航空用铝合金预拉伸板残余应力在线调控方法及调控系统与流程

本发明涉及铝合金残余应力调控领域，具体涉及航空用铝合金预拉伸板残余应力在线调控方法及调控系统。

背景技术：

铝加工行业内，一般将厚度35mm～80mm范围的板材称为铝合金厚板；将厚度80mm～200mm范围的板材称为铝合金特厚板；将厚度大于200mm的板材称为铝合金预拉伸板。工业化生产高端铝合金航空预拉伸厚板的主要的意图是实现大飞机的减重。飞机结构件的整体化和大型化就需要采用更厚截面的航空铝合金材料作为原材料加工成航空零部件。极厚铝合金预拉伸板的残余应力调控难题是制约高附加值铝合金厚板应用的技术瓶颈。目前在航空铝合金板材工业化生产所使用最普遍的残余应力调控方法是机械拉伸方法：使用拉伸机夹持铝合金板的两端并施加一定的拉伸力使板材产生一般为2.0％～3.0％的塑性变形。该方法可以使厚度方向上的残余应力以优化的方式重新分布，从而减小厚板的cnc加工时的变形量。在铝加工行业中，采用“熔炼-除气除渣-铸造-均匀化及去应力-锯切-铣面-加热-热轧-切头尾-固溶淬火-拉伸-成品锯切-包装”的工艺流程进行铝合金预拉伸板的生产制造。机械拉伸工序是消减残余应力的关键工序。然而，在生产铝合金预拉伸超厚板时，特别是生产铝合金预拉伸极厚板时，机械拉伸消减残余应力工序面临以下两个困难：

第一个困难是缺乏在线式评估最合适机械拉伸塑性变形率的技术。根据目前掌握的工业数据，仅能了解到机械拉伸塑性变形率为2.0％～3.0％范围内可以获得较好的残余应力消减效果，但不知道具体的数值。目前未见到详细可靠的关于极厚板应具体使用多少塑性变形率的相关研究和报道。目前离线式的破坏性残余应力检测方法已经较成熟，而且一些离线式的残余应力无损检测方法也已经被报道。但还缺乏一种能够在机械拉伸过程定量评估应力消减效果的方法，用于确定特定轧制批次号的铝合金预拉伸板应在产生多少机械拉伸塑性变形率时停止机械拉伸的动作。

第二个瓶颈是由于航空零部件设计人员要求获得更宽更厚规格的铝合金预拉伸板作为原料生产高附加值的集成化大型航空零部件。这对国内目前投入使用的残余应力消减大型拉伸机的能力发出了挑战。大型拉伸机使用的是钳块咬紧板材表面，依靠钳块表面与板材端部表面产生的摩擦力的方法向铝板施加拉伸力。现有技术条件下，大型拉伸机对铝板施加拉伸力的能力约0.050mn/mm～0.060mn/mm。例如一个宽度为400mm的钳块能够承受最大载荷的范围为20mn～24mn，当这个钳块的实际载荷超过该范围时钳块很可能打滑。当f(拉伸力)＞s(横截面面积)×σ(屈服强度)时，铝合金预拉伸板才会进入塑性变形阶段。产生塑性变形区域的横截面面积越大，则需要的拉伸力越大。进一步，当板材宽度固定时，板材厚度越大，所需要的拉伸力也越大。大型拉伸机对极厚板的残余应力消减能力除了受大型拉伸机最大吨位影响以外，还受到钳块可能产生打滑导致拉伸失败的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，在本发明的目的之一在于提供航空用铝合金预拉伸板残余应力在线调控方法，解决现有技术中铝合金板在拉伸过程中残余应力消除效果差的技术问题。该方法具有快速、操作方便﹑检测精度高的特点，本发明的目的之二在于提供一种航空用铝合金预拉伸板残余应力在线调控系统。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种航空用铝合金预拉伸板残余应力在线调控方法，所述方法包括如下步骤：

1)制备零残余应力标定试块；

2)对零残余应力标定试块在宽度方向上的超声波纵波波速进行检测，利用波速值表征铝合金预拉伸板不同厚度层的应力零点值；

3)在铝合金预拉伸板的弹性变形阶段内对板材逐步加载预拉伸力并测量板材中的超声波纵波波速，绘制波速与应力关系图；

4)再次拉伸使步骤3)所得铝合金板进入屈服阶段，实时检测应力，直至铝合金板残余应力符合要求，所述再次拉伸包括一次拉伸或多次拉伸；

步骤1)中，当制作试块的铝合金预拉伸板厚度≥110mm时，所述零残余应力标定试块包括切割制作试块的铝合金预拉伸板所获得的3～10个不同厚度层的试块组件；当20mm≤制作试块的铝合金预拉伸板厚度＜110mm时，所述零残余应力标定试块是标记了3～10个不同厚度区域的制作试块的铝合金预拉伸板；

