一種便攜高精度超聲應力設備及焊縫殘余應力研究

董飛宇 周 冰 趙文通 王占勇

（上海應用技術大學材料科學與工程學院，上海 201418）

工程焊接板材或型材時會導致翹曲變形、剛性下降以及尺寸穩(wěn)定性差等問題[1]，如果能檢測出焊縫的殘余應力或在線運行應力水平作出安全性評價并及時處理，可以避免各種工程事故的發(fā)生。傳統(tǒng)應力檢測方法包括盲孔法、X 射線法、磁彈性法等。盲孔法檢測構件應力會對構件造成破壞；X 射線檢測應力為構件近表面50 μm 的第三類應力，非宏觀應力，且設備操作復雜，需專人維護，難以現(xiàn)場操作；磁彈性方法受磁化條件限制，測量可靠性和精度差。傳統(tǒng)的應力檢測方法不能完成對在役壓力容器、型材板材和鋼結構件焊縫的應力無損檢測。

超聲測應力技術[2-3]是基于聲彈性理論，通過檢測超聲波傳播速度的變化來檢測應力的大小。Egle D M 等[4]在Noronha P J[5]、Hsu N N[6]等研究的基礎上證明超聲波速度變化可以應用于鐵路鋼軌殘余應力變化的測量。隨后，Brokowski A 等[7]提出一個可行的測試系統(tǒng)用于鐵路軋鋼廠。北京理工大學的徐春廣[8-9]、宋文濤[10-11]、潘勤學[12]、靳鑫[13]、李煥新[14]等搭建了超聲應力檢測與校準系統(tǒng)，研究了溫度、材料組織、表面粗糙度等因素對檢測結果的影響，但受限于設備精度問題，應力分辨力精度略低。哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院的李祚華、何景波、王偉等建立了一個發(fā)射換能器、兩個接收換能器的超聲波應力檢測系統(tǒng)，采用互相關算法、十字形試樣法、數(shù)字圖像法來計算LCR 波速度的變化，提高檢測精度。

目前的超聲應力檢測系統(tǒng)和設備普遍還存在檢測精度低、穩(wěn)定性差、體積大便攜性差等問題。針對這些問題本項目自主研制了一款基于WiFi 連接的高精度、易攜帶的超聲應力檢測設備，并以Q235 低碳鋼焊縫作為樣本進行殘余應力檢測，分析平行焊縫方向和垂直焊縫方向的宏觀殘余應力分布及面分布圖，為在役壓力容器、鋼軌、型材板材和鋼結構件殘余應力或在線應力檢測提供參考。

1 超聲波殘余應力檢測原理

圖1 所示為基于臨界折射縱波超聲檢測應力原理和臨界折射縱波信號傳播示意圖。超聲發(fā)射電路發(fā)出超聲激勵信號給超聲發(fā)射探頭，超聲探頭發(fā)射縱波，經由有機玻璃后傳遞到工件表面，產生臨界折射縱波傳播一定距離后被超聲接收探頭接收，接收信號經由采集系統(tǒng)進行采集和應力數(shù)據(jù)的處理。其中，超聲換能器發(fā)射的縱波信號通過有機玻璃后進入工件傳播，根據(jù)式（1）Snell 定律，當折射角等于90°時，入射角為第一臨界角，此時的縱波為臨界折射縱波[15]，即超聲換能器以第一臨界角發(fā)射縱波入射工件時，超聲波將以臨界折射縱波的形式平行于試件表面?zhèn)鬏敳⒈恍盘柌杉到y(tǒng)首先采集到。

圖1 超聲臨界折射縱波法殘余應力檢測系統(tǒng)

通常在零應力的情況下，縱波在介質中的傳播速度為

沿應力方向縱波傳播波速和應力的關系為[16]

式中：V為應力狀態(tài)下縱波的傳播速度，m/s；σ為應力，MPa。

將式（2）代入式（3）可得：

在應力變化較小的情況下V≈V0得：

由以上公式推導可知，應力的變化量與縱波的傳播速度成線性比例關系，將兩個換能器的間距恒定為L，將速度和路程關系式代入式（6）并積分化簡得：

由上述可知，應力的變化量可轉變?yōu)椴煌瑧ο碌臅r間差成線性比例關系，可將完全退火后的無應力狀態(tài)下的臨界折射縱波對應的時間作為t0，將不同應力對應的時間t作為標定數(shù)據(jù)，計算應力系數(shù)K后進行在線應力或殘余應力的檢測。

