不锈钢t型接头焊接应力的超声波技术评价(附件)【字数：12892】
摘 要摘 要在现代工业中，焊接技术在重型机械、汽车制造、石油管道、压力容器等领域得到广泛应用，焊接技术早已成为各大工业的必不可缺的核心技术。焊接结构的质量是保证推动焊接技术不断发展、应用领域不断扩展的关键。相关研究表明，影响焊接结构服役安全及其可靠性的因素众多，而焊接应力是其关键甚至决定性因素，焊接结构的质量是保证推动焊接技术不断发展、应用领域不断扩展的关键。 鉴于此，本文以304L钢为例对焊接应力的超声波技术评价进行了研究，通过建立应力-信号间时间差关系实现应力的无损评价，因而信号间时间差计算结果对应力评价精度就显的极为重要。本课题采用互相关函数计算信号间时间差，探讨了互相关步长、信号起始点选择对信号间时间差计算精度的影响。结果表明距离焊缝位置越远，其超声波信号波形越平滑、信噪比越大，分析认为这是由试样微观组织结果引起的，焊缝位置组织中界面较多、组织不规则，因而超声波信号波形畸变明显。随互相关步长的增大，互相关函数曲线逐渐趋于稳定，互相关函数最大值逐渐趋于明显，当互相关步长达到1周期时，再随互相关步长的增大，互相关函数曲线及互相关函数最大值基本重合。互相关步长相同时，以信号过零点为信号起始点计算信号间时间差结果更好，随距离焊缝位置越远，其信号间时间差基本保持稳定，但略有起伏，焊缝附近区域位置的信号间时间差明显大于远离焊缝位置处的信号间时间差，焊缝中心的信号间时间差达到最大值，即应力达到最大值，这与理论结果是相符的。综合上述分析结果，认为采用本文研究方法可实现不锈钢焊接应力超声波技术评价。关键词残余应力；互相关步长；超声波；信号间时间差
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 超声波技术评价应力研究现状 1
1.3超声波信号间时间差计算方法 4
1.3.1基于相关分析的时间延迟估计方法 4
1.3.2基于高阶统计量的时间延迟估计方法 4
1.3.3基于分数低阶统计量的时间延迟估计方法 5
1.3.4小波变换计算时间延迟 5
1.3.5基于时频分析的延迟估计方法 5
1.3.6阈值法 6
1.3.7互相关函数法 6
1.4本课题研究内容 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
第二章 实验设备及材料 8
2.1实验材料 8
2.2实验设备与方法 8
2.2.1实验设备 8
2.2.2实验方法 10
第三章 实验结果及分析 12
3.1超声波信号采集步骤 12
3.2实验结果分析 12
3.2.1 步长对互相关系数函数值的影响 14
3.2.2超声波信号间时间差应力结果 22
3.3理论分析 24
第四章 T型接头应力的超声波评价 26
4.1试样制备 26
4.2焊接接头应力评价结果 26
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
绪论
课题研究背景及意义
残余应力是无外部作用时内部平衡存在的应力。在正常情况下，加工机械零部件时，内部元件都会产生残余应力。产生的残余应力根据加工方法或者热处理方法的不同而变化。加工如轧制，挤压，切削，喷丸或锻压，以及在铸造，焊接还有回火这些热处理加工中，会生成不同的残余应力[1]。焊接残余应力是焊接结构质量评定的的重要参数之一，他是构件在焊接过程中不均匀受热导致局部塑性变形引起的。相比其他残余应力，焊接残余应力的情况更为复杂，焊缝边沿与两侧不同点的应力大小并不相同[2]，这就让丈量均匀应力的线段式的方法不再使用，而类似于逐点测量应力。焊接残余应力对焊接结构的性能影响十分大，依照残余应力大小和散布的差异，它对焊接结构的静载强度，疲劳破坏，应力腐蚀，刚性和稳定性都会产生不同程度的影响[3]，因此测量并掌握焊接残余应力在焊接结构中的分布规律十分必要。
残余应力检测的研究始于上个世纪初，发展至今已经形成了几十种测量方法。这些测量方法大致可以分为两类：有损检测法和无损检测法。有损检测法包括切条法，套孔法，小孔释放法，盲孔法；无损检测法包括X射线法，超声检测法，磁粉检测法，渗透检测法，涡流检测法。有损检测法的可靠性高，但或多或少的会不同程度的破坏要测量的构件。因此在实际应用中受到一定程度的限制。
