摘要
针对大型空间站寿命和质量进一步提高带来的残余应力精确测量问题，开展了影响残余应力测量准确性的因素和校正方法研究，在对温度、工件表面粗糙度、换能器耦合状态等原因分析的基础上，对主要影响因素引起的测量误差进行试验测定。试验结果表明：温度变化、工件表面粗糙度、换能器耦合状态等因素都可能引起较大的测量偏差，需引入温度补偿系数、表面粗糙度试块校正、优选耦合剂等修正与控制方法；有效控制影响因素，能够提高超声波检测残余应力的精准度，减小测量误差。该研究可为超声波残余应力测试技术在航天器舱体结构的应用发展提供技术参考。
残余应力的存在会导致焊接结构的疲劳寿命降低、尺寸稳定性差和抗腐蚀能力下降，因此我国对航天产品的残余应力检测日益重
本文主要分析影响超声残余应力测量的因素及各种因素的影响机理，通过试验结果总结影响规律，然后给出相应的措施，避免这些因素给测量结果带来误差。
被测物体材质为5A06铝合金，采用一发一收模式进行测量，两探头之间间距固定为40 mm，实际测试确定第一临界角折射纵波角度为27°
固体温度的升高会引起声速的降低，因此被检产品中超声波传播速度不仅与残余应力的大小相关，还与被检产品的温度相关。关于温度对超声测量的影响，相关国内外学者都已做过深入研究并给出了温度补偿系数公式和温度补偿曲
温度会影响超声波的传播速度，温度升高，超声波传播速度变慢，温度降低，超声波传播速度变快。根据热弹性理论，在一定温度范围内，超声波在介质中的传播速度与温度成近似的线性关
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此外，温度的改变将导致超声波传感器发生热胀冷缩的现象，导致超声波的声程发生变化，由原来的变为。因此温度对声时的变化量为：
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上述公式中，是温度为T情况下的声速，为基准温度下的超声波传播速度，α为声速随温度变化的声速系数，β为超声波传感器的热膨胀系数，ΔT为被测材料的温度变化量，为两个探头的中心固定距离。
由公式可知温差变化较大的环境下，需要消除温度对测量结果的影响，故本次试验的试验系统也引入了5A06铝合金的温度补偿，规定基准温度为22 ℃，将每次试验测量得到的不同温度下的声时根据温度补偿系数转化为基准温度下的声时。记录在相同测试条件下不同温度下的n（n=60）组5A06铝合金的温度和声时数据，见
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图1 5A06铝合金的60组温度的声时变化曲线
Fig.1 Acoustic time variation curve of 60 groups temperatures of 5A06 aluminum alloy
该式是在20~32 ℃测试条件下拟合得到的，建议该公式使用条件限于20~32 ℃温度范围内。
在探头中心距离为40 mm条件下，1 ℃的温度变化可以引起5A06铝合金残余应力测量的声时误差。将
LCR波在材料的近表面传播，试验件的表面粗糙度对信号传播有影响，试验件表面粗糙度越小，入射到工件中的LCR波能量就越多，LCR波的波形效果越好，而粗糙度较大时，声耦合效果变差，出现较大的侧向散射，导致LCR波声束的指向性差，降低测量灵敏度。
加工试件为表面平面度为0.03，Ra≤6.4 μm的5A06铝合金试件，试件均分为三部分，将二、三部分用粗砂纸打磨，工件放置在窗外3 d，之后在实验室内对未经砂纸打磨的第一部分和打磨过的第二部分用清水和丙酮清洗干净，分别记为状态Ⅰ、Ⅱ，打磨过的第三部分留有灰尘，记为状态Ⅲ，以此打造表面粗糙度不同的三种5A06铝合金试件表面粗糙度。理论上，三种表面粗糙度大小依次为：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。在三种表面进行三组试验，根据接收到的LCR波的时间和幅值判断表面粗糙度的影响，得到的波形图见
（a） Ⅰ号铝合金试件
（b） Ⅱ号铝合金试件
（b） Ⅲ号铝合金试件
图2 三种不同粗糙度表面铝合金试件的LCR波形
Fig.2 LCR waveform of aluminum alloy specimens with three different roughness surface
提取波形图信息见
结合实际工程应用考虑，测量原材料和精密加工后不同表面粗糙度状态下的LCR波信息，根据接收到的LCR波的时间和幅值测定表面粗糙度的具体影响。两种原材料的表面状态如实物
（a）
（b）
图3 原材料表面状态实物图
Fig.3 Photos of raw material surface