步骤3)所述超声波纵波波速用以下公式计算：

式中w0为塑性变形前测量出来的板材宽度，x为塑性变形率，t为超声波往返一次试块宽度方向距离的传播时间。

优选的是，步骤3)中所述的铝合金预拉伸板宽度为1000mm～1800mm，长度为2000mm～15000mm，厚度为80mm～350mm。

优选的是，步骤1)中所述的零残余应力标定试块由2％～3％塑性变形率的铝合金预拉伸板制得。

优选的是，步骤1)中所述的零残余应力标定试块为哑铃型试块，所述试块长度方向有有4个圆弧弧线，圆弧直径为500mm～1500mm；所述哑铃型试块宽度值满足：

其中w0为板材原始宽度，单位为mm；δ为大型拉伸机宽度上单位最大载荷，单位为mn/mm；t为板材名义厚度，单位为mm；σ0.2为该合金牌号铝板在固溶淬火后4小时内对应合金状态的屈服强度，单位为mpa。

优选的是，步骤1)中所述试块组件按照如下方法进行消除残余应力：将切割所得的试块分别固定在振动时效平台上，使用3～5个橡胶支撑座对试块进行支撑，采用偏心角25°～50°，振动时间15分钟～60分钟的振动时效工艺进行残余应力消减；

所述标记了3～10个不同厚度区域的铝合金预拉伸板使用上坡淬火技术消减残余应力，将试块原料放入深冷箱中，在-150℃～-195℃下保温4～8小时，然后取出试块原料，在5秒钟之内将试块原料转移至90℃～100℃的沸水中，保温15～60分钟，再将试块固定在振动时效平台上，使用3～5个橡胶支撑座对试块进行支撑，采用偏心角25°～50°，振动时间15分钟～60分钟的振动时效工艺进行残余应力消减。

优选的是，步骤2)所述零残余应力试块中超声波纵波波速用以下公式计算：

其中w为试块宽度，t为超声波往返一次试块宽度方向距离的传播时间。

根据本发明的另一个目的，本发明提供一种航空用铝合金预拉伸板残余应力在线调控系统，所述调控系统包括拉伸机夹钳模块、待检测的铝合金预拉伸板、相控阵超声波仪器、相控阵超声波探头、线缆、探头固定装置，所述探头固定装置包括以及钳块、轨道、探头压紧块、锁紧螺栓以及定位螺栓；

所述待检测的铝合金预拉伸板固定于拉伸机夹钳模块上，所述相控阵超声波探头通过探头压紧块贴合于待检测的铝合金预拉伸板上，探头压紧块通过锁紧螺栓固定在轨道上，轨道通过钳块固定在铝合金预拉伸板上，所述钳块与轨道可滑动连接，钳块通过定位螺栓固定在轨道上，相控阵超声波探头通过线缆将信号传输至相控阵超声波检测仪。

优选的是，所述相控阵超声波探头参数为：晶元高度为8mm～20mm，晶元间距为0.7mm～3.1mm，晶元宽度为0.6mm～3.0mm，晶元数为64个～256个，探头的中心频率为1mhz～5mhz。

优选的是，所述相控阵超声波探头参数为：晶元高度为10mm～16mm；晶元间距为1.1mm～2.1mm；晶元宽度为1.1mm～2.0mm；晶元数为128个～256个，探头的中心频率为优选为2.0mhz～3.5mhz。

优选的是，所述相控阵超声波探头的超声波发射面上涂有耦合剂。

本发明通过把铝合金预拉伸板加工成特殊的几何形状，满足大型拉伸机的使用条件，为使用机械拉伸方法成功制备出低残余应力铝合金预拉伸板提供技术保证。采用大型拉伸机对铝合金预拉伸板进行机械拉伸并配合所述在线式残余应力检测技术和机械拉伸残余应力的调控技术，可以大幅提高铝合金预拉伸板的成品率，高效率地生产航空铝合金厚板，具有较高的经济价值。使用优化的机械拉伸方法处理航空铝合金厚板可以消减的残余应力达90％以上，且在拉伸过程中能根据获得的数据及时进行拉伸工艺的调整，适用于处理规格范围跨度大的铝合金中厚板产品。

本发明所述残余应力在线调控方法针完成固溶淬火工序后所得的铝合金厚板，可以有效地将铝合金厚板的残余应力调控至最佳分布状态。

本发明通过测量铝合金板材一个厚度截面上每个厚度层的平均应力水平，可以有效地在机械拉伸残余应力消减过程中获得厚板的残余应力分布情况，并以此为依据获得最优的拉伸塑性变形率，从而使铝合金厚板获得最佳的残余应力分布状态，减小后续机械加工变形倾向。

