超声法焊缝残余应力检测技术研究

研究所带头人

徐春广，特聘首席科学家、北京理工大学二级教授、重点实验室主任。

中国电子学会会士、中国机械工程学会无损检测分会副主任委员、中国声学学会检测声学分会和中国电子学会电子机械分会副主任委员。

第20届世界无损检测大会(WCNDT)副主席、远东无损检测新技术论坛(IEEE-FENDT)执行主席等。

长期从事构件内部材料性能、超声显微、机械手多维等精密无损检测理论研究和技术开发，提出了低应力制造概念、理论和技术。主持完成了国家重大科技专项、自然基金重点项目、基础加强等多项国家重大重点项目，主持制定了国家标准《产品残余应力图形符号表示方法》(GB/T40121-2021)、《无损检测 残余应力的超声临界折射纵波方法》(GB/T32073-2015)、《无损检测 残余应力超声体波检测方法》(GB/T38952-2020)、《无损检测 弹性模量和泊松比的超声测量方法》(GB/T38897-2020)、《无损检测 超声显微检测方法》(GB/T34018-2017)、国家标准《无损检测 涂层结合强度超声检测方法》(GB/T38898-2020)、《金属材料 残余应力 声束控制法》(GB/T38811-2020)、《无损检测 机械手超声检测方法》(GB/T34892-2017)等8项国家标准，出版《回转体的结构光测量原理》、《无损检测超声波理论》、《超声显微检测技术》、《机械手无损检测技术》、《超声波检测基础》(北理工“双一流”教材)、《Robotic Nondestructive Testing Technology》、《材料非线性弹性波》(乌克兰)、《超声相控阵原理》(美国)等8部专译著，授权国际国家发明专利60余项，发表300多篇学术论文，技术成果已广泛应用在航空航天、兵器电子、轨道交通等领域。

随着我国工业现代化的不断发展，产品的质量与耐久性问题被广泛关注。机械构件又是科技工业和设备的基本构成，而残余应力的存在，对机械构件的可靠性有很大的影响，特别是影响结构件的疲劳寿命、尺寸稳定性和抗腐蚀能力。

残余应力在机械构件中普遍存在，残余应力的影响贯穿机械结构全寿命周期。残余应力会导致应力集中，从而导致材料产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下导致材料断裂。采矿机械、输油设备，大型水电、火电、核电等成套设备，大中型建筑机械，交通运输设备等重大技术装备很多时候对残余应力的检测也同样非常重要。在压力容器行业中，由于构件表面存在很大的残余应力，加速了表面腐蚀，从而诱发大量的重特大事故。近年来输油管道爆裂多发，主要原因在于管道焊缝残余应力没有得到及时检测，长时间腐蚀导致应力释放从而引起开裂。因此，残余应力的检测不仅会影响日常生活，而且会波及到一个国家的稳定和人民的安全。准确、快速地检测出残余应力，对其状态、应力值进行合理评估，及时采取预防措施或有效利用具有十分重要的意义。

残余应力的检测有多种方法，本文主要讨论利用超声波进行残余应力的测量。超声波对人体无害，精度高，穿透能力较强，能够完成构件表面及内部的残余应力检测，对有效评估和控制残余应力具有十分重要的意义。就实现现场测试的可行性而言，设备体积小、重量轻，残余应力超声波检测方法无疑是最优的。

早在 20 世纪 50 年代就已开展超声法残余应力检测方面 的 研 究，1953 年美国田纳西大学物理系的Hughes 根据有限变形理论推导，提出了各向同性材料声弹性理论的早期表达形式，建立了声波在材料中传播速度与应力之间的关系，奠定了声弹性基础之后，很多学者在超声波与残余应力关系上进行了深入的理论探索和试验研究，使超声法测量残余应力的技术迅速发展[1]。美国超声专家 Rose J. L. 教授基于声弹性原理，揭示了固体中超声波传播理论和弹性波的各种模态与应力的关系，并通过实验得到了验证[2]。

近年，法国杜埃高等矿业学院 Qozam 等人应用临界折射纵波评估微观结构对焊缝残余应力的影响[3]。印度英迪拉甘地原子中心无损检测部基于声弹性原理测量了奥氏体不锈钢焊缝区域的残余应力[4]。在我国，对残余应力的研究仍然偏少，但重视程度与日俱增。1999年同济大学王寅观等人利用表面波对圆管的平面进行了残余应力的检测[5]。2001 年南京大学张淑仪院士利用扫描电子声显微镜研究了材料表面及内部残余应力分布[6]。近年，哈尔滨工程大学王小明运用超声波来检测预应力[7]。北京交通大学的税国双通过超声的非线性特点来进行残余应力测量的理论研究[8]。

