一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无损检测领域，尤其涉及一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应 力的方法。
【背景技术】
[0002] 现代航空制造业正在向飞机大型整体化部件制造的方向发展。铝合金板材中存在 大量的残余应力将会导致严重的后果。2XXX系、7XXX系铝合金的固溶淬火工艺是导入残余 应力的主要原因。但是，为了在时效处理后获得更优的综合性能，2XXX系、7XXX系铝合金的 固溶淬火工序却是必不可少的。铝合金预拉伸板制造商往往使用大吨位的预拉伸机对固溶 淬火后的铝合金板材进行拉伸，从而使板材中的应力重新分布。为了判断拉伸工序对铝合 金板应力消减的效果，航空工业迫切需要一种快速、低成本、直观地表征板材残余应力的无 损检测方法。
[0003] 目前，钻孔法、多孔方差法、裂纹柔度法等理化方法和射线衍射法等无损检测方法 较成熟地应用于材料的残余应力测量，也有越来越多的研宄者公开了使用超声波方法测量 材料的残余应力。如专利98806517. 7公开了一种使用超声波测量金属试样残余应力的方 法，该方法在选择的入射选通时间计算测量的超声入射波和一个基本频率的周期波的入射 卷积积分值。但是该方法未使用残余应力校准试块进行标定，因此仅能生成残余应力分布 图谱，但不能对残余应力值进行定量；另外，该方法未考虑轧制板材疏松和板材晶粒度对残 余应力检测的影响。
[0004] 专利201310533626. 4也公开了一种铝合金预拉伸板残余应力水浸超声波方法。 该方法使用一个探头发射、另一个探头接收的方式进行检测。但是此方法的检测精度受表 面不平度影响较大，仅适用于薄板表面的残余应力检测；另外，该方法使用的残余应力试块 利用过盈配合的方法向残余应力试块导入残余应力，这样每个批次的板材都需制备一个残 余应力试块，这个过程需要耗费大量资金和时间，成本很高。
【发明内容】
[0005] 针对以上技术问题，本发明提供了一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力 的方法，降低了表面不平度的影响，使得到的残余应力的定量值更加准确，且具有更大的厚 度适用范围，并降低了板材疏松和板材晶粒度因素对残余应力检测精度的干扰。
[0006] 对此，本发明采用技术方案为：一种超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力的 方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤S1 :选择超声波特征频率A，获取所述特征频率A超声波在被测铝合金预拉伸 板中往返一次的特征衰减系数aA;所述特征频率A值不小于10MHz，不大于40MHz;
[0008] 步骤S2 :将特征衰减系数换算为残余应力值；具体方法为：通过超声波方法获得 表面不平度补偿系数n;通过金相分析获取被测铝合金预拉伸板的晶粒度，确定被测铝合 金预拉伸板的晶粒度补偿系数y;通过加工过程的总轧制压下率确定铝合金预拉伸板疏 松补偿系数I值；通过与XRD射线衍射法比对，确定与材料特性有关的常数a和常数b;然 后根据步骤S1得到的特征衰减系数aA，得到被测铝合金预拉伸板的残余应力值方程S= exp(baA+a)XqXyX；
[0009] 步骤S3:选择超声波探头；
[0010] 步骤S4 :在残余应力试块上进行校准；
[0011] 步骤S5 :根据步骤S4在残余应力试块上校准标定的残余应力数值，对系统增益补 偿进行校正；所述系统增益补偿是指在校准过程中，发现试块实际测量值与试块标称值不 符时，调整距离波幅校正曲线，使最终试块实际测量值与试块标称值的偏差在允许的不确 定度范围内；
[0012] 步骤S6 :对被测铝合金预拉伸板进行超声波扫描；
[0013] 步骤S7 :生成残余应力场图谱。
[0014] 步骤S1~步骤S3的顺序可以进行调换，步骤S1和步骤S2可以在步骤S6完成后 进行。优选的，先执行步骤S3、步骤S4、步骤S6 (完成步骤S6时保存被检测板材的扫描数 据），再对扫描数据进行步骤S1和步骤S2的数据处理，然后执行步骤S7生成残余应力场图 谱。同时此方案也适用于其他金属板材的残余应力的检测。