附图说明

图1为铝合金预拉伸板的拉伸系统示意图，图中标记号：1为夹钳模块、2为待检测的铝合金预拉伸板、3为钳块、4为轨道、5为定位螺栓、6为相控阵超声波探头、7为探头压紧块、8为锁紧螺栓、9为线缆、10为相控阵超声波检测仪；

图2为探头固定装置示意图；

图3为铝合金预拉伸板和探头位置关系示意图；

图4为铝合金预拉伸板切割尺寸示意图；

图5为制备零残余应力试块试块组件结构位置示意图；

图6为应力分布状态图；

图7为哑铃形铝合金预拉伸板被大型拉伸机夹持的示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

需要对原规格为220mm×1500mm×8000mm(厚度×宽度×长度)的经固溶淬火的7050铝合金厚板在4小时内使用机械拉伸方法消减残余应力。

首先，将原形状为矩形的铝板加工成近哑铃形。为满足拉伸机的使用条件，使用曲面锯床和圆盘锯床将原规格为220mm×1500mm×8000mm的矩形铝板加工成中间宽度为800mm，两端宽度为1500mm的近哑铃形。哑铃形板材有4个过度圆弧，圆弧直径为1000mm。固溶淬火后4小时内7050极厚板的屈服强度约为385mpa。拉伸机夹钳的最大能力为0.050mn/mm。使用最大载荷为100mn的大型拉伸机进行拉伸消减残余应力。在拉伸过程中，按照以下步骤对该超厚板进行应力评估并进行相应的调控。

使用方程式(1)

对设计方案进行复验，其中w0为板材原始宽度，单位为mm；δ为大型拉伸机宽度上单位最大载荷，单位为mn/mm；t为板材名义厚度，单位为mm；σ0.2为该合金牌号铝板在固溶淬火后4小时内对应合金状态的屈服强度，单位为mpa。

大型拉伸机在上述条件下最大能使885mm宽度的变形区域充分塑性变形。设计的变形宽度800mm符合技术要求并有一定的工艺安全性。

然后，对近哑铃形的铝板进行在线式应力调控。在线式应力调控的实施在工程化应用前需要完成第①～第③步的准备工作：

完成相控阵探头和仪器的选型、相控阵超声波检测工艺的制定。

本实施例选择的探头是晶元高度为10mm；晶元间距为1.5mm；晶元宽度为1.4mm；晶元数为256个；晶元使用复合材料制成以保证良好的信噪比。相控阵超声波检测仪采用256通道的仪器。相控阵超声波探头的中心频率为2.5mhz。采样频率为33mhz。本实施例选用的相控阵超声波激发法则为：虚拟探头晶元数为15个。电子扫描步进为5个晶元。激发模式为2个虚拟探头并行激发超声波纵波。相控阵偏转角为0度。超声波声束呈90度入射检测面。

零残余应力标定试块的制备

选取经固溶淬火的220mm×1500mm×8000mm的7050铝合金厚板作为截取试块原料的备用板材。在对该板材进行机械拉伸前，在板材的中心沿着轧制方向(长度方向)画一条长度为1000mm的线。经机械拉伸塑性变形后测量原长度为1000mm的线的实际长度，从而对实际拉伸塑性变形率进行验证。经机械拉伸后，当该板材的实际塑性变形率数值在2.5±0.2％时允许作为试块原料取样的板材。按照图4所示的方法，从该板材上截取尺寸为220mm×400mm×400mm的试块原料。试块原料距离板材头部1000mm，试块的中心位置位于板材的中心线上(试块边部与板材边部的距离600mm)从而避开整块板材中残余应力较高的头尾和边部区域。

使用分层切割的方式对残余应力进行释放。沿着试块原料的厚度方向切割出厚度均为25mm±1mm的试块共4块，分别为包含板材厚度一半的代表中间层组织的1号试块，与1号试块相邻的2号试块，与2号试块相邻的3号试块，包含轧制面的代表近表面层组织的4号试块，见图5。

使用振动时效的方法对4块试块进行残余应力消减，使试块的残余应力进一步释放。由于试块原料经分层切割，获得了更多的自由界面，在振动时效时可以更充分地产生应力松弛。将试块固定在振动时效平台上，使用4个橡胶支撑座对试块进行支撑。采用的振动时效工艺为偏心角为30°振动时间为20min。经振动时效后，完成零残余应力标定试块组件的制备。

相控阵超声波残余应力测量系统零点的标定

精确地测量1号试块的宽度方向的距离，需要使用该距离计算超声波传播速度(长度方向平行于轧制方向，宽度方向垂直于轧制方向)。将相控阵超声波探头放置在板材长度方向和厚度方向构成的平面上，让超声波纵波沿着试块的宽度方向传播，并通过相控阵超声波仪器上的信号闸门读取往返一次1号试块宽度方向距离的传播时间。