本文基于声弹性理论，研究临界折射纵波激励原理，并建立超声波焊缝残余应力检测系统，通过实验验证超声波残余应力检测方法的可行性。根据声弹性理论，得出声波的传播速度与材料残余应力间的关系，对实验数据进行分析，验证声速与应力关系的理论预测，为工程上采取措施减少残余应力避免因此造成的损失提供依据。

1、超声波在固体中的传播机理

1.1超声波传播速度分析

超声波的传播速度简称为声速，超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。声速与介质的弹性模量和密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也为常数，不同的介质，有不同的声速。此外，超声波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样。固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但他们的声速是不同的。另外，介质尺寸对声速也有一定的影响，如无限大介质与细长棒中的声速不同，当介质尺寸远大于波长时，就可以视为无限大介质。在无限大介质中，纵波的声速为

横波的声速为

式中: E 为介质的杨氏弹性模量; ρ 为介质的密度; G 为介质的剪切弹性模量; σ 介质的泊松比; λ 和 μ 为二阶常数。

由上述公式可以看出，声速主要由介质的弹性模量、密度和泊松比决定，不同材料的声速值也不一样。物质状态的差异，引起声速的变化非常明显。通常，在同一种固体介质中，纵波声速大于横波声速。

1.2超声波传播速度与残余应力的关系

声速与应力之间关系的研究可以追溯到上世纪50 年代，在 Hughes 利用超声波测定出晶体三阶弹性系数之后，他又与 Kelly 共同提出了各向同性材料中声速、应力关系的早期表达形式，建立了声波在材料中传播速度与应力之间的关系。在后来的研究中，许多研究人员也推导出了各种不同类型小振幅波由于残余应力存在而引起的波速变化的公式。

(1) 沿残余应力方向传播的纵波

超声波的传播方向平行于残余应力方向，V11代表波传播与质点运动方向一致( 即纵波) 的波速，它与介质中应力的关系可以表示为[2]

式中: ρ0 是介质发生形变之前的密度; λ 和 μ 代表介质的二阶弹性系数; m、l、n 是介质的三阶弹性系数。

(2)垂直于残余应力方向传播的纵波

超声波的传播方向垂直于应力方向，V22代表纵波的波速，它与介质中应力的关系可以表示为

介质中的残余应力会对这种超声纵波的传播产生最大的影响，而在零应力情况下，纵波在介质中传播的声速可以表示为如下方程:

由于波速受应力变化的影响非常小，因此波速变化可近似看作一阶无穷小量。将式( 3) 代入式( 5) ，可得如下公式:

式中: dσ 表示应力的变化量; k 为声弹性常数，其值为

由式( 7) 可知，介质中沿残余应力方向传播的纵波波速的改变量与应力的改变量成线性关系。应力为正时表示压应力，波速随压应力的增大而增大; 反之，应力为负时表示拉应力，波速随拉应力的增大而减小。在一定条件下，只要测出超声波传播速度的变化量，就可以确定介质中应力的变化量，从而推算出当前被测物体中应力的大小。

超声波的传播速度受残余应力变化的影响非常小，通常较难测量，所以更为有效的方法是测量固定距离内传播时间的变化量。则式( 6) 可以变换为

式中: t0 是零应力状态下的纵波传播时间。式(8) 表达了纵波传播时间和残余应力之间的关系。在一段固定距离上，传播时间随着压应力场的增大而减小，随着拉应力场的减小而增大。应力和传播时间之间通过声弹性系数 k 联系在一起。

2、 临界折射纵波残余应力检测方法

2. 1 临界折射纵波的定义

临界 折 射 纵 波 ( Critically Refracted Longitudinalwave，LCR wave) ，也称为次表面纵波( Subsurface Lon-gitudinal Wave，SSLW) ，它在物体表面以下平行于表面进行传播，传播深度通常能够达到几个波长，而瑞利波等其他表面波的传播深度仅为一个波长。由于是纵波，LCR 波对沿其传播方向的残余应力有着很强的敏感性，此外，LCR 波有着较低的衰减率。因此 LCR 波非常适合用来从表面测量传播方向的残余应力。

