摘 要：传统
残余应力破坏测量方法无法满足焊接结构服役状态下的无损应力测量。基于声弹性原理，超声波法可以无损测量出结构内部的残余应力。设计、建立了超声波法焊接残余应力自动化测量系统，实现了高精度信号提取， 使用虚拟仪器软件Labview编写了测量系统的支持软件，实现了二维焊接残余应力的实时快速无损测量。对多种材料、多种焊接方法的焊接残余应力场进行了测量，测量过程实时快速无损。系统可以获取服役状态下焊接结构残余应力的分布，建立的超声波法应力无损测量系统为焊接结构服役状态在线可靠性评估系统奠定了基础。
关键词：超声波法；焊接
残余应力； 无损快速；
0 序 言*
进入新世纪，焊接结构在压力容器、造船、化工和石油设备、建筑、重型机械、核容器、航天飞行器和海洋工程领域中的应用范围日益扩大。焊接结构的发展呈以下趋势：焊接结构大型化、高强化、精确尺寸化；材料特殊化；使用条件日益复杂和苛刻。因此，对焊接结构安全性和稳定性的要求不断提高，服役状态焊接结构的安全监控问题需求迫切。
准确地了解残余应力的大小和分布情况可为焊接结构安全性评价及失效分析、疲劳寿命的评估等提供依据。传统的残余应力测量方法无法满足焊接结构服役状态下的应力测量，也很难进行薄壁结构的无损应力测量。
超声波可以无损检测出结构内部应力。超声波法测量应力基于声弹性效应。D.S.Hughes、J.L.Kelly最早提出了声弹性方程的表达形式，描述了材料中声波传播速度与应力关系的声弹性效应，奠定了声弹性理论基础。此后多人不断对理论进行完善，例如R.A.Toupin、B.Bernstein（1961），R.N.Thurston、K.Brugger（1964），Thurston（1964），Tatsuo Tokuoka和Yukio Iwashimizu（1968），Man和Lu（1987）[1-6]。
现代焊接生产技术国家重点实验室经过技术攻关，打破了国外的技术封锁，在国内首次开发出了超声波法应力无损实时测量系统，使用此测量系统对低碳钢平板双丝焊纵向残余应力进行了无损测量，测量过程无损实时快速，精度达到或超过了国外[7-12]。并应用于高速列车车体复杂焊接结构残余应力无损测量，无损测量了高速列车车体侧墙、底架牵引梁关键受力部位的残余应力分布。残余应力的无损快速获取，可对服役状态下的车体结构进行安全评估和疲劳寿命预测，也可对车体焊接顺序优化提供指导，实现引进技术的再创新。实时监测关键受力部位的应力变化，为服役状态车体结构安全评估提供支持。
1 超声波法焊接残余应力测量系统 设计、建立了超声波法焊接残余应力自动化测量系统，实现高精度信号提取，使用虚拟仪器软件Labview编写了测量系统的支持软件，实现了二维焊接残余应力的实时快速无损测量。对多种材料、不同厚度、多种焊接方法的焊接残余应力场进行了测量，测量过程实时快速无损，试验结果与有限元模拟结果和切割破坏方法，激光全息小孔法进行了对比，测量结果可靠。数据波动小于1MPa。同时，改进的试验系统克服了薄壁结构件测量中Lamb波，Stonely波等特殊波形的影响，实现了2mm薄壁焊接结构件的应力测量。系统可以获取服役状态下焊接结构残余应力的分布，建立的超声波法应力无损测量系统为焊接结构服役状态在线可靠性评估系统奠定了基础。
所示，实物如图2所示。硬件主要组成部分：脉冲信号发生器；特殊探头；信号接收处理装置。脉冲信号发生器产生脉冲激发特殊探头产生临界折射纵波，系统支持软件通过计算机控制脉冲信号发射装置和信号接收处理装置的工作，存储测量数据，进行数据处理和结果显示。Labview编写系统支持软件，测量操作简便，过程实时快速。开发的焊接残余应力测量系统：重量7 kg；体积<0.02 m3；电源220 V,50 Hz.
2 超声波法残余应力测量试验
2.1 平板对接纵向残余应力测量 对2mm厚的LY12TIG焊焊件纵向残余应力进行了测，试样长300mm，宽140mm。测量位置见图3所示，测量线分别为距离焊缝对称中心0mm，50mm，80mm，110mm。测量结果见图4所示。
2.2 环形焊缝残余应力测量 使用超声波法焊接残余应力测量设备对环形试件切向、径向残余应力进行了测量，测量位置如图5所示。试样由两个圆环镶嵌焊接而成。大圆环外径340mm，内径162mm，小圆环外径162mm，内径75mm，厚度为2mm。移动探头的同时，测量系统实时计算出测量点的残余应力值，显示到计算机屏幕上。纵向残余应力无损测量结果如图6所示，同时使用有限元法对测量结果进行了验证。
图6环状试件残余应力测量结果
3 结 论 (1) 建立的超声波法焊接残余应力测量系统，工作稳定可靠，重复性好，可以满足服役状态焊接结构应力状态进行在线监测。
(2) 建立的超声波法焊接残余应力测量系统，实现了焊接残余应力场无损测量，测量过程快速、无损、实时。
(3) 建立的超声波法应力无损测量系统为焊接结构服役状态在线可靠性评估系统奠定了基础。