使用公式(2)计算波速，其中w为试块宽度，t为超声波往返一次试块宽度方向距离的传播时间。

计算出1号零残余应力标定试块上超声波纵波的传播速度6308mm/s。并依照此方法分别测量出2号试块的超声波纵波的传播速度为6297mm/s、3号试块的超声波纵波的传播速度为6295mm/s、4号零残余应力标定试块上的超声波纵波的传播速度为6304mm/s。然后将这些试块的超声波纵波的传播速度录入相控阵超声波残余应力测量系统，作为检测厚度为220mm的7050铝合金厚板的厚度方向的残余应力零点值。本发明所述技术中超声波纵波是沿着板材宽度方向传播的，即垂直于轧制方向传播的，可以表征不同厚度层宽度方向的应力。当板材的位于中心部位厚度层(对应1号试块的位置)沿着板材宽度方向的残余应力为压应力时，超声波的传播速度大于6308mm/s。当板材的位于中心部位厚度层(对应1号试块的位置)沿着板材宽度方向的残余应力为拉应力时，超声波的传播速度小于6308mm/s。其他厚度层的情况以此类推。

然后实施第④～第⑦步对铝合金厚板进行残余应力评估与调控的具体工程应用实施：

板材上料及探头、线缆、仪器的安装

将需要进行在线式残余应力评估和调控的铝合金厚板上料至大型拉伸机。哑铃形铝板被大型拉伸机夹持稳的示意图见图7。控制大型拉伸机的对中装置将板材对中后，进行相控阵超声波探头的安装。安装过程涉及到的零件参考图1～图3。

首先，调节钳块(3)的距离，使钳块(3)正好能夹紧铝合金厚板。然后上紧定位螺栓(5)使轨道(4)与钳块(3)位置固定。在相控阵超声波探头(6)的超声波发射面上涂上医用耦合剂。松开探头压紧块(7)以便涂有医用耦合剂的相控阵超声波探头(6)能够准确地进入探头压紧块(7)的位置。上紧锁紧螺栓(8)和探头压紧块(7)，使相控阵超声波探头(6)被压紧在检测位置上。将相控阵超声波探头(6)与线缆(9)连接。将线缆(9)与相控阵超声波检测仪(10)连接。经测试信号传输正常后，控制大型拉伸机，让拉伸机的夹钳模块(1)夹紧铝合金厚板(2)。

对板材逐步加载预拉伸力并将应力与超声波纵波传播速度的关系录入系统

通过零残余应力标定试块的制备和相控阵超声波残余应力测量系统零点的标定工作，已经让系统能够对残余应力进行定性(判断应力方向是拉应力还是压应力)但还不能对残余应力进行定量。本操作步骤的目的即是对本实施例残余应力定量的准备工作。

在大型拉伸机上设定预拉伸力为225mpa。这是根据固溶淬火后4小时内7050铝合金的应力-应变曲线的临界屈服点决定的数值。当大型拉伸机对7050铝合金厚板加载的拉伸力处于0mpa～225mpa范围时，铝合金厚板处于弹性变形阶段，而没有进入屈服阶段和塑性变形阶段。根据体积不变的原理，为提高检测精度，将板材拉伸弹性变形时板材宽度减小的效应考虑在内，对预拉伸力加载时的超声波纵波传播速度用以下公式(3)进行修正：

其中w为进行一定量的塑性变形后的板材宽度。w0为塑性变形前使用常规方法测量出来的板材宽度。x为塑性变形率，可以从大型拉伸机系统的人机界面上读出。

在逐渐加载拉伸力的过程中，记录各厚度层超声波传播速度与拉伸力的对应关系并绘制和记录下出相应的曲线。利用超声波波传播速度与拉伸力(拉应力)的关系曲线，反向绘制出超声波波传播速度与压应力的关系曲线，从而结合零残余应力标定的零点获得各个厚度层完整的超声波波传播速度与应力的关系曲线。至此，在线式应力评估系统已经能对7050厚板的应力进行定性和定量的测量。

在线式应力评估与调控

预拉伸阶段完成后，大型拉伸机继续在7050厚板上加载拉伸力使其进入屈服阶段。大型拉伸机让7050厚板的塑性变形率达到1.5％时，停止拉伸并卸载拉伸力。然后使用相控阵超声波系统对7050厚板进行应力测量，从而判断是否塑性变形率已经足够和计算需要再增加多少塑性变形率。根据“拉伸变形-卸载拉伸力-应力检测”的步骤循环进行直至符合质量要求才停止。

