铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力的超声波检测(附件)【字数：17348】
焊接结构件能够安全地使用并可靠的运行和它的残余应力有着密切的联系。尤其是现在焊接的应用越来越广泛，焊接结构朝着高强化、大型化的方向发展，对焊接结构在其服役条件下监测和评估残余应力提出了更高的要求。工程中比较常用的检测应力的方法有X射线法、小孔法、巴克豪森法以及超声波法等，其中超声波法的优点非常突出，它的灵敏度较高、可操作性强并且准确性好，是一种非常有潜力的无损检测方法。本文从金相组织、力学性能以及化学成分三个方面介绍了实验研究的材料—6061铝合金。采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺进行焊接，并给出了焊接工艺参数。简要的介绍了超声波评价焊接残余应力系统，以及分析测试的设备。并介绍了固定距离声时测量法来测量声时差的原理。借助临界折射纵波声弹性系数标定试验，通过试样断口形貌观察，明确了临界折射纵波评价应力的机理；借助热处理工艺，获得不同晶粒尺寸的试验材料，进而建立了晶粒尺寸与临界折射纵波声弹性系数间的对应关系，揭示了其影响机理，为提高临界折射纵波评价焊接残余应力精度奠定良好基础。以去应力退火零应力状态下6061铝合金的Lcr波信号作为参考信号，根据各区域的声弹性系数对各测量点的Lcr波信号修正计算，得到6061铝合金FSW接头残余应力值分布情况。焊核区表现为较高的残余拉应力，焊缝中心的残余应力值略低于两侧，应力峰值值出现在前进侧，其残余应力值高于后退侧残余应力值，随距焊缝中心距离增大，残余应力由拉应力快速转变为压应力，在距离焊缝中心12mm左右趋近于零。关键词 搅拌摩擦焊；焊接残余应力；超声波法；声弹性理论
Keywords: Friction stir welding; welding residual stress; ultrasonic method; acoustic elasticity theory 目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2残余应力测量的技术发展与现状 2
1.2.1机械测量方法 2
1.2.2物理检测方法 3
1.3超声波法的发展现状 4
1.3.1声弹性理论的发展 4
1.3.2应力测量技术的发展 6
1.3.3技术应用的现状 6
1.4超声波法测量残余应力的技术关键 7
1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
.5 课题主要研究内容 8
第二章 试验材料、方法及设备 9
2.1试验材料 9
2.2铝合金搅拌摩擦焊接头的制备 10
2.3 焊接残余应力评价及分析测试设备 11
2.3.1 超声波评价焊接残余应力系统 11
2.3.2 分析测试设备 11
2.4本章小结 12
第三章 试验结果与分析 13
3.1 理论公式推导 13
3.2 临界折射纵波评价应力试验研究 15
3.2.1传播时间的影响因素 16
3.2.2 6061铝合金应力评价试验研究 16
3.3 Lcr波评价应力机理研究 19
3.4 6061铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接接头残余应力评价与验证 26
3.4.1 双轴肩搅拌摩擦焊接头Lcr波采集方式 26
3.4.2 焊接残余应力评价结果 27
3.4.3 焊接残余应力结果验证 29
3.5 本章小结 31
结 论 ...32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1课题背景
