侯懷書 方鑫沖 張潤澤 趙志繁 余曉東

(上海應用技術大學機械工程學院，上海201418)

薄壁奧氏體不銹鋼直縫圓焊管具有生產工藝簡單、生產效率高、可成型性好、成本低等優(yōu)勢，在汽車、核電、航天和化工等行業(yè)領域廣泛應用。鋼管經過成型、焊接后，不可避免地存在殘余應力。盡管多數焊管生產過程中具備固溶處理工序，但由于固溶處理時間、溫度等影響，難以消除較大的殘余應力，從而影響焊管的機械強度和產品質量。

目前殘余應力檢測主要有破壞性檢測和無損檢測兩種方法。破壞性檢測主要是采用盲孔法[1-3]，在零件表面鉆一個盲孔，根據應變花對孔周圍應力變形的檢測從而求得殘余應力。該方法檢測周期長，操作復雜且會對被測試件造成不可逆損傷，故應用較少。無損檢測主要包括X射線法、中子衍射法和超聲波法。X射線法[4-6]是測量晶面間距變化所造成的衍射峰位移的改變從而求得殘余應力，由于X射線具有輻射性，使用時會對人體造成傷害。中子衍射法[7-9]是利用布拉格定律測量出衍射角度，計算出晶面間距從而求得殘余應力。由于其價格昂貴、檢測要求高，不適用于現場快速測量。超聲波法[10-19]由于操作簡單、檢測效率高、對環(huán)境無危害等優(yōu)勢，在合金和大口徑管道環(huán)形對接焊領域應用較多。本研究以拉伸模擬成型應力，經過短時固溶處理的焊管焊縫存在少量的焊接殘余應力，兩者組合成聯合殘余應力；采用超聲臨界折射縱波法對小口徑的薄壁金屬直縫圓焊管焊接區(qū)域的軸向聯合殘余應力進行檢測，并結合盲孔法實驗對臨界折射縱波檢測殘余應力進行驗證。

1 超聲檢測原理

切向應力是導致焊縫開裂的重要因素，在超聲波的眾多波形中臨界折射縱波(LCR波)對平行于表面的切向應力非常敏感。臨界折射縱波的產生原理如圖1所示，當超聲換能器激發(fā)超聲縱波以第一臨界角入射到被測材料表面時，根據斯內爾定律可以產生平行于構件表面的LCR波。

根據聲彈性效應可知超聲波的傳播速度隨拉應力的增大而降低，隨壓應力的增大而升高。當切向應力方向與縱波傳播方向相同時，波速與應力之間的關系為[17]:

(1)

式中:ρ0是零應力狀態(tài)下的材質密度；λ和μ為材質的二階彈性常數；c是有應力情況下縱波的傳播速度；l和m是三階彈性常數；σ為應力，值為正表示拉應力，值為負表示壓應力。

將零應力狀態(tài)下的波速c0代入式(1)，可得:

(2)

式中：k1為聲彈性系數，且

(3)

因為聲彈性效應很微弱，波速受應力變化的影響非常小，由此可推出簡化后的超聲波傳播速度的變化量與應力變化量之間的關系如下：

(4)

(5)

2 殘余應力超聲檢測實驗

2.1 實驗設備

實驗設備如圖2超聲波檢測系統(tǒng)所示，主要包括超聲脈沖信號發(fā)射接收儀、信號采集卡和1對超聲斜探頭以及PC機。超聲脈沖信號發(fā)射接收儀采用奧林巴斯5072PR脈沖發(fā)射接收器，該設備可同時進行超聲波的發(fā)射與接收，增益調節(jié)十分方便，能夠獲得非常理想的檢測波形；信號采集卡使用NI PCI-5114高速采集卡進行數據采集，該采集卡采樣頻率高達250 MHz，可反映出波形在時域上的細微變化，本實驗的采樣頻率為125 MHz，采樣點數為3 000個。斜探頭為一發(fā)一收兩個，頻率為7.5 MHz，入射角為27.89°。

2.2 實驗材料

本次實驗所用304奧氏體不銹鋼薄壁金屬圓焊管如圖3所示，焊管規(guī)格共3種，直徑分別為20 cm、27 cm、28 cm，長度為29 cm，兩端壓扁2 cm，每種規(guī)格11根。

2.3 標定應力常數K

根據GB/T 32073-2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》中的聲彈性系數標定實驗要求，從每種規(guī)格的樣管中選取一根，經長時間固溶處理后消除殘余應力；將斜探頭固定在無應力焊管上，兩探頭之間距離為20 cm；然后用萬能試驗機夾住焊管，此時采集初始波形；最后對焊管進行10次拉伸，每次拉伸后均需采集波形并記錄拉力。對每種直徑焊管計算得到的聲時與拉力進行擬合，LCR波聲彈曲線擬合結果如圖4所示。從圖中可以看出3種直徑的焊管K值基本相同，說明K值的大小與管徑無關，故將所有記錄的聲時與拉力重新擬合，擬合結果如5所示。

由圖5擬合后得到的應力與聲時差的關系式為

Δσ=0.691 2Δt+34.86

(6)