19世纪开始人们就开始了对超声波的研究，但是将超声波作为一种无损检测方法来检测构件残余应力则始于20世纪30年代。随着科技的进步，超声波测应力检测技术也变的越来越成熟，在现代工业生产和国防建设中起到越来越大的作用。利用超声波检测参与应力具有以下优点：（1）超声波具有和光波一样的方向性，可以进行定向发射；（2）超声波具有很强的穿透能力，可以轻松地探测厚板[4]；（3）超声波探头可以对要测量的构件进行非接触应力测量，并不会损伤到构件的表面，并且对人体没有危害；（4）超声波检测仪器的体积小，可方便携带至室外进行测量[5]；（5）超声波检测效率高，操作方便，测量结果准确，易于进行试验。本文采用超声波法对T型焊接试件焊缝附近的焊接残余应力进行了实际测量。
超声波技术评价应力研究现状
根据声弹性研究的结果，在无外界应力作用时，超声波在各向同性构件中的传播速度与有外界应力作用时的传播速度是不同的[6]。传播速度的不同与所作用的主应力大小有关。如果能分别获取有应力和无应力作用时，构件内横波和纵波的传播速度的变化，就可以测得应力的大小。超声波法的一个方案是基于超声波速度对应力状况的依赖关系，测量正交偏振两横波的回拨时间，简称为回振法。超声波法的另一个方案是在构件表面采用瑞利波与纵波，评价因应变位移关系弱非线性引起的速度差别，由此确定其残余应力[7]。
超声波的产生和接收是利用超声传感器探头中压电晶体片的压电效应来实现的。超声波探伤仪产生电振荡，以高频电压的形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时[8]，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面耦合良好时，机械产生的振动便会通过超声波的形式进入被检测的工件里面，这时就产生了超声波。相反，当晶体片由于超声波的作用发生伸缩时，正压电效应会让晶体片的两面产生相反极性的电荷，这会导致超声频率的高频电压，以回波电信号的形式经探伤仪显示，这就是超声波的接收。
通过声弹性理论可以得出，进行应力评价时，超声波检测法一般都是通过建立起应力时间差的互相关系图，从而实现材料的超声无损评价。因此，在评价应力时，计算好高精度的信号间时间差是极其关键的。但是，有很多因素会影响它的计算结果，所以研究有哪些影响计算精度的因素是必不可少的。
当超声波在工件里传播时，应力因素对超声波传播速度快慢的影响是非常小的，传播速度的变化非常小，所以很难对超声波速度进行精确的测量，并且这对我们的测量仪器也提出了很高的要求。研究结果告诉我们，当应力变化时，超声波波形基本不变 ，在介质中的传播距离也不变。初始信号开始的时间相同时，接收信号有偏移的现象，这就是时间差，时间差可以反应应力对超声波速度的影响。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 超声波技术评价应力研究现状 1
1.3超声波信号间时间差计算方法 4
1.3.1基于相关分析的时间延迟估计方法 4
1.3.2基于高阶统计量的时间延迟估计方法 4
1.3.3基于分数低阶统计量的时间延迟估计方法 5
1.3.4小波变换计算时间延迟 5
1.3.5基于时频分析的延迟估计方法 5
1.3.6阈值法 6
1.3.7互相关函数法 6
1.4本课题研究内容 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
第二章 实验设备及材料 8
2.1实验材料 8
2.2实验设备与方法 8
2.2.1实验设备 8
2.2.2实验方法 10
第三章 实验结果及分析 12
3.1超声波信号采集步骤 12
3.2实验结果分析 12
3.2.1 步长对互相关系数函数值的影响 14
3.2.2超声波信号间时间差应力结果 22
3.3理论分析 24
第四章 T型接头应力的超声波评价 26
4.1试样制备 26
4.2焊接接头应力评价结果 26
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
绪论