2 超聲殘余應力檢測設備

基于圖1 所示基本原理，上海應用技術大學聯(lián)合蘇州愛思爾提科技有限公司聯(lián)合開發(fā)量產了一種基于WiFi 信號的便攜式超聲應力檢測設備，如圖2所示，硬件主要包括便攜式超聲采集模塊②、超聲探頭③、上位機①。其中便攜式超聲模塊包括以超聲信號發(fā)射電路即激勵電路為主的超聲信號發(fā)射模塊、ADC 和FPGA 板卡為核心的超聲接收模塊、WiFi 模塊及超聲收發(fā)接口④以及鋰電池電源滑動接口⑤。

圖2 殘余應力檢測設備

上位機由任意的平板電腦或microPC 加載自主開發(fā)的軟件組成，軟件界面如圖3 所示，軟件系統(tǒng)主要包括設置模塊、信號采集模塊、信號優(yōu)化模塊、應力求解以及標定與校準模塊。該檢測設備符合國家標準GB/T 32075-2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》的要求。在傳感器探頭放置于材料表面后，軟件使用簡單的幾個步驟：①連接WiFi 信號并打開設備及設置超聲發(fā)射和接收（默認）參數(shù)（可定制），②采集超聲波形（③）進行標定或導入已標定參數(shù)，輸入系數(shù)K（④），直接連采（⑥）或單采獲得應力值（⑦）。設備程序對標定和測量操作進行優(yōu)化使其自動判定，提高設備精度，相關標定數(shù)據(jù)可以進行備份（⑤）建立相關材料數(shù)據(jù)庫。

圖3 殘余應力檢測軟件系統(tǒng)

該超聲應力測試設備硬件聲時差分辨率0.5 ns，采樣位數(shù)高，采樣深度可設置100 μs 以上，軟件經過多重算法優(yōu)化，固定探頭應力重復采集誤差分辨率最高可到±1 MPa，移動探頭應力重復采集誤差分辨率可到±5 MPa，隨采集精度的設置可在0.5～3 s內出結果，適用于所有市面上測應力的超聲收發(fā)探頭模塊；軟件系統(tǒng)可安裝在任意pad、microPc 或筆記本電腦上，通過WiFi 與硬件系統(tǒng)高速通信，通過將超聲采集模塊與上位機進行分體式設計，可以適應各種測試場合，該設備是目前國內外尺寸最小重量最輕超聲應力設備，超聲采集模塊重1.5 kg，可通過連接背肩帶實現(xiàn)單人出野外檢測，在模塊上還提供接口通過快拆式通用滑動電池組供電，解決工程現(xiàn)場供電難的問題。

除此之外，也開發(fā)了超輕薄超聲采集模塊與上位機結合的一體式工控機。

3 焊接殘余應力超聲檢測實驗及結果分析

3.1 實驗材料與方法

圖4 所示為試驗所制Q235 鋼板及焊縫實物圖。選擇兩塊200 mm×75 mm× 20 mm 的Q235 低碳鋼板沿200 mm 方向開V 字坡口，采用手工電弧焊以355 A 和344 A 的電流進行手工電弧焊接。其中，采用355 A 電流焊接的試塊在中間100 mm 和焊接結束時預留未焊接區(qū)域。

圖4 實驗所制Q235 鋼板及焊縫實物圖

超聲應力傳感器為長條形，能夠測量一段距離內的平均應力。本實驗中，殘余應力檢測分為平行焊縫方向和垂直焊縫方向兩種方式，如圖5 所示，黑色方框代表超聲探頭的檢測位置。在圖5a 中，超聲傳感器與焊縫平行放置，沿平行焊縫方向檢測殘余應力，每隔12 mm × 40 mm 的位置進行一次殘余應力檢測。在圖5b 中，超聲傳感器與焊縫垂直放置，檢測垂直焊縫方向殘余應力，每隔32 mm ×12 mm 的位置進行一次殘余應力檢測。