超声耦合状态可用超声波在检测面上的声压往复透过率表征。超声耦合好则声压往复透过率高。当换能器和待测件之间有很薄的一层空气时，声压往复透过率也几乎达到0%，因此，接触法超声检测排除换能器和待测件之间的空气尤为重要。为了改善换能器和待测件之间声能的传递而加在换能器和检测面之间的液体称为耦合剂，耦合剂的主要作用是填充换能器与待测件间的空气间隔，从而使超声波有效地传入，耦合剂在超声残余应力检测中有重要影响。
从声传递角度来说，耦合剂的选择应遵循声阻抗匹配和低衰减的原则，从实用性角度来说，还应具有对人体无害、对试件无腐蚀性、成本低廉等特点，几种常用耦合介质的声学性能参数见
由
（a） 机油作为耦合剂
（b） 甘油作为耦合剂
图4 机油和甘油作为耦合剂时LCR波波形图
Fig.4 LCR waveform with engine oil and glycerin as coupling agent
机油作为耦合剂时接收到的LCR波传播峰值2 975 mV，甘油作为耦合剂时接收到的LCR波传播峰值3 071 mV，说明甘油作为耦合剂时LCR波衰减较小。LCR波的能量相比于其他波（纵波、横波等）的能量较低，能量低则波形效果不明显，因此，试验过程中选择甘油作为耦合剂，以便更准确的提取LCR波信息。
耦合强度为固定耦合剂数量的条件下换能器的压实程度。通过在换能器上加不同质量的砝码来反映耦合强度的大小。
选择甘油作为耦合剂，进一步研究耦合强度对LCR波形效果的影响。试验在LCR波换能器上放置四组不同质量的砝码，砝码质量1 kg，砝码个数分别为0、1、2、3个，耦合剂数量统一用滴管滴取2滴，操作见
图5 LCR波换能器上放置压块操作图
Fig.5 Operation diagram of LCR transducer with different pressure block
（a） 未加压块
（b） 加1 kg压块
（c） 加2 kg压块
（c） 加3 kg压块
图6 加不同质量压块的LCR波形图
Fig.6 LCR Waveform with different weight block
提取图中的LCR波信息，见
结合实际工程应用考虑人工操作带来的测量误差问题，对超声探伤工作者和非专业人员在操作过程中因耦合强度引起的测量误差进行了对比试验，两人分先后测量5个做好标记的测量点，记录声时数据，见
按照校正后的影响因素参量，采用超声临界纵波测试双向拉伸载荷条件下的双向应力系数，以应力为横坐标、声时差为纵坐标的曲线拟合如
图7 平行加载方向测量的双向应力系数标定图
Fig.7 Calibration diagram of bidirectional stress coefficient measured in parallel loading direction
由
图8 应变片计算应力与超声测量应力对比图
Fig.8 Comparison diagram of strain gauge calculation stress and ultrasonic measurement stress
（1）温度高则LCR波声时增加，温度低则LCR波声时减小，通过60组不同温度下的声时数据，计算得到了5A06铝合金的温度补偿系数，试验结果表明，1 ℃的温度变化可以引起5A06铝合金残余应力测量的声时偏差，依据试验结果在试验系统中引入了温度补偿系数。
（2）在相同温度、耦合状态的条件下，通过三组不同表面粗糙度下换能器接收到的LCR波信息的试验，证明了表面粗糙度越大，LCR波传播时间越长、能量越小。结合实际工程应用考虑，测量原材料和精密加工后两种表面粗糙度状态下的LCR波信息，两种状态下LCR波传播时间相差20 ns，约48.8 MPa的应力变化，工程应用需要制作一系列已知表面粗糙度的标准样件进行表面粗糙度影响因子校正。
（3）通过实验室常用耦合剂，机油和甘油接收到的LCR波信息的对比试验，证明了甘油作为耦合剂时LCR波的衰减比机油时小；在相同温度、表面粗糙度的条件下，通过不同耦合强度下的试验，证明了耦合强度在一定范围内影响LCR波的传播声程，超声探伤工作者和非专业人员在操作过程中因耦合强度引起的测量误差约为10 MPa，必须在试验过程中统一耦合强度。
对以上影响因素进行校正后，进行双向加载条件下平面双向应力测试，测试结果显示标定的平行加载方向双向应力系数线性度良好，超声测量结果与真实应力值最大偏差小于4 MPa。测试结果说明控制影响因素在合理范围，能够有效提高超声波检测残余应力的精准度，减小测量误差。
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