此时，测量获得的7050厚板的厚度方向应力仍表现为较高的近表面压应力和中心的拉应力，应力分布状态见图6的曲线“1.50％”。结合工程经验数据判断该7050厚板仍需要再额外增加至2.43％塑性变形率才能达到最佳的残余应力调控效果。设定程序使大型拉伸机对7050厚板加载拉伸力直至机械拉伸塑性变形率达到2.43％。然后再进行一次应力测量，发现应力分布经调控后达到较理想的“w”形见图6的曲线“2.43％”。

数据记录

将7050厚板的最终应力分布图与批次号、塑性变形率的数据一起保存在电脑中存档备查，以便后续追溯。

实施例2：

需要对原规格为240mm×1600mm×6500mm的经固溶淬火的7a85铝合金厚板在4小时内使用机械拉伸方法消减残余应力。

将原形状为矩形的铝板加工成近哑铃形。为满足拉伸机的使用条件，使用曲面锯床和圆盘锯床将原规格为240mm×1600mm×6500mm的矩形铝板加工成中间宽度为900mm，两端宽度为1600mm的近哑铃形。哑铃形板材有4个过度圆弧，圆弧直径为1200mm。固溶淬火后4小时内7a85极厚板的屈服强度约为390mpa。拉伸机夹钳的最大能力为0.055mn/mm。使用最大载荷为100mn的大型拉伸机进行拉伸消减残余应力。在拉伸过程中，按照以下步骤对该超厚板进行应力评估并进行相应的调控。

使用实施例1中公式(1)对设计方案进行复验，大型拉伸机在上述条件下最大能使940mm宽度的变形区域充分塑性变形。设计的变形宽度900mm符合技术要求并有一定的工艺安全性。

在实施工程化应用前需要完成第①～第③步的准备工作：

完成相控阵探头和仪器的选型、相控阵超声波检测工艺的制定。

本实施例选择的探头是晶元高度为10mm；晶元间距为1.1mm；晶元宽度为1.0mm；晶元数为256个；晶元使用复合材料制成以保证良好的信噪比。相控阵超声波检测仪采用128通道的仪器。相控阵超声波探头的中心频率为3.5mhz。采样频率为33mhz。本实施例选用的相控阵超声波激发法则为：虚拟探头晶元数为14个。电子扫描步进为4个晶元。激发模式为3个虚拟探头并行激发超声波纵波。相控阵偏转角为0度。超声波声束呈90度入射检测面。

零残余应力标定试块的制备

选取经固溶淬火的厚度为240mm的7a85铝合金厚板作为截取试块原料的备用板材。在对该板材进行机械拉伸前，在板材的中心沿着轧制方向(长度方向)画一条长度为1000mm的线。经机械拉伸塑性变形后测量原长度为1000mm的线的实际长度，从而对实际拉伸塑性变形率进行验证。经机械拉伸后，当该板材的实际塑性变形率数值在2.5±0.2％时允许作为试块原料取样的板材。从该板材上截取尺寸为100mm×300mm×300mm的试块原料。试块原料距离板材头部1200mm，试块的中心位置位于板材的中心线上(试块边部与板材边部的距离600mm)从而避开整块板材中残余应力较高的头尾和边部区域。

使用标记笔将不同厚度层划分成4个区域，中心区域为1号区域，近表面区域为4号区域。采用上坡淬火后再进行振动时效的方法对整块试块原料进行残余应力消减。

上坡淬火消减残余应力的工艺为将试块原料放入深冷箱中，在-185℃下保温4.5小时，然后取出试块原料，在5秒钟之内将试块原料转移至约100℃的沸水中，保温30分钟。

然后对试块原料使用振动时效的方法进行残余应力消减，使试块的残余应力进一步释放。将试块固定在振动时效平台上，使用4个橡胶支撑座对试块进行支撑。采用的振动时效工艺为：偏心角采用35°振动时间为18min。经振动时效后，完成零残余应力标定试块的制备。

相控阵超声波残余应力测量系统零点的标定

精确地测量试块的宽度方向的距离，需要使用该距离计算超声波传播速度(长度方向平行于轧制方向，宽度方向垂直于轧制方向)。将相控阵超声波探头放置在板材长度方向和厚度方向构成的平面上，让超声波纵波沿着试块的宽度方向传播，并通过相控阵超声波仪器上的信号闸门读取往返一次1号试块宽度方向距离的传播时间。使用实施例1中公式(2)计算出使用标记笔标记出的1号区域零残余应力标定试块上超声波纵波的传播速度6302mm/s。

并依照此方法分别测量出2号区域的超声波纵波的传播速度为6296mm/s、3号区域的超声波纵波的传播速度为6297mm/s、4号区域上的超声波纵波的传播速度为6304mm/s。然后将这些试块的超声波纵波的传播速度录入相控阵超声波残余应力测量系统，作为检测厚度为240mm的7a75铝合金厚板的厚度方向的残余应力零点值。

