，使用行业统一认可的盲孔法进行比较测试，盲孔法的应力测试结果(K3) 与使用本发明法所测试结果(K2)更为接近，证明了该方法的实用性，解决了固定超声波楔 块在测试平面耦合状态差，超声波实际传播路径与名义路径差异问题，显著提高了超声波对 存在宏观面外变形平板焊件的残余应力测试精度。