国家“十二五”规划已明确将解决资源与能源短缺及环境污染问题划入了我国现阶段研究重点，并把“节能减排、高效安全”作为本世纪工业发展的核心主题和指导方针，其中提高机械装备的质量及延长机械装备的服役寿命是实现这一主题的重要组成部分（一般而言，机械装备失效后作为初级原材料进行二次加工制造）。随着科技高速发展，机械装备在其应用中的服役条件（如工作环境恶劣、服役载荷强度高等）日益苛刻，从而引发其局部损伤，这不仅影响机械装备的服役质量，而且也是导致机械装备失效的主要原因之一。基于可获得冶金结合及不低于母材力学性能等优点，焊接技术成为机械装备加工制造业中常用技术方法之一。据不完全统计，超过50%机械装备的失效源于其焊接结构的局部或整体失效，因此提高机械装备中焊接结构的质量已成为减少资源浪费、降低能源消耗、提高机械装备服役质量和延长其服役寿命的重要举措之一。然而，提高机械装备服役质量和延长其服役寿命这一问题的解决不仅依赖于面向焊接技术与理论的进步，而且更大程度取决于焊接结构的质量控制。焊接结构质量的控制贯穿于其焊接过程的各个环节，且焊接结构的质量控制也是保证焊接结构产品安全、高效融入市场循环的关键，也是推动焊接技术在工业领域得到可持续发展的关键[1]。
相关研究表明，焊接结构中的残余应力是影响甚至决定焊缝质量的关键因素。在焊接过程中，由于不均匀的热输入导致热应力、相变应力以及加工应力等超过工件的屈服极限，使其产生一定的塑性变形，在冷却后工件内仍然残存着无法消除的应力，则称为焊接残余应力[25]。焊接残余应力的存在不仅会降低构件的静强度，还会对其疲劳强度产生影响，在制造生产和日常使用中出现安全隐患，如变形、开裂等，材料的抗腐蚀能力也会因为应力的存在而发生变化[6]；焊接残余应力还会导致工件的变形，当工件在外力的作用下，其内应力和外部载荷相互作用，从而产生局部塑性变形，影响材料的加工精度和服役过程中的轮廓尺寸[7,8]；焊接残余应力会影响工件的疲劳寿命，拉应力会对焊缝的强度产生影响，降低焊缝的可靠性，压应力则会在一定程度上阻止裂纹源扩展和开裂，还会增加工件的表面强度[9,10]。在焊接过程中不可避免的会产生一些焊接缺陷，如焊接裂纹、气孔、夹杂等，在残余应力的作用下，易产生应力集中成为裂纹源，在较大拉应力的作用下易造成裂纹扩展，则可能会导致焊件开裂，焊接结构失效，造成安全隐患[1113]。由此可见焊接残余应力会对焊接结构各方面的性能产生重要的影响，因此对焊接残余应力进行快速、准确、无损的评价也显得愈发重要。
1.2残余应力测量的技术发展与现状
测量残余应力的技术是从本世纪30年代开始出现的，经过了数十年的发展，到现在有了几十种测量方法。总的来说可以分为两个大类，即破坏性的和非破坏性的。其中作为代表的小孔法和X射线法的发展比较成熟。
1.2.1机械测量方法
机械法测量残余应力的原理是，从具有残余应力的工件上局部的分割或分离出一部分，使局部的残余应力被释放，然后测出分离前后工件的变形情况，通过弹性力学求出工件的残余应力。一些常用的机械测量方法有小孔法[1416]、切槽法、切条法等。
Keywords: Friction stir welding; welding residual stress; ultrasonic method; acoustic elasticity theory 目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2残余应力测量的技术发展与现状 2
1.2.1机械测量方法 2
1.2.2物理检测方法 3
1.3超声波法的发展现状 4
1.3.1声弹性理论的发展 4
1.3.2应力测量技术的发展 6
1.3.3技术应用的现状 6
1.4超声波法测量残余应力的技术关键 7
1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
.5 课题主要研究内容 8
第二章 试验材料、方法及设备 9
2.1试验材料 9
2.2铝合金搅拌摩擦焊接头的制备 10
2.3 焊接残余应力评价及分析测试设备 11
2.3.1 超声波评价焊接残余应力系统 11
2.3.2 分析测试设备 11
2.4本章小结 12