然后实施第④～第⑦步对铝合金厚板进行残余应力评估与调控的具体工程应用实施：

板材上料及探头、线缆、仪器的安装

将需要进行在线式残余应力评估和调控的经固溶淬火的近哑铃形7a85铝合金厚板上料至大型拉伸机。控制大型拉伸机的对中装置将板材对中后，进行相控阵超声波探头的安装。安装过程涉及到的零件参考图1～图3。

首先，调节钳块(3)的距离，使钳块(3)正好能夹紧厚度为220mm的铝合金厚板。然后上紧定位螺栓(5)使轨道(4)与钳块(3)位置固定。在相控阵超声波探头(6)的超声波发射面上涂上医用耦合剂。松开探头压紧块(7)以便涂有医用耦合剂的相控阵超声波探头(6)能够准确地进入探头压紧块(7)的位置。上紧锁紧螺栓(8)和探头压紧块(7)，使相控阵超声波探头(6)被压紧在检测位置上。将相控阵超声波探头(6)与线缆(9)连接。将线缆(9)与相控阵超声波检测仪(10)连接。经测试信号传输正常后，控制大型拉伸机，让拉伸机的夹钳模块(1)夹紧铝合金厚板(2)。

对板材逐步加载预拉伸力并将应力与超声波纵波传播速度的关系录入系统。

在大型拉伸机上设定预拉伸力为230mpa。这是根据固溶淬火后4小时内7a85铝合金的应力-应变曲线的临界屈服点决定的数值。当大型拉伸机对7a85铝合金厚板加载的拉伸力处于0mpa～230mpa范围时，铝合金厚板处于弹性变形阶段，而没有进入屈服阶段和塑性变形阶段。根据体积不变的原理，为提高检测精度，将板材拉伸弹性变形时板材宽度减小的效应考虑在内，对预拉伸力加载时的超声波纵波传播速度实施例1中公式(3)用以下公式进行修正。

在逐渐加载拉伸力的过程中，记录各厚度层超声波传播速度与拉伸力的对应关系并绘制和记录下出相应的曲线。利用超声波波传播速度与拉伸力(拉应力)的关系曲线，反向绘制出超声波波传播速度与压应力的关系曲线，从而结合零残余应力标定的零点获得各个厚度层完整的超声波波传播速度与应力的关系曲线。至此，在线式应力评估系统已经能对7a85厚板的应力进行定性和定量的测量。

在线式应力评估与调控

预拉伸阶段完成后，大型拉伸机采取慢速拉伸的方式使7a85厚板发生屈服。同时观察相控阵超声波系统中显示的板材厚度方向上的应力分布，当拉伸变形率达到2.52％时，应力分布情况达到最合理时停止机械拉伸并卸载拉伸力。此时再读取相控阵超声波系统中显示的板材最终应力分布图，对拉伸消减残余应力的效果进行确认。

数据记录

将7a85厚板的最终应力分布图与批次号、塑性变形率的数据一起保存在电脑中存档备查，以便后续追溯。

实施例3

需要对原规格为350mm×1800mm×15000mm的经固溶淬火的7050铝合金厚板在4小时内使用机械拉伸方法消减残余应力。

首先，将原形状为矩形的铝板加工成近哑铃形。为满足拉伸机的使用条件，使用曲面锯床和圆盘锯床将原规格为350mm×1800mm×15000mm的矩形铝板加工成中间宽度为800mm，两端宽度为1500mm的近哑铃形。所述试块的宽度方向为直线，哑铃形板材有4个过度圆弧，圆弧直径为500mm。固溶淬火后4小时内7050极厚板的屈服强度约为385mpa。拉伸机夹钳的最大能力为0.050mn/mm。使用最大载荷为100mn的大型拉伸机进行拉伸消减残余应力。在拉伸过程中，按照以下步骤对该超厚板进行应力评估并进行相应的调控。

使用实施例1中公式(1)方程式对设计方案进行复验，大型拉伸机在上述条件下最大能使885mm宽度的变形区域充分塑性变形。设计的变形宽度800mm符合技术要求并有一定的工艺安全性。

然后，对近哑铃形的铝板进行在线式应力调控。在线式应力调控的实施在工程化应用前需要完成第①～第③步的准备工作：

完成相控阵探头和仪器的选型、相控阵超声波检测工艺的制定。

本实施例选择的探头是晶元高度为20mm；晶元间距为3.1mm；晶元宽度为3.0mm；晶元数为64个；晶元使用复合材料制成以保证良好的信噪比。相控阵超声波检测仪采用256通道的仪器。相控阵超声波探头的中心频率为5mhz。采样频率为33mhz。本实施例选用的相控阵超声波激发法则为：虚拟探头晶元数为15个。电子扫描步进为5个晶元。激发模式为2个虚拟探头并行激发超声波纵波。相控阵偏转角为0度。超声波声束呈90度入射检测面。