2.2 LCR 波的产生

当一束超声波以一定的倾斜角到达两种不同声阻抗介质间的界面时，会在界面处发生波型的转换。此时，一部分能量在第一种介质中被界面反射，反射角等于入射角，另一部分能量进入到第二种介质中，形成纵波和横波两种类型的超声波。每种介质中声波传播的速度由介质本身的某些特性决定，如弹性模量和密度等。

LCR 波的产生基于 Snell 定律，即

当纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质中时，会有一个特殊入射角使折射纵波的折射角等于90°，这个角度就是第一临界角。当介质确定时，通过Snell 定律可以计算出第一临界角

2.3 LCR 波的激发与接收

当超声波以第一临界角入射到两种介质的界面时，第二种介质中的纵波均沿表面传播，形成 LCR 波。LCR 波的激发通常采用有机玻璃楔块作为介质 I，被测物体作为介质 II。

事实上这种临界折射方式会在被测物体表面激发出两种不同的纵波，即纵向表面爬行波( LongitudinalSurface Creeping Wave，LSCW) 和次表面纵波( Subsur-face Longitudinal Wave，SSLW) ，其中后者就是我们所说的 LCR 波，实验表明，纵向表面爬行波在离开发射探头数厘米之后便迅速衰减耗尽，而 LCR 波则能在介质中传播数十厘米并保持良好的波形。LCR 波的产生机理见图 1。

2.4 LCR 波的检测原理

残余应力变化量与声速改变量之间的关系可以转化为固定距离条件下残余应力变化量与传播声时改变量之间的关系，通常情况下，超声波在一段介质中传播的总声时可以表示为

式中: t0 是不考虑残余应力和温度影响的超声波传播的声时; ΔtF 是外加残余应力造成的传播声时差; ΔtRS是介质内部残余应力造成的传播声时差; ΔtT 是温度改变造成的传播声时差。

所以由残余应力引起的声时变化 ΔtS 只与 ΔtF 和ΔtRS有关，即

3、 LCR 波残余应力检测实验系统

3.1 实验系统的组成

本文所要研究的内容有: 超声波声速与焊缝残余应力的对应关系; 超声纵波的激励、接收、耦合及超声换能器的配置方法; 焊缝残余应力的检测系统以及分析影响检测结果的因素。为了实现这几项内容，建立了 LCR 波残余应力检测实验系统，包括硬件和软件两部分。

如图 2 所示，硬件部分主要包括母材、探头、楔块、换能器以及超声频率的设计和选用; 软件部分主要包括超声波激发、接收、放大、显示及声时差计算等功能。

3.2硬件部分

实验采用一发一收式装置，示意图见图 3，纵波通过有机玻璃楔块斜入射到钢板，产生 LCR 波，然后沿着钢板表面一定深度平行于钢板传播，在接收探头处经过楔块传入接收探头，实现了信号的发射与接收。实验装置如图 4 所示。

3.3软件部分

实验中超声波信号的激发、接收、放大以及显示都是由程序控制的，用 Visual C     编制了控制程序，通过面板上的按键即可对实验过程进行控制。控制界面如图 5 所示。

其中的参数设置如下:

一发一收为 T /T 模式; 激励电压 280 V; 激励阻尼 545 ohms; 激励能量 820 μJ; 脉冲宽度 1 MHz; 脉冲频率2000 Hz; 低 通 滤 波 频 率0.5MHz; 高 通 滤 波 频 率7.5MHz; 全波显示，增益 50 dB。

4、 残余应力检测实验

利用探头探测钢板焊缝两边的残余应力，在焊缝两边每隔 5 mm 进行一次探测，两边各探测 40 个点，实验开始时先在距焊缝较远的母材区域取一个零应力参考点，以后每个点的声时都与这个点比较。焊缝带声时变化见图 6。

由图可见焊缝残余应力沿焊缝方向传播的声时差随着距焊缝中心距离变大而变得越来越小，残余应力主要分布在距焊缝中心 40 mm 范围内，且距焊缝越近应力越大。

实验中遇到了很多问题，首先，实验测量时由于需要保持探头与钢板间力的恒定，所以需要长时间人为固定住探头，每次实验对实验数据的准确性造成了影响，由于这种误差，数据多次出现了不合理的情况，通过多次实验以减少这种误差，同时，用加工机械夹紧装置代替人为固定探头，实现探头和焊缝的稳定接触。其次，考虑温度、耦合剂对测量结果的影响，对实验装置和控制软件进行了改进。

