航天器鋁合金結(jié)構(gòu)殘余應力超聲波檢測方法研究

徐麗霞，李偉煜，劉戰(zhàn)捷，李大海，楊耀東，朱小溪，周雙鋒

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

0 引言

殘余應力是工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量評定的重要依據(jù)[1-2]，對航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的可靠性有著重大的影響[3]。殘余應力的不同檢測方法各有特點，也各有一定的局限性。小孔法、切槽法的檢測精度高，但是對試件有破壞性，不適用于航天產(chǎn)品的檢測。目前，X射線衍射法作為一種比較成熟的無損檢測方法，是殘余應力檢測的主要手段[4-5]。X射線衍射法具有較高的精度，但是這種方法對粗晶等材料的測試尚有困難，某些材料很難找到衍射面，材料存在織構(gòu)、粗晶時數(shù)據(jù)離散度增加，X射線測試設備也比較復雜，檢測效率很低。磁性測定法對工件表面質(zhì)量要求低，但測量結(jié)果受多種因素影響，可靠性和精度差，測量值標定困難，對材質(zhì)較為敏感，僅能用于鐵磁材料的測量。小孔電子散斑法的測試精度高、對樣品表面無要求、適合于鋁合金等晶粒粗大的金屬的殘余應力測試，但是該方法對被測試件有一定的破壞性，屬于微損傷檢測方法。利用聲彈性原理的超聲波法近年來發(fā)展迅速，特別是LCR波的應用[6-7]，為超聲波殘余應力檢測開辟了新的思路，在航天產(chǎn)品殘余應力檢測方面具有廣闊的應用前景。

目前，超聲波檢測對于平面應力場的研究大部分基于單向應力狀態(tài)，少有考慮雙向應力共同作用的情況[8-9]。對于金屬材料實際狀態(tài)存在復雜的應力場，使用單軸應力狀態(tài)下的應力系數(shù)，測量結(jié)果有偏差。為了正確地測量材料表面的應力分布，本研究采用航天結(jié)構(gòu)常用5A06鋁合金作為被測材料，分別對單向和雙向應力狀態(tài)的鋁合金試件采用臨界折射縱波法進行測試，得到單向和雙向應力曲線，確定單、雙向應力狀態(tài)下的應力系數(shù)。對比分析結(jié)果表明，單向加載條件和雙向加載條件下的應力系數(shù)及應力數(shù)值存在差異。研究結(jié)果可為生產(chǎn)實際過程中的航天器鋁合金殘余應力的精確評估提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗設備

試驗采用的LCR波殘余應力檢測系統(tǒng)框圖見圖1，共有6大模塊組成。測量系統(tǒng)實物圖如圖2所示，探頭頻率為5 MHz。雙向加載采用平面雙軸疲勞試驗機(圖3)，極限拉伸載荷為250 kN。

1.2 試樣

為了更真實地標定應力系數(shù)，驗證在標定應力系數(shù)過程中，與超聲波傳播方向垂直的應力是否對應力系數(shù)會有影響，設計可雙向夾持的十字形雙向加載試件。選擇航天器常用5A06鋁合金材料，加工要求：平面度≤0.03、表面粗糙度≤6.4 μm。為避免夾持端應力集中，試件4個夾持端之間用圓弧過渡連接。試件中部200 mm×200 mm的區(qū)域擬定為LCR波應力測量區(qū)。為了在彈性變形范圍內(nèi)獲得盡可能高的加載應力，該區(qū)域的厚度采用減薄處理，并在試件中心打孔。將LCR波換能器放置在中心圓孔和減薄區(qū)邊緣的中間位置，即距離圓孔中心50 mm處。試件的幾何尺寸如圖4所示。

1.3 試件應力有限元分析

為驗證試樣設計的合理性，對試樣受力情況進行仿真分析。分別采用殼單元和實體單元建模，得到厚度為4 mm實體單元建模應力分布圖和法向應力分布圖。

對于厚度為4 mm鋁合金薄板，圓孔邊緣的法向應力最大為42 kPa，其等效應力為1.04 MPa，法向應力占比為4.04%，如圖5所示，近似認為可將薄板簡化為平面應力狀態(tài)。因此，模型采用殼單元，為平面應力狀態(tài)。

仿真計算減薄處理到4 mm的5A06鋁板的應力集中點達到屈服狀態(tài)(屈服應力取160 MPa)時的加載力和應力分布，為進一步確定試驗加載條件和應變片布置提供依據(jù)。采用殼單元進行建模，尺寸與試驗件一致，網(wǎng)格密度為2 mm，雙向同時施加1 kN的拉力，模型如圖6所示。

計算得到殼單元應力云圖如圖7所示。由圖7可知，試件夾持端和中心打孔2處區(qū)域存在應力集中，減薄區(qū)內(nèi)應力分布較為均勻。為進一步研究減薄區(qū)域的應力分布，將應力集中區(qū)域放大(圖8)。由于超聲波檢測的是其傳播路徑上的平均應力，故應將LCR波換能器放置在應力變化較小處。由圖8可知，通過網(wǎng)格單元的初步估算，近似認為距離圓孔中心50 mm區(qū)域是均勻應力分布。因此，將LCR波換能器放置此區(qū)域，分別做中心打孔區(qū)(直徑10 mm)的應力分布圖(圖9)。由圖9可知，小孔邊緣2 mm(一個網(wǎng)格)以內(nèi)區(qū)域存在應力集中，當在兩端加載1 kN的拉力時，最大應力為1.11 MPa。線性推算出當鋁板中心圓孔邊緣達到160 MPa的臨界屈服時，雙向加載的拉力最大為144.14 kN。