零残余应力标定试块的制备

选取经固溶淬火的350mm×1800mm×15000mm的7050铝合金厚板作为截取试块原料的备用板材。在对该板材进行机械拉伸前，在板材的中心沿着轧制方向(长度方向)画一条长度为1000mm的线。经机械拉伸塑性变形后测量原长度为1000mm的线的实际长度，从而对实际拉伸塑性变形率进行验证。经机械拉伸后，当该板材的实际塑性变形率数值在2％时允许作为试块原料取样的板材。按照图4所示的方法，从该板材上截取尺寸为110mm×400mm×400mm的试块原料。试块的中心位置位于板材的中心线上(试块边部与板材边部的距离600mm)，从而避开整块板材中残余应力较高的头尾和边部区域。

使用分层切割的方式对残余应力进行释放。沿着试块原料的厚度方向切割出厚度均为15mm±1mm的试块共3块，分别为包含板材厚度一半的代表中间层组织的1号试块，与1号试块相邻的2号试块，包含轧制面的代表近表面层组织的3号试块。

将试块固定在振动时效平台上，使用3个橡胶支撑座对试块进行支撑。采用的振动时效工艺为偏心角为25°振动时间为15min。经振动时效后，完成零残余应力标定试块组件的制备。

相控阵超声波残余应力测量系统零点的标定

精确地测量1号试块的宽度方向的距离。将相控阵超声波探头放置在板材长度方向和厚度方向构成的平面上，让超声波纵波沿着试块的宽度方向传播，并通过相控阵超声波仪器上的信号闸门读取往返一次1号试块宽度方向距离的传播时间。使用实施例1中公式(2)分别计算出1-3号零残余应力标定试块上超声波纵波的传播速度，然后将这些试块的超声波纵波的传播速度录入相控阵超声波残余应力测量系统，作为检测厚度为110mm的7050铝合金厚板的厚度方向的残余应力零点值。然后实施第④～第⑦步对铝合金厚板进行残余应力评估与调控的具体工程应用实施：

板材上料及探头、线缆、仪器的安装

所述的板材上料及探头、线缆、仪器的安装方法与实施例1相同。

对板材逐步加载预拉伸力并将应力与超声波纵波传播速度的关系录入系统

在大型拉伸机上设定预拉伸力为225mpa。这是根据固溶淬火后4小时内7050铝合金的应力-应变曲线的临界屈服点决定的数值。当大型拉伸机对7050铝合金厚板加载的拉伸力处于0mpa～225mpa范围时，铝合金厚板处于弹性变形阶段，而没有进入屈服阶段和塑性变形阶段。对预拉伸力加载时的超声波纵波传播速度使用实施例1中公式(3)修正。

在逐渐加载拉伸力的过程中，记录各厚度层超声波传播速度与拉伸力的对应关系并绘制和记录下出相应的曲线。利用超声波波传播速度与拉伸力(拉应力)的关系曲线，反向绘制出超声波波传播速度与压应力的关系曲线，从而结合零残余应力标定的零点获得各个厚度层完整的超声波波传播速度与应力的关系曲线。至此，在线式应力评估系统已经能对7050厚板的应力进行定性和定量的测量。

在线式应力评估与调控

预拉伸阶段完成后，大型拉伸机继续在7050厚板上加载拉伸力使其进入屈服阶段。大型拉伸机让7050厚板的塑性变形率达到1.5％时，停止拉伸并卸载拉伸力。应力检测之后设定程序使大型拉伸机对7050厚板加载拉伸力直至机械拉伸塑性变形率达到2.43％。然后再进行一次应力测量，得到所需的铝合金板。

数据记录

将7050厚板的最终应力分布图与批次号、塑性变形率的数据一起保存在电脑中存档备查，以便后续追溯。

实施例4：

需要对原规格为80mm×1000mm×2000mm的经固溶淬火的7a85铝合金厚板在4小时内使用机械拉伸方法消减残余应力。

将原形状为矩形的铝板加工成近哑铃形。为满足拉伸机的使用条件，使用曲面锯床和圆盘锯床将原规格为80mm×1000mm×2000mm的矩形铝板加工成中间宽度为900mm，两端宽度为1000mm的近哑铃形。哑铃形板材有4个过度圆弧，圆弧直径为1500mm。固溶淬火后4小时内7a85极厚板的屈服强度约为390mpa。拉伸机夹钳的最大能力为0.055mn/mm。使用最大载荷为100mn的大型拉伸机进行拉伸消减残余应力。在拉伸过程中，按照以下步骤对该超厚板进行应力评估并进行相应的调控。