[0015] 上述方案中，将特征衰减系数换算为残余应力值的运算方程可以使用实际实验建 立的数据库进行替代，即采用实际实验的方式获取数据，将铝合金预拉伸板的特征衰减系 数与残余应力数值一一对应起来，形成完整的数据库，在检测过程中，利用数据库完成特征 衰减系数与残余应力值的转换。
[0016] 此技术方案独特地采用特征频率的数据采集方式，并用该数据计算特征衰减系 数，提高了残余应力检测的灵敏度。
[0017] 进一步优选的，所述超声波无损评估铝合金预拉伸板残余应力的方法应用于铝合 金预拉伸板的残余应力评估。
[0018] 作为本发明的进一步改进，将所述特征衰减系数换算为残余应力值采用以下方 法：通过超声波方法获得表面不平度补偿系数n;通过金相分析获取被测铝合金预拉伸 板的晶粒度，确定被测铝合金预拉伸板的晶粒度补偿系数y;通过加工过程的总轧制压 下率确定铝合金预拉伸板疏松补偿系数I值；通过与XRD射线衍射法比对，确定被测铝 合金预拉伸板的常数a和常数b，所述常数a和常数b与被测铝合金预拉伸板的材料特 性有关，每种合金牌号和合金状态对应的常数a和常数b不同，需实际测量而定。然后 根据步骤S1得到的特征衰减系数aA，得到被测铝合金预拉伸板的残余应力值方程S= exp (b a A+a) X q X y X|。
[0019] 特征频率A的超声波衰减主要与残余应力、晶粒度、材料本身存在的密集型缺陷 (例如疏松）和表面的不平度等有关。本发明的技术方案为了准确地获得残余应力的数值， 同时考虑到表面不平度、晶粒度、疏松对被测板材的残余应力检测的干扰，在残余应力值方 程中将干扰因素造成的影响进行排除。并引入板材疏松和板材晶粒度补偿系数，降低板材 疏松和板材晶粒度因素对残余应力检测精度的干扰。
[0020] 综合而言，本发明的技术方案创造性的通过建立数据库的方式，将表面不平度、晶 粒度、疏松的影响因素纳入到残余应力的计算式中，减少了干扰，提高了残余应力检测的精 度和准确度。
[0021] 作为本发明的进一步改进，所述表面不平度补偿系数n的获取方法为：将跟踪闸 门放置在被检测材料上表面回波信号上，在对被检测材料的扫描过程中获取板材表面不平 度数据，从而计算出表面不平度补偿系数n。
[0022] 作为本发明的进一步改进，铝合金预拉伸板疏松补偿系数I值由总轧制压下率 决定，总轧制压下率大于或等于80 %的，|为1.0;总轧制压下率为60%~80%，|为 0?1~1.0〇
[0023] 进一步优选的，所述铝合金预拉伸板疏松补偿系数I值由第一轧制道次压下量 和总轧制压下率综合决定。当第一轧制道次压下量达到20mm以上时，总轧制压下率大于或 等于70%时，〖为1.0。
[0024] 作为本发明的进一步改进，所述被测铝合金预拉伸板的晶粒度采用在被测铝合金 预拉伸板的头部和尾部分别截取样品进行金相分析获得。
[0025] 作为本发明的进一步改进，所述被测铝合金预拉伸板的晶粒度采用超声波方法检 测被测铝合金预拉伸板得到。
[0026] 作为本发明的进一步改进，所述特征衰减系数的获取步骤为：在10MHz~40MHz中 选择特征频率A，对被测铝合金预拉伸板进行超声扫描，获取所述特征频率A超声波对被测 铝合金预拉伸板的第一次上表面波波幅氏和第一次底波波幅H2，并测试被检测板材厚度T， 然后按R
计算得到特征衰减系数aA。
[0027] 现有的测量衰减系数方法是直接测量第一次上表面回波波幅和第一底面回波波 幅，从而计算出全波衰减系数。但是，由于超声波探头所发射出的超声波频率除了标称值的 中心频率外，还发射其他频率的超声波，由于各种频率的超声波与板材内部组织的相互作 用复杂，使用全波衰减系数作为残余应力检测的数据源将带来较大的干扰。为了尽可能减 少其他频率超声波给残余应力测量带来误差，本发明仅使用某个特定频率的超声波对残余 应力进行测量，在10MHz~40MHz中选择一个特定的值，称为特征频率A。所述特征频率A 优选15MHz~25MHz之间的一个定值，更优选为20MHz。使用特征频率A超声波的第一次上 表面波波幅和第一次底波波幅计算出特征频率超声波在被检测材料中往返一次的特征衰 减系数，从而提高残余应力检测的灵敏度。
[0028] 作为本发明的进一步改进，所述超声波探头为频率为10MHz~40MHz的接触式直 探头或水浸式超声波探头或相控阵超声波探头。为表征残余应力的较佳频率范围，超声波 频率范围优选为15MHz~25MHz。
[0029] 作为本发明的进一步改进，所述待测板材的厚度为6~12mm时，采用水浸式聚焦 探头；所述待测板材的厚度大于