课题研究背景及意义
残余应力是无外部作用时内部平衡存在的应力。在正常情况下，加工机械零部件时，内部元件都会产生残余应力。产生的残余应力根据加工方法或者热处理方法的不同而变化。加工如轧制，挤压，切削，喷丸或锻压，以及在铸造，焊接还有回火这些热处理加工中，会生成不同的残余应力[1]。焊接残余应力是焊接结构质量评定的的重要参数之一，他是构件在焊接过程中不均匀受热导致局部塑性变形引起的。相比其他残余应力，焊接残余应力的情况更为复杂，焊缝边沿与两侧不同点的应力大小并不相同[2]，这就让丈量均匀应力的线段式的方法不再使用，而类似于逐点测量应力。焊接残余应力对焊接结构的性能影响十分大，依照残余应力大小和散布的差异，它对焊接结构的静载强度，疲劳破坏，应力腐蚀，刚性和稳定性都会产生不同程度的影响[3]，因此测量并掌握焊接残余应力在焊接结构中的分布规律十分必要。
残余应力检测的研究始于上个世纪初，发展至今已经形成了几十种测量方法。这些测量方法大致可以分为两类：有损检测法和无损检测法。有损检测法包括切条法，套孔法，小孔释放法，盲孔法；无损检测法包括X射线法，超声检测法，磁粉检测法，渗透检测法，涡流检测法。有损检测法的可靠性高，但或多或少的会不同程度的破坏要测量的构件。因此在实际应用中受到一定程度的限制。
19世纪开始人们就开始了对超声波的研究，但是将超声波作为一种无损检测方法来检测构件残余应力则始于20世纪30年代。随着科技的进步，超声波测应力检测技术也变的越来越成熟，在现代工业生产和国防建设中起到越来越大的作用。利用超声波检测参与应力具有以下优点：（1）超声波具有和光波一样的方向性，可以进行定向发射；（2）超声波具有很强的穿透能力，可以轻松地探测厚板[4]；（3）超声波探头可以对要测量的构件进行非接触应力测量，并不会损伤到构件的表面，并且对人体没有危害；（4）超声波检测仪器的体积小，可方便携带至室外进行测量[5]；（5）超声波检测效率高，操作方便，测量结果准确，易于进行试验。本文采用超声波法对T型焊接试件焊缝附近的焊接残余应力进行了实际测量。
超声波技术评价应力研究现状
根据声弹性研究的结果，在无外界应力作用时，超声波在各向同性构件中的传播速度与有外界应力作用时的传播速度是不同的[6]。传播速度的不同与所作用的主应力大小有关。如果能分别获取有应力和无应力作用时，构件内横波和纵波的传播速度的变化，就可以测得应力的大小。超声波法的一个方案是基于超声波速度对应力状况的依赖关系，测量正交偏振两横波的回拨时间，简称为回振法。超声波法的另一个方案是在构件表面采用瑞利波与纵波，评价因应变位移关系弱非线性引起的速度差别，由此确定其残余应力[7]。
超声波的产生和接收是利用超声传感器探头中压电晶体片的压电效应来实现的。超声波探伤仪产生电振荡，以高频电压的形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时[8]，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面耦合良好时，机械产生的振动便会通过超声波的形式进入被检测的工件里面，这时就产生了超声波。相反，当晶体片由于超声波的作用发生伸缩时，正压电效应会让晶体片的两面产生相反极性的电荷，这会导致超声频率的高频电压，以回波电信号的形式经探伤仪显示，这就是超声波的接收。
通过声弹性理论可以得出，进行应力评价时，超声波检测法一般都是通过建立起应力时间差的互相关系图，从而实现材料的超声无损评价。因此，在评价应力时，计算好高精度的信号间时间差是极其关键的。但是，有很多因素会影响它的计算结果，所以研究有哪些影响计算精度的因素是必不可少的。
当超声波在工件里传播时，应力因素对超声波传播速度快慢的影响是非常小的，传播速度的变化非常小，所以很难对超声波速度进行精确的测量，并且这对我们的测量仪器也提出了很高的要求。研究结果告诉我们，当应力变化时，超声波波形基本不变 ，在介质中的传播距离也不变。初始信号开始的时间相同时，接收信号有偏移的现象，这就是时间差，时间差可以反应应力对超声波速度的影响。
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