第三章 试验结果与分析 13
3.1 理论公式推导 13
3.2 临界折射纵波评价应力试验研究 15
3.2.1传播时间的影响因素 16
3.2.2 6061铝合金应力评价试验研究 16
3.3 Lcr波评价应力机理研究 19
3.4 6061铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接接头残余应力评价与验证 26
3.4.1 双轴肩搅拌摩擦焊接头Lcr波采集方式 26
3.4.2 焊接残余应力评价结果 27
3.4.3 焊接残余应力结果验证 29
3.5 本章小结 31
结 论 ...32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1课题背景
国家“十二五”规划已明确将解决资源与能源短缺及环境污染问题划入了我国现阶段研究重点，并把“节能减排、高效安全”作为本世纪工业发展的核心主题和指导方针，其中提高机械装备的质量及延长机械装备的服役寿命是实现这一主题的重要组成部分（一般而言，机械装备失效后作为初级原材料进行二次加工制造）。随着科技高速发展，机械装备在其应用中的服役条件（如工作环境恶劣、服役载荷强度高等）日益苛刻，从而引发其局部损伤，这不仅影响机械装备的服役质量，而且也是导致机械装备失效的主要原因之一。基于可获得冶金结合及不低于母材力学性能等优点，焊接技术成为机械装备加工制造业中常用技术方法之一。据不完全统计，超过50%机械装备的失效源于其焊接结构的局部或整体失效，因此提高机械装备中焊接结构的质量已成为减少资源浪费、降低能源消耗、提高机械装备服役质量和延长其服役寿命的重要举措之一。然而，提高机械装备服役质量和延长其服役寿命这一问题的解决不仅依赖于面向焊接技术与理论的进步，而且更大程度取决于焊接结构的质量控制。焊接结构质量的控制贯穿于其焊接过程的各个环节，且焊接结构的质量控制也是保证焊接结构产品安全、高效融入市场循环的关键，也是推动焊接技术在工业领域得到可持续发展的关键[1]。
相关研究表明，焊接结构中的残余应力是影响甚至决定焊缝质量的关键因素。在焊接过程中，由于不均匀的热输入导致热应力、相变应力以及加工应力等超过工件的屈服极限，使其产生一定的塑性变形，在冷却后工件内仍然残存着无法消除的应力，则称为焊接残余应力[25]。焊接残余应力的存在不仅会降低构件的静强度，还会对其疲劳强度产生影响，在制造生产和日常使用中出现安全隐患，如变形、开裂等，材料的抗腐蚀能力也会因为应力的存在而发生变化[6]；焊接残余应力还会导致工件的变形，当工件在外力的作用下，其内应力和外部载荷相互作用，从而产生局部塑性变形，影响材料的加工精度和服役过程中的轮廓尺寸[7,8]；焊接残余应力会影响工件的疲劳寿命，拉应力会对焊缝的强度产生影响，降低焊缝的可靠性，压应力则会在一定程度上阻止裂纹源扩展和开裂，还会增加工件的表面强度[9,10]。在焊接过程中不可避免的会产生一些焊接缺陷，如焊接裂纹、气孔、夹杂等，在残余应力的作用下，易产生应力集中成为裂纹源，在较大拉应力的作用下易造成裂纹扩展，则可能会导致焊件开裂，焊接结构失效，造成安全隐患[1113]。由此可见焊接残余应力会对焊接结构各方面的性能产生重要的影响，因此对焊接残余应力进行快速、准确、无损的评价也显得愈发重要。
1.2残余应力测量的技术发展与现状
测量残余应力的技术是从本世纪30年代开始出现的，经过了数十年的发展，到现在有了几十种测量方法。总的来说可以分为两个大类，即破坏性的和非破坏性的。其中作为代表的小孔法和X射线法的发展比较成熟。
1.2.1机械测量方法
机械法测量残余应力的原理是，从具有残余应力的工件上局部的分割或分离出一部分，使局部的残余应力被释放，然后测出分离前后工件的变形情况，通过弹性力学求出工件的残余应力。一些常用的机械测量方法有小孔法[1416]、切槽法、切条法等。
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