使用实施例1中公式(1)对设计方案进行复验，大型拉伸机在上述条件下最大能使940mm宽度的变形区域充分塑性变形。设计的变形宽度900mm符合技术要求并有一定的工艺安全性。

在实施工程化应用前需要完成第①～第③步的准备工作：

完成相控阵探头和仪器的选型、相控阵超声波检测工艺的制定。

本实施例选择的探头是晶元高度为16mm；晶元间距为2.1mm；晶元宽度为20mm；晶元数为128个；晶元使用复合材料制成以保证良好的信噪比。相控阵超声波检测仪采用128通道的仪器。相控阵超声波探头的中心频率为3.5mhz。采样频率为33mhz。本实施例选用的相控阵超声波激发法则为：虚拟探头晶元数为14个。电子扫描步进为4个晶元。激发模式为3个虚拟探头并行激发超声波纵波。相控阵偏转角为0度。超声波声束呈90度入射检测面。

零残余应力标定试块的制备

选取经固溶淬火的厚度为240mm的7a85铝合金厚板作为截取试块原料的备用板材。在对该板材进行机械拉伸前，在板材的中心沿着轧制方向(长度方向)画一条长度为1000mm的线。经机械拉伸塑性变形后测量原长度为1000mm的线的实际长度，从而对实际拉伸塑性变形率进行验证。经机械拉伸后，当该板材的实际塑性变形率数值在3％时允许作为试块原料取样的板材。从该板材上截取尺寸为80mm×300mm×300mm的试块原料。试块的中心位置位于板材的中心线上(试块边部与板材边部的距离600mm)，从而避开整块板材中残余应力较高的头尾和边部区域。

使用标记笔将不同厚度层划分成3个区域，中心区域为1号区域，近表面区域为10号区域。将试块原料放入深冷箱中，在-150℃下保温8小时，然后取出试块原料，在5秒钟之内将试块原料转移至约90℃的沸水中，保温60分钟。

然后对试块原料使用振动时效的方法进行残余应力消减，使试块的残余应力进一步释放。将试块固定在振动时效平台上，使用5个橡胶支撑座对试块进行支撑。采用的振动时效工艺为：偏心角采用50°振动时间为60min。经振动时效后，完成零残余应力标定试块的制备。

相控阵超声波残余应力测量系统零点的标定

精确地测量试块的宽度方向的距离，将相控阵超声波探头放置在板材长度方向和厚度方向构成的平面上，让超声波纵波沿着试块的宽度方向传播，并通过相控阵超声波仪器上的信号闸门读取往返一次1号试块宽度方向距离的传播时间。使用实施例1中公式(2)计算出使用标记笔标记出的1-10号区域零残余应力标定试块上超声波纵波的传播速度。然后将这些试块的超声波纵波的传播速度录入相控阵超声波残余应力测量系统，作为检测厚度为240mm的7a75铝合金厚板的厚度方向的残余应力零点值。

然后实施第④～第⑦步对铝合金厚板进行残余应力评估与调控的具体工程应用实施：

板材上料及探头、线缆、仪器的安装

所述的板材上料及探头、线缆、仪器的安装方法与实施例1相同。

对板材逐步加载预拉伸力并将应力与超声波纵波传播速度的关系录入系统。

在大型拉伸机上设定预拉伸力为230mpa。这是根据固溶淬火后4小时内7a85铝合金的应力-应变曲线的临界屈服点决定的数值。当大型拉伸机对7a85铝合金厚板加载的拉伸力处于0mpa～230mpa范围时，铝合金厚板处于弹性变形阶段，而没有进入屈服阶段和塑性变形阶段。对预拉伸力加载时的超声波纵波传播速度使用实施例1中公式(3)进行修正。

在逐渐加载拉伸力的过程中，记录各厚度层超声波传播速度与拉伸力的对应关系并绘制和记录下出相应的曲线。利用超声波波传播速度与拉伸力(拉应力)的关系曲线，反向绘制出超声波波传播速度与压应力的关系曲线，从而结合零残余应力标定的零点获得各个厚度层完整的超声波波传播速度与应力的关系曲线。至此，在线式应力评估系统已经能对7a85厚板的应力进行定性和定量的测量。

在线式应力评估与调控

预拉伸阶段完成后，大型拉伸机采取慢速拉伸的方式使7a85厚板发生屈服。同时观察相控阵超声波系统中显示的板材厚度方向上的应力分布，当拉伸变形率达到2.52％时，应力分布情况达到最合理时停止机械拉伸并卸载拉伸力。此时再读取相控阵超声波系统中显示的板材最终应力分布图，对拉伸消减残余应力的效果进行确认。

数据记录

将7a85厚板的最终应力分布图与批次号、塑性变形率的数据一起保存在电脑中存档备查，以便后续追溯。