圖5 超聲應力檢測位置示意圖

3.2 超聲法殘余應力檢測結果與分析

圖6 所示為試驗測定的無應力與有應力狀態(tài)下的臨界折射縱波波形圖。Q235 鋼板在馬弗爐內升溫加熱至650 ℃，保溫30 min 后隨爐冷卻進行完全退火，然后進行臨界折射縱波的數(shù)據(jù)采集，作為標定的0 應力波形。在焊縫位置處采集到的有殘余應力對應的臨界折射縱波與零應力狀態(tài)下的波峰位置相比有明顯后移現(xiàn)象，兩者的時間差為聲時差。

圖6 實測的無應力與有應力狀態(tài)下的臨界折射縱波波形圖

根據(jù)聲彈性理論和式（7）可知，應力變化與縱波聲速的線性關系可轉化為應力和聲時差的線性比例關系。在測量焊縫殘余應力之前需要對應力系數(shù)進行標定。為此，將Q235 拉伸試樣完全退火后，用萬能材料實驗機加載不同拉力的同時利用超聲應力檢測設備記錄臨界折射縱波對應的聲時差。通過擬合不同應力對應的聲時差ΔT擬合線性方程如圖7 所示，得出Q235 的應力聲彈性系數(shù)K的值為3.4。

圖7 Q235 應力系數(shù)標定擬合曲線

3.3 平行焊縫方向殘余應力

圖8 所示為平行焊縫方向不同距離處的殘余應力數(shù)據(jù)。圖中分別表示的是圖5a 所示的焊縫的上半區(qū)和下半區(qū)不同距離平行焊縫路徑上的殘余應力。如距離焊縫7 mm 位置的殘余應力數(shù)值所示，在焊縫引弧開始焊接的位置20 mm 和60 mm 兩個檢測點上的殘余應力基本保持一致，且較高，在220 MPa以上；在焊縫中間100 mm 處未焊接的位置，殘余應力大幅減小，約為120 MPa，在焊接尾部未焊的位置殘余應力也略低，但高于中間未焊處，殘余應力約為150 MPa。從殘余應力在距離焊縫不同位置的變化對比來看，焊縫位置處鋼板的殘余應力最高，隨著距離焊縫位置的增大，殘余應力呈逐漸減小的趨勢，距離焊縫最遠處殘余應力最低，但相對于完全退火的無應力狀態(tài)仍然高出20～40 MPa。對比焊縫兩側不同位置的殘余應力可知，焊縫的起弧處下側低于上側約20 MPa，中間及尾部未焊處殘余應力約高于上側20 MPa，兩側整體變化規(guī)律基本保持一致。

圖8 Q235 焊接試塊平行于焊縫檢測不同距離殘余應力對比

采用沿焊縫平行方向平行放置超聲探頭的方法對不同位置進行殘余應力檢測，并對比分析所得數(shù)據(jù)如圖9 所示，進行宏觀面圖的繪制，如圖10 所示。與圖8 和圖9 相比，圖10 清晰明確地展示了焊接試塊中殘余應力的分布情況，可以看出，焊接試塊焊縫位置的殘余應力較大，中間未焊接位置的殘余應力明顯減少，而且首先焊接的位置殘余應力相比于后焊接的位置殘余應力要高。在（60 mm～100 mm）×（20 mm～80 mm）的矩形區(qū)域內，分布著整個焊接試塊中的最高殘余應力，其原因可能是初始焊接時熔池與母材的溫度差距太大，導致較高的殘余應力。在未焊接位置處，殘余應力出現(xiàn)明顯降低，且達到焊縫附近殘余應力最低值，后續(xù)焊縫殘余應力又明顯增加，但略低于之前焊縫位置，原因可能是焊接試塊在先前焊接時已經有了一定的預熱溫度，焊縫處的熱溫差明顯減小，從而降低了殘余應力。此外，從圖10 中可以明顯看出離焊縫不同遠近位置的殘余應力的變化規(guī)律，即離焊縫越近殘余應力越大。

