（中国核动力研究设计院，四川成都610213）

0 前言

较高的残余应力对工件的服役性能影响较大，主要包括：扭曲变形、结构刚度下降、尺寸稳定性变差、促进裂纹等缺陷扩展，高数值的残余拉应力导致服役寿命严重下降[1-3]。声弹性效应是指声波传播速度的变化和应力变化之间存在线性关系，这一现象最早由S.Oka发现[4-5]。声弹性效应是超声法测试残余应力的基础理论，LCR法应力测试技术测试效率更高、硬件成本更低、工程使用价值更大，并在现阶段得到了良好的应用[6-8]。

材料内部通常具有明显的不均匀性，内部存在一些常见缺陷，超声与测试耦合界面声阻抗与周围物质存在一定的差异性，会对LCR波信号的传播产生明显干扰；目前LCR法的测试探头为压电陶瓷晶片探头，在线测试的工件振动也容易导致声波的探头产生噪声信号，从而干扰LCR波的测试；超声波应力测试设备集成了繁多的电子元件，电子元件在工作过程中产生的磁噪声也会对LCR波应力测试结果产生一定的影响。对LCR波原始信号进行去噪声处理，可以提高LCR波应力测试技术的稳定性。本研究对S355J与A7N01进行LCR波应力测试技术标定，并采用小波阈值降噪技术处理LCR波初始信号，从而分析降噪处理对铝合金与低合金钢应力测试结果的影响。

1 试验方法及讨论

1.1 试验方法

分别切取A7N01与S355J拉伸标定样，尺寸如图1所示，拉伸标定样的长度方向与轧制方向平行，标定使用DNS3000型力学万能试验机，标定样按照如图2所示的方式装置于机械拉伸机。试验使用奥林巴斯生产的探头，探头中心激发频率为5 MHz，型号为C543。分别对两个标定样进行LCR波应力测试应力常数K标定。

图1 标定样尺寸

图2 拉伸标定试验

LCR波应力测试法应力常数K的标定过程为：（1）制定标定样，并对标定样进行去应力退火处理（不能热处理的试样通过机械法消除应力）；（2）标定样安装于万能试验机上，如图2所示，安置超声波收发一体探头，使声波的传播方向平行于机械拉伸机的加载方向；（3）通过控制机均匀调整拉伸机产生不少于8组载荷，对A7N01每次施加的应力载荷为5±5 MPa，由于S355J屈服强度更高，每次施加的应力载荷为25±5 MPa，并测试出每组载荷对应的超声传播声时差；（4）拟合施加的载荷与对应载荷下的声波传播时间差。由于声弹性效应加载应力与声时差应理论上将呈现出线性关系，采用二乘法拟合标定结果，拟合直线的斜率为k（单位：MPa/ns），如式（1）所示

式中 t为LCR波在被测材料中的传播时间；Δσ为相对于参考点的应力改变量，如果参考点为零应力，则其为应力测试值。

1.2 降噪对S355J测试的影响

S355J降噪与未降噪的对比信号如图3所示，局部放大对比信号如图4所示。降噪后信号平顺度明显提高，降噪处理效果明显。根据式（1）对降噪与未降噪信号进行拟合分析，根据斜率计算出LCR波应力常数K，降噪与未降噪相差达13.82%，而未降噪声波信号的线性拟合R2仅为0.940 94，远小于降噪后的0.991 48，因此声波信号降噪处理可以使信号曲线更为圆滑，明显提高测试精度和可靠性。S355J降噪与未降噪应力常数拟合如图5所示。

图3 S355J降噪与未降噪测试信号对比

图4 S355J降噪与未降噪测试信号对比局部放大

1.3 降噪对A7N01测试的影响

铝合金A7N01降噪信号对比如图6所示，局部放大对比如图7所示，与S355J相似，降噪后A7N01铝合金的声波信号毛刺减少，更为圆滑。但与S355J信号有明显不同，根据声波传播的时间差与应力变化值的拟合结果如图8所示，A7N01降噪前后拟合出的应力常数K的差异性较小，降噪和线性拟合R2略有提高，但不明显，说明声波降噪处理对A7N01应力测试结果的影响不明显。

图5 S355J降噪与未降噪应力常数拟合

图6 A7N01铝合金降噪与未降噪测试信号对比

图7 A7N01铝合金降噪与未降噪测试信号对比局部放大

2 结论

图8 A7N01铝合金降噪与未降噪应力常数拟合

（1）声波在铝合金和钢中的传播特征具有明显的差异性，噪声信号对LCR法测试S355J残余应力产生了明显的误差，声波受应力影响产生的显微变化易受噪声信号影响，LCR法对S355J进行应力测试时必须进行降噪处理。

（2）超声波在A7N01中声速随应力的变化更为明显，相同应力状态下超声波在铝合金中传播速度的该变量约为钢中的10倍，噪声信号对应力测试结果的影响可以忽略，不必对声波信号进行降噪处理。

[1]Baldwin W M.Residual stresses in metals[J].

[2]Basatskaya L V，Ermolov I N.Theoretical study of ultrasonic longitudinal subsurface waves in solid media[J].Defektoskopiya，1980（7）：58-65.

[3]林丽华，陈立功.残余应力测量技术现状及其发展动向[J].机械，1998（5）：46-49.

[4]赵翠华.残余应力超声波测量方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[5]Bray D E，Tang W.Subsurface stress evaluation in steel plates and bars using the L CR ultrasonic wave[J].Nuclear Engineering&Design，2001，207（2）：231-240.

[6]Javadi Y，Hloch S.Using LCR Ultrasonic Method To Measure Residual Stresses Through Thickness of Dissimilar WeldedPipes[C].2ndInternationalConferenceManufacturing（2012）：74-79.

[7]Javadi Y，Ashoori M.Sub-surface stress measurement of cross welds in a dissimilar welded pressure vessel[J].Materials&Design，2015（85）：82-90.

[8]Javadi Y，Hasani M，Sadeghi S.Investigation of Clamping Effect on the Welding Sub-surface Residual Stress and Deformation by Using the Ultrasonic Stress Measurement and Finite Element Method[J].Journal of Nondestructive Evaluation，2015，34（1）：1-11.