1) 在采集钢板声波信号时，使用了机械夹紧装置，保证楔块与钢板紧密接触，并且保持恒定的力;

2) 耦合剂改用甘油。通过实验发现，在探头与楔块、楔块与钢板的接触中，耦合剂越多声时差越明显，为了消除这种影响，改用甘油作为耦合剂，甘油比较难挥发，能够保持测量条件的一致性;

3) 实验软件控制程序也做了相应的改进，包括零残余应力波形提取、残余应力区域波形提取以及时差计算。

基于装置和软件的改进，进行了相关实验验证。对钢板的两条直线位置进行了残余应力检测，并且增加了焊缝垂直方向的残余应力检测。如图 7 所示。

7 中有两条测量线，测量时传感器平行于焊缝放置，并且沿测量线移动传感器，每次移动 5 mm，测得纵向残余应力分布。

当传感器垂直于焊缝放置时，可测得横向残余应力分布。图 8 所示即为第一条线上焊缝左右由于残余应力引起的声时差，在焊缝左边距焊缝中心 15 mm 处开始测量第一个点，共测量 40 个点; 焊缝右边距焊缝中心20 mm 处开始测量第一个点，共测量 40 个点。从图中可以看出，靠近焊缝中心位置的点的声时差较大，也就是残余应力较大，随着距离越来越远，残余应力也越来越小，但是这种减小并不是线性的，而是减小幅度越来越小，并且最终趋于稳定，这说明此时残余应力已经趋于稳定，并且接近零残余应力。图 10 与图 8 和图 9 的规律不同，焊缝左右残余应力变化都比较小，而且上下浮动，没有明显的趋势，我们还不能从图 10 中得出沿焊缝垂线方向的残余应力的变化规律。

5、 结束语

本文基于声弹性理论，提出利用临界折射纵波来检测焊缝残余应力的方法。分析了临界折射纵波的产生机理，建立了残余应力检测系统，通过软件控制信号的发射与接收，使用一发一收式装置，通过测量声波在固定长度上传播声时的变化来反映材料中残余应力的影响，通过实验验证了声弹性理论的正确，焊缝附近既有拉应力也有压应力，但以拉应力为主，所以声时变长，随着距离焊缝中心越来越远，这种残余应力的影响也越来越小，也就是残余应力越来越小。通过实验结果的得出与影响因素的分析，可以看出本文提出的方法是可行的，搭建的残余应力检测系统也是可以进行实验或现场测试的。

作者：潘勤学，栗 勇，徐春广，肖定国，杨向臣，伍 懿

参 考 文 献

[1] HUGHES D S，KELLY J L. Second-order elastic deforma- tion of solids[J]. Physical Review，1953，92( 5) : 1145 - 1149.

[2] ROSE J L. Ultrasonic Wave in Solid Media[M]. Cambridge University Press，2002.

[3] QOZAM H，CHAKI S，BOURSE G，et al. Microstructure effect on the Lcr elastic wave for welding residual stress meas- urement[J]. Experimental Mechanics，2010，50( 2) : 179 - 185.

[4] PALANICHAMY P，VASUDEVAN M，JAYAKUMAR T. Measurement of residual stresses in austenitic stainless steel weld joints using ultrasonic technique[J]. Science and Technology of Welding and Joining，2009，14 ( 2) : 166 - 171.

[5] 王寅观，田冲，姚国民，等. 利用 Rayleigh 表面波无损测量 热套圆盘的平面残余应力的研究[J]. 声学学报，1999，24 ( 1) : 53 - 58.

[6] 洪毅，张仲宁，张淑仪，等. 利用扫描电子声显微镜研究残 余应力分布[J]. 南京大 学 学 报: 自 然 科 学 版，2001，37 ( 4) : 508 - 514.

[7] 田双珠，王小明，徐满意，等. 超声波检测残余预应力的理 论探讨[J]. 水道港口，2007，28( 3) : 198 - 201.

[8] SHUI G S，KIM J Y，QU J M，et al. A new technique for measuring the acoustic nonlinearity of materials using Rayleigh waves[J]. NDT&E International，2008，41( 5) : 326 - 329.

来源：应力与变形控制