圖9 Q235 焊接試塊平行焊縫檢測垂直于焊縫不同位置殘余應力對比

圖10 Q235 焊接試塊平行焊縫檢測整體殘余應力宏觀分布

3.4 不同焊接電流對焊縫殘余應力的影響

圖11 所示為355 A 和344 A 焊接電流對焊接鋼板殘余應力的影響。在焊接電流為355 A 時，焊縫殘余應力最大的位置分別位于20 mm 和60 mm 處，如圖8 和圖9 所示。相同位置下，使用344 A 焊接電流時，焊縫殘余應力數(shù)據(jù)明顯降低，從200～220 MPa降低到約120 MPa，峰值降低了45.18%。其他檢測點的殘余應力也出現(xiàn)了不同程度的降低。焊接熱源高溫熔化金屬后再凝固、冷卻收縮受到約束而產生的熱應力是產生殘余應力的最主要部分，適當降低焊接電流單位時間內熱輸入量減少，熔池與母材之間的溫度差減小，焊縫處的凝固收縮量減小，有利于減少殘余應力；兩種焊接電流下的殘余應力分布規(guī)律基本一致，不同區(qū)域殘余應力的趨勢表現(xiàn)也基本一致，從起焊到終焊的位置都是焊縫位置的殘應力最大，隨著距離焊縫位置的距離增加，殘余應力逐漸減小。進一步分析圖11 可以看到，0～40 mm和110～150 mm 處殘余應力等級基本與母材一致，說明其基本不受到焊接的影響，而距離焊縫中心30 mm 以內的區(qū)域中，殘余應力明顯變化，這與熱影響區(qū)的大小有關。

圖11 355 A 和344 A 電流焊接Q235 試塊平行焊縫檢測殘余應力對比

3.5 垂直焊縫方向殘余應力

圖12 所示為垂直焊縫方向進行檢測的殘余應力數(shù)據(jù)，并繪制了殘余應力面圖，如圖13 所示。從圖中可以看出，離焊縫較近的區(qū)域殘余應力較高，但與平行焊縫方向的殘余應力相比，其最大值明顯減小，只有100～120 MPa。而距離焊縫較遠的區(qū)域殘余應力偏低，但高于母材的基本殘余應力，為60～80 MPa。通過對比不同焊接條件下的殘余應力數(shù)據(jù)可知，在焊縫周圍未焊接區(qū)域和第二次焊接結束與未焊接交界處，殘余應力遠低于正常焊接在焊縫附近的殘余應力，第二次焊接時，由于受到第一次焊接所產生熱量的影響，焊縫附近的殘余應力略低于第一次焊接時的殘余應力。此外，通過對比具體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當超聲傳播經過不同高低應力狀態(tài)的材料時，其應力值基本等于高低應力狀態(tài)的平均值。這一規(guī)律可以從垂直焊縫方向的超聲應力數(shù)值和平行焊縫方向的超聲應力數(shù)值對比直接得出。

圖12 Q235 焊接試塊垂直焊縫檢測不同位置殘余應力對比

圖13 Q235 焊接試塊垂直焊縫檢測整體殘余應力宏觀分布

4 討論

結合圖10 和圖13 所示的平行焊縫方向和垂直焊縫方向殘余應力分布面圖，可以發(fā)現(xiàn)在0～80 mm的起弧和運條區(qū)域焊縫的殘余應力值較大，且隨焊縫平行方向保持殘余應力變化的穩(wěn)定性；在80～120 mm 區(qū)域為預制未焊接區(qū)域，殘余應力降低，小于焊接結束區(qū)域，后續(xù)焊接時焊縫的殘余應力雖然正常升高但并未達到初始焊接時的峰值；焊接引弧處停留時間略長，焊縫飽滿，運條處焊接質量較好，熱輸入穩(wěn)定，母材的初始溫度低，從而導致熔池與母材的溫度差距太大，造成了較高的殘余應力；在中間預制缺陷——未焊區(qū)域，殘余應力明顯降低，且達到焊縫附近殘余應力最低值；由于一次焊接時產生的高溫蔓延至整個焊接試塊，相當于對母材進行了預熱處理，后續(xù)焊接時焊縫處的熱溫差明顯減小，相比于一次焊接殘余應力峰值出現(xiàn)了降低。