圖7 殼單元應力分布云圖Fig.7 Stress distribution cloud map ofshell element model

2 應力測試試驗及結(jié)果分析

在250 kN平面雙軸疲勞試驗機上提供雙向加載力，從10 kN開始，以10 kN遞增，并以仿真結(jié)果作參考，在安全范圍內(nèi)考慮最大加載為110 kN，以免鋁合金薄板發(fā)生塑性形變。試驗件背面貼8組應變片，加載過程中同步采集應變片應變數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后通過應變計算應力值。貼好應變片的實物圖如圖10所示。

圖8 LCR波測量區(qū)域應力分布圖Fig.8 Stress distribution of LCR wavemeasurement area圖9 打孔區(qū)域應力分布圖Fig.9 Stress distribution of boring area

首先，沿B軸單向加載0～110 kN的拉力，以10 kN為步長，換能器平行于B軸放置。以應力為橫坐標，聲時差為縱坐標，獲得應力與聲傳播時間變化量的關系(圖11)。

由圖11可知，應力與聲時差之間存在良好的線性關系，擬合得到單向應力系數(shù)：k//=3.4 MPa/ns。采用擬合數(shù)據(jù)k//=3.4 MPa/ns，根據(jù)超聲測量得到的聲時差，計算得到超聲波實測的應力值。以拉力值為橫坐標，分別以應變片計算的應力值和超聲測量應力值為縱坐標，得到單向加載條件下的臨界折射縱波測量結(jié)果與應變片計算的應力值的關系(圖12)。由圖12可知，兩者斜率相同，只是截距有0.242 5的差距，說明標定的平行加載方向單向應力系數(shù)線性度良好。超聲測量結(jié)果與應變片計算的應力值最大偏差小于2 MPa。

然后，沿A軸單向加載0～110 kN，測量LCR波傳播方向垂直于應力方向的單向應力系數(shù)，換能器平行于A軸放置，步長為10 kN。以應力為橫坐標，聲時差為縱坐標，得到臨界折射縱波傳播時間與垂直方向加載條件下應力的關系(圖13)。

由圖13可知，應力與聲時差之間存在良好的線性關系，得到垂直加載方向的單向應力系數(shù)k⊥=11.24 MPa/ns。分析圖11、圖13可知，平行加載方向的應力系數(shù)為k//=3.4 MPa/ns，而垂直加載方向的應力系數(shù)k⊥=11.24 MPa/ns，說明LCR波的傳播時間變化量受不同方向應力的影響而出現(xiàn)明顯差異。垂直應力方向的聲彈性效應約為平行方向的33%。

取擬合數(shù)據(jù)k⊥=11.24 MPa/ns，根據(jù)超聲測量得到的聲時差，計算超聲波實測的應力值，以拉力值為橫坐標，分別以應變片計算的應力值和超聲測量應力值為縱坐標，獲得垂直加載方向的應變片測量計算的應力與超聲測量應力對比關系(圖14)。由圖14可知，兩者斜率只相差0.141，近似相同，只是截距有1.801 5的差距，說明標定的平行加載方向單向應力系數(shù)線性度良好。試驗得到的超聲測量結(jié)果與應變片計算的應力值最大偏差小于5 MPa。

在A、B雙向拉伸加載相同載荷的條件下，測量LCR波雙向應力系數(shù)，以應力為橫坐標，聲時差為縱坐標，進行曲線擬合，結(jié)果如圖15所示。

由圖15可知，應力與聲時差之間存在良好的線性關系，擬合得到雙向應力系數(shù)kB=2.44MPa/ns。根據(jù)超聲測量得到的聲時差，計算得到超聲波實測的應力值。以拉力值為橫坐標，分別以應變片計算的應力值和超聲測量應力值為縱坐標進行曲線擬合，結(jié)果見圖16。由圖16可知，兩者斜率只相差0.000 6，截距僅相差1.257，說明標定的平行加載方向雙向應力系數(shù)線性度良好，超聲測量結(jié)果與真實應力值最大偏差小于4 MPa。

比較圖11、圖15的應力系數(shù)，雙向加載情況下和單向加載情況下不同，這說明垂直方向的應力對應力系數(shù)有一定程度的影響。雙向加載情況下得到的應力系數(shù)為2.44 MPa/ns，即2.44 MPa的應力就可以引起1ns的聲時變化，相比單向加載時的3.4 MPa，雙向加載引起1 ns的聲時所需的應力小了0.96 MPa，說明雙向加載情況下，垂直與平行方向的應力共同作用引起聲時變化，垂直方向應力的作用約為平行方向應力的33%。

3 結(jié)論

1)利用有限元法對5A06鋁合金薄板加載過程進行試件設計合理性分析和數(shù)值模擬，獲得加載條件下殘余應力的演變規(guī)律；采用臨界折射縱波法和應變片法實測得到單向和雙向加載狀態(tài)下鋁合金薄板的殘余應力分布，試驗結(jié)果可為工程應用提供數(shù)據(jù)參考。

2)單向和雙向加載條件下，實測得到的殘余應力值差別較大，試驗結(jié)果說明臨界折射縱波在試件中的傳播聲時是由平行與垂直方向的應力共同決定的，垂直方向應力的作用約為平行方向應力的33%，垂直方向的應力對應力系數(shù)的影響不可忽略。