一种超声波测量焊接残余应力的误差修正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于修正由测试区域和零应力标定块微观组织差异导致的超声 波测量焊接残余应力的误差修正方法，属于焊接残余应力的无损检测领域。
【背景技术】
[0002] 随着中国高速列车轨道交通的飞速发展，焊接作为轨道交通中的一项关键技术， 焊接质量在一定程度也决定高速列车车辆的质量，焊接残余应力水平是评价焊接质量的重 要标准，因为焊接残余应力产生的破坏是焊接接头破坏的主要原因，因此对焊接残余应力 水平的快速、高效、无损监测、评定工业意义巨大。
[0003] X射线对残余应力的测试只能测试几十个微米厚度，对待测样的表面质量要求较 高，受到表面的质量状态影响较大；中子衍射法残余应力测试设备重大、昂贵，很难实现生 产现场的残余应力测试；磁粉法残余应力测试只能用于磁性测量的测试，重复性较差；精 确度最高的盲孔法，属于有损法会对待测样产生破坏，精确度也很大部分的取决于测试人 员的操作碎片；超声波法是近几年发展起来的残余应力测试方法，对操作人员无辐射危害， 测试效率高，重复性较好。
[0004] 超声波法测量残余应力属于间接性测量，超声波在待测样中的传播速度与待测样 中的残余应力存在着声弹性关系，即超声波的在待测样中的传播速度和待测样中的残余应 力基本呈现线性关系。根据超声波与待测样残余应力之间的关系，可以对待测样的残余应 力进行测试。但超声波在待测样中的传播速度不仅仅与待测样的残余应力值有关，还受待 测样的微观组织成分（成分、晶粒度、乳制方向等）的影响。在焊接过程中，母材由于局部 加热，焊缝邻近区域的母材势必会因热量的传导而受影响，焊缝形成的同时不可避免的造 成了焊缝及其周围区域的组织和性能与母材不同。其中，与焊缝相邻的母材因受热的影响 (但未熔化）而发生组织与力学性能变化的区域形成热影响区；焊缝区与热影响区的交界 线形成熔合区。在超声波法测量残余应力焊缝的过程中，以母材作为零应力标定块（假设 母材中的残余应力为零），测量超声波在待测焊件中的传播速度相对于其在母材中的传播 速度之差，然后通过计算得出待测焊件的由于焊接造成的残余应力值。这个过程，并没有考 虑待测焊件与母材之间微观组织成分的差异导致的超声波速度变化，因而最终得到的残余 应力与实际的残余应力有一定的误差。这种误差大大降低了超声波法测量残余应力的精 度，大大限制了超声波法在残余应力测试中的应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种超声波测量焊接残余应力的误差修正方法，该方法可修 正由于零应力标定块（母材）和待测焊接试件的待测区之间微观组织（成分、晶粒度、乳制 方向等）不同导致的超声波测量焊接残余应力的误差，通过这种修正方法可显著提高超声 波对残余应力的测试精度。
[0006] 本发明实现其发明目的采取的技术方案是：一种超声波测量焊接残余应力的误差 修正方法，其步骤如下：
[0007]A、制作焊接试板
[0008] 取与待测焊接试件的材料和厚度均相同的板材（待测焊接试件的母材板），制作 两对尺寸完全相同的未焊接的焊接试板（每对焊接试板由两块板材组成），一对记为焊接 试板一，另一对记为焊接试板二；
[0009] B、确定焊接特征点
[0010] B1、采用与焊接待测焊接试件相同的焊接工艺参数对焊接试板一进行焊接；然后 分别在焊缝的起弧区域、稳定区域和收弧区域截取条状的与焊缝方向垂直的起弧区试样、 稳定区试样和收弧区试样；所述起弧区试样、稳定区试样和收弧区试样均包括焊缝区、熔合 区、热影响区和母材区；
[0011] B2、对B1步截取的起弧区试样、稳定区试样和收弧区试样进行金相样制样，根据 金相显微镜观察和EDS成分分析结果，按组织差异将每个试样的焊缝区细分为等轴晶树枝 晶区、树枝晶区和等轴晶区，热影响区细分为时效区和过时效区；
[0012] B3、在起弧区试样的等轴晶树枝晶区、树枝晶区、等轴晶区、熔合区、时效区、过时 效区的中心位置和母材区上任一点进行标记，作为起弧区试样的7个起弧焊接特征点，分 别标号为1、2、3、4、5、6、7 ;在稳定区试样的等轴晶树枝晶区、树枝晶区、等轴晶区、熔合区、 时效区、过时效区的中心位置和母材区上任一点进行标记，作为稳定区试样的7个稳定焊 接特征点，分别标号为8、9、10、11、12、13、14;在收弧区试样的等轴晶树枝晶区、树枝晶区、 等轴晶区、熔合区、时效区、过时效区的中心位置和母材区上任一点进行标记，作为收弧区 试样的7个收弧焊接特征点，分别标号为15、16、17、18、19、20、21 ;
[0013] C、采集焊接特征点的热循环曲线
[0014] C1、根据B3步焊接试板一上每个起弧焊接特征点、稳定焊接特征点和收弧焊接特 征点的位置，在焊接试板二相应的位置上标记出焊接试板二的起弧焊接特征点、稳定焊接 特征点和收弧焊接特征点；
[0015] C2、在焊接试板二的每个起弧焊接特征点、稳定焊接特征点和收弧焊接特征点位 置连接上热电偶；然后采用与焊接待测焊接试件相同的焊接工艺参数对焊接试板二进行焊 接，焊接完成之后通过热电偶采集每个焊接特征点的热循环曲线，得到与21个焊接特征点 对应的21条热循环曲线；
[0016] D、制作热模拟块
[0017] 制备与待测焊接试件的材料和厚度均相同多个母材小块，根据C步得到的21条热 循环曲线，分别对不同的母材小块进行Gleeble热模拟处理，得到与21个焊接特征点相对 应的微观组织成分相同的21个热模拟块；热模拟块的编号b和与所述热模拟块相对应的焊 接特征点的标号相同，b= 1，2, 3，…21 ;
[0018] E、确定修正值
[0019] E1、将未进行热模拟处理的母材小块作为零应力标定块；用超声波法分别测量21 个热模拟块相对于零应力标定块的残余应力值，记为〇 = 1，2, 3，…21，b为热模拟块 的编号；
[0020] E2、通过切条法测量21个热模拟块的应力值，记为0b，b= 1，2, 3，…21 ;再通过 切条法测量未进行热模拟处理的母材小块的应力值，记为〇
[0021] E3、确定21个焊接特征点的由于组织成分差异造成的超声波测量焊接残余应力 的误差值，也即超声波测量焊接残余应力的每个焊接特征点的残余应力修正值Sb，b= 1，2, 3，…21 :
[0022] 8b= 〇n-〇b+〇nb
[0023] F、确定待测焊接试件的准确残余应力值
[0024] F1、根据B3步中确定的每个起弧焊接特征点、稳定焊接特征点和收弧焊接特征点 的位分别在待测焊接试件表面的起弧区域、稳定区域和收弧区域的相应的位置上标记出待 测焊接试件的起弧焊接特征点、稳定焊接特征点和收弧焊接特征；然后通过超声波测量待 测焊接试件的每个焊接特征点位置的残余应力测量值〇&，b= 1，2, 3,…21;
[0025]F2、用每个焊接特征点的残余应力修正值Sb，对F1步测得的每个焊接特征点位置 的残余应力测量值〇 行修正，确定待测焊接试件上每个焊接