焊接熱源引起瞬時局部高溫從而熔化熔池，導致焊縫內部產生劇烈溫度梯度，使得焊縫處具有最大殘余應力，隨著距離焊縫位置的增大，殘余應力值減小，直至跟母材區(qū)域一致。殘余應力發(fā)生變化的區(qū)域主要跟熱影響區(qū)的大小有關，在本次試驗中主要集中在焊縫距離30 mm 以內的區(qū)域。整體呈現(xiàn)由母材區(qū)向熱影響區(qū)過渡到達熔合區(qū)最高值的正態(tài)分布。

基于中間未焊處殘余應力明顯降低的情況，實際檢測時，如果在焊縫附近發(fā)現(xiàn)殘余應力急劇減小或突變并不一定是有利現(xiàn)象，需要考慮是否存在未焊透或缺陷導致殘余應力釋放等問題；焊接電流也是影響殘余應力的重要因素，當焊接電流增大時熱輸入越大導致溫度場分布不均勻，殘余應力增高。

圖14 所示為北京交通大學王軍強等[17]對大型殼體結構焊縫進行數(shù)值模擬得出的平行與垂直焊縫殘余應力值，其變化規(guī)律與本試驗實際測量結果一致，證明本試驗和測量方法的準確性，而且根據(jù)本實驗實際測量結果可以得出規(guī)律：垂直焊縫殘余應力值等于檢測位置平行焊縫殘余應力值的平均值，其中平行焊縫殘余應力值隨距離焊縫不同的位置保持一定的穩(wěn)定性，而垂直焊縫方向殘余應力值并不穩(wěn)定，根據(jù)超聲測應力的基本原理，臨界折射縱波經過不同高低應力狀態(tài)的材料時，聲速的變化量也不同，而最終聲速的變化值等于不同位置聲速變化的平均值，而聲速的變化值與應力成線性比例關系，最終可以得出垂直焊縫殘余應力值等于檢測位置平行焊縫殘余應力值的平均值。

圖14 數(shù)值模擬縱向橫向殘余應力分布[17]

將同一路徑上的平行于焊縫的殘余應力和垂直于焊縫的殘余應力實驗數(shù)據(jù)進行算數(shù)計算，可以發(fā)現(xiàn)，其中a為縱向應力，b為橫向應力。由此驗證了垂直焊縫殘余應力值等于檢測位置平行焊縫殘余應力值的平均值的猜想，同時也證明了實驗數(shù)據(jù)的準確性。

5 結語

（1）自主研發(fā)的基于WiFi 通信的高精度便攜分體式超聲應力檢測設備，其硬件包括超聲采集模塊、超聲探頭、microPC 上位機，軟件包括設置、信號采集、信號優(yōu)化、應力求解及標定等模塊，并可通過快拆式通用滑動電池組供電，應力檢測精度最高可達±5 MPa。

（2）在Q235 鋼焊接試塊焊縫附近，平行焊縫殘余應力值隨距離焊縫不同的位置保持一定的穩(wěn)定性；在焊縫處具有最大殘余應力值，且隨距離焊縫位置的增大殘余應力值減小，直至跟母材區(qū)域一致；未焊接區(qū)域會導致殘余應力突變，數(shù)值遠小于正常焊接區(qū)域。

（3）焊接熱源帶來瞬時局部高溫熔化熔池，導致焊縫內部產生劇烈溫度梯度，適當降低焊接電流，減少焊縫處熱輸入有利于減少殘余應力；有預熱時焊縫的殘余應力低于無預熱焊縫的殘余應力；殘余應力發(fā)生變化的區(qū)域主要跟熱影響區(qū)的大小有關，在本次試驗殘余應力變化主要集中焊縫距離30 mm 以內的區(qū)域，整體呈現(xiàn)由母材區(qū)向熱影響區(qū)過渡到達熔合區(qū)最高值的正態(tài)分布。

（4）垂直焊縫方向殘余應力小于平行焊縫殘余應力值，臨界折射縱波經過不同高低應力狀態(tài)的材料時，聲速的變化量也不同，聲速的平均變化值正比于應力的平均變化值，垂直焊縫殘余應力值等于檢測位置平行焊縫殘余應力值的平均值。