奧氏體不銹鋼薄壁金屬直縫圓焊管擬合后的應力常數K為0.691 2。

2.4 實驗方法

本實驗采用3種不同直徑的焊管，制造工藝相同，以拉伸模擬成型應力與焊接殘余應力組成聯合殘余應力。實驗開始前標定了應力常數K，擬合得到了奧氏體不銹鋼薄壁金屬直縫圓焊管的聲彈曲線，并得出了應力常數K的大小，以式(6)為基礎可計算得到殘余應力。實驗借助萬能試驗機對不同直徑的10根焊管進行不同程度的拉伸，以此在焊管內部產生不同大小的殘余應力。

在進行應力常數K標定實驗時發(fā)現，直徑為20 mm的焊管在拉伸距離為7 mm左右時開始發(fā)生塑性變形，而直徑為27 mm、28 mm的焊管在拉伸5 mm左右時就開始發(fā)生塑性變形。為保證實驗的對比性，故對每種規(guī)格的焊管均拉伸8 mm、10 mm、13 mm、15 mm、18 mm、21 mm、23 mm、25 mm、28 mm、30 mm以此產生聯合殘余應力，為確保實驗的準確性，拉伸完成后立即采集波形。

為排除人為影響，探頭固定在檢測支架上，兩探頭之間距離為20 mm。由于焊管為曲面，不同直徑曲率也不同，故準備3對斜探頭，檢測前需將斜探頭上的有機玻璃楔塊打磨成圓弧狀，同時使用機油作為耦合劑以達到最好的接觸效果。

3 實驗結果與分析

3種規(guī)格焊管的無應力與有應力波形對比樣圖如圖6所示，橫坐標為采樣點，縱坐標為歸一化幅值。分析圖6有無應力波形對比圖可以看出3種不同直徑的焊管經過拉伸內部存在殘余應力后均表現出波形后移的現象，說明在固定距離內超聲波傳播的時間變長；從圖6b和6c中可看出在拉伸距離相同時，管徑越大，波形后移越多。

對超聲信號處理后得出聲時差，然后根據式(6)計算出殘余應力。如圖7所示，φ20 mm的焊管在拉伸長度為8 mm時殘余應力為62.5 MPa；拉伸長度為18 mm時殘余應力為121.3 MPa；拉伸長度為30 mm時殘余應力為187.6 MPa。由此可得出隨著拉伸距離的增加，殘余應力表現出增大的趨勢，同時φ27、φ28的焊管呈現出相同趨勢。這是因為所使用的拉力隨著拉伸距離的變長而增大，從而材料內部的殘余應力隨之增大，超聲波波速相應變慢。

當拉伸距離均為8 mm時，φ20的焊管殘余應力為62.5 MPa；φ27 mm的焊管殘余應力為76.3 MPa；φ28 mm的焊管殘余應力為106.1 MPa。由此可知隨著焊管直徑的變大，殘余應力也隨之增大；這是因為變形量隨著焊管直徑的變大而增大，則內部存在的殘余應力隨之增大，超聲波的傳播時間相應變長。

φ20 mm的焊管在拉伸距離25 mm時的殘余應力為154.4 MPa，而φ27 mm的焊管在拉伸距離23 mm時的殘余應力也為154.4 MPa。說明φ27 mm的焊管在拉伸距離23 mm時與φ20 mm的焊管在拉伸距離25 mm時內部的聯合殘余應力是相同的。

4 盲孔法對比檢測結果

依據GB/T 31310-2014《金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法》實驗要求，對拉伸后采集完波形的焊管進行鉆孔測殘余應力，所得結果如圖8所示。圖8a為φ20 mm的焊管，在拉伸距離為18 mm時LCR波所得殘余應力為121.3 MPa，盲孔法所得殘余應力為119.0 MPa；在拉伸距離為25 mm時，LCR波所得殘余應力為154.4 MPa，盲孔法所得殘余應力為157.1 MPa。圖8b為φ28 mm的焊管，在拉伸距離為18 mm時LCR波所得殘余應力為161.3 MPa，盲孔法所得殘余應力為159.6 MPa；在拉伸距離為25 mm時，LCR波所得殘余應力為209.7 MPa，盲孔法所得殘余應力為212.5 MPa。由此可知兩者趨勢相同，均隨著拉伸距離的增加，殘余應力增大；并且隨著焊管直徑的變大，殘余應力也跟著增大。盲孔法對比檢測的結果證明了LCR波聲彈曲線擬合結果的正確性，同時也驗證了超聲臨界折射縱波檢測殘余應力的可靠性。

5 結語

(1)通過聲彈性系數標定實驗可知不同直徑的焊管有著相同的應力應變特性，即不同直徑焊管的聲彈性系數相同。

(2)直徑相同的焊管，在探頭距離固定不變時內部殘余應力隨著拉力的增大而增大。不同直徑的焊管，在拉伸距離相同時內部殘余應力隨著焊管直徑的增大而增大。

(3)通過與盲孔法的對比，證明了LCR波聲彈曲線擬合結果的正確性，說明了超聲臨界折射縱波檢測奧氏體不銹鋼薄壁金屬圓焊管殘余應力方案的可靠性，為金屬圓焊管行業(yè)提供了一種在線無損檢測殘余應力的方案。