金屬結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力超聲波測量及優(yōu)化技術(shù)3

金屬結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的超聲波測量及優(yōu)化技術(shù)北京康坦科技有限公司BeijingConstantTechnology,Inc殘余應(yīng)力的介紹殘余應(yīng)力的定義：消除外力或不均勻的溫度場等作用后仍留在物體內(nèi)的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。殘余應(yīng)力的分類：(一)宏觀殘余應(yīng)力宏觀殘余應(yīng)力，又稱為第一類殘余應(yīng)力，它是在宏觀范圍內(nèi)分布的，它的大小、方向和性質(zhì)等可用通常的物理的或機械的方法進行測量。(二)微觀殘余應(yīng)力微觀殘余應(yīng)力屬于顯微視野范圍內(nèi)的應(yīng)力。依其作用的范圍，又可細分為兩類:即微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力，或稱第二類殘余應(yīng)力，它是在晶粒范圍內(nèi)分布的應(yīng)力；晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，又稱為第三類殘余應(yīng)力，它是在一個晶體內(nèi)部作用的，殘余應(yīng)力的起因:不同的塑形流動性

不同的冷卻速率伴隨著體積變化的相變等等殘余應(yīng)力的產(chǎn)生:焊接

機械加工軋制表面處理

鑄造

熱處理

殘余應(yīng)力的影響:疲勞壽命耐腐蝕性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

脆性斷裂變形

殘余應(yīng)力的介紹殘余應(yīng)力測試方法有損法無損法（物理法）（機械法）原理：將具有殘余應(yīng)力的部件從構(gòu)件中分離或切割出來使應(yīng)力釋放，由測量其應(yīng)變的變化來求出殘余應(yīng)力。優(yōu)缺點：該方法會對工件造成一定的損傷或破壞，但其測量精度較高，技術(shù)較為成熟。典型應(yīng)用：包括鉆孔法、環(huán)芯法和剖分法（包括切條法、切槽法和剝層法），其中以淺盲孔法的破壞性最小，應(yīng)用最為廣泛。X射線衍射法基于彈性力學(xué)及X射線晶體學(xué)理論試樣表面殘余應(yīng)力磁性法鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)磁記憶檢測法、磁應(yīng)力法、巴克豪森效應(yīng)法和磁聲發(fā)射法等超聲波法聲彈性效應(yīng)可無損測定構(gòu)件的表面應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力，且使用安全、無公害。UltraMARSTM設(shè)備的應(yīng)用

便攜式、半自動超聲應(yīng)用應(yīng)力和殘余應(yīng)力測量裝置---UltraMARSTM

(UltrasonicMeasurementofAppliedandResidualStresses)是加拿大SINTEC公司專為樣品、零部件及焊接結(jié)構(gòu)件的沿平均壁厚、表面及近表面的應(yīng)用應(yīng)力和殘余應(yīng)力的無損測量而設(shè)計。測量樣品和實際焊接結(jié)構(gòu)件中單向及雙向應(yīng)用應(yīng)力和殘余應(yīng)力；測量銷和螺栓中的單向應(yīng)力與外力；測量研究材料的聲彈性特征參數(shù)；測量焊接結(jié)構(gòu)件熱處理后和服役過程中所引起的殘余應(yīng)力變化；測量零部件和結(jié)構(gòu)件的厚度；測量材料的楊氏模量和泊松比UltraMARSTM設(shè)備可以用于測量材料和結(jié)構(gòu)件的下列特征參數(shù)：UltraMARSTM設(shè)備的應(yīng)用UltraMARSTM設(shè)備的測量原理

機械應(yīng)力的超聲波測量原理是基于聲彈性效應(yīng)：超聲波在固體中的傳播速度取決于固體中的機械應(yīng)力。在材料性能已知的情況下，可以通過對縱向和剪切極化（在正交方向）傳播的超聲波速度的精確測定來完成機械應(yīng)力的測量。不同材料超聲縱波聲速（CL）和正交極化的剪切波聲速(CSX3；CSX2)隨機械應(yīng)力σ變化圖表：1、鋼A；2、鋼B；3、鋁合金；●-CSX3;○-CSX2;x-CL通過對材料里超聲波信號的循環(huán)頻率測量，來測量彈性波的傳播速度。材料里超聲波的發(fā)射和接收是通過壓電式縱波超聲波探頭（探頭XF1）和剪切波超聲波探頭(YF23)來執(zhí)行。采用一個固定器將探頭安裝和固定在樣品、部件或結(jié)構(gòu)件應(yīng)力測量的一個點上；該固定器可以采用夾具、永磁鐵或電磁鐵夾緊在試樣或部件上。試樣上每個點應(yīng)力測量結(jié)果都記錄存儲在UltraMARSTM設(shè)備微處理器的內(nèi)存里，這些數(shù)據(jù)用于計算和繪制殘余/外加應(yīng)用應(yīng)力在試樣上的分布。Surfacepitch-catch

表面探頭，一發(fā)一收測量基底5mm，滲透深度0.4mm

Through-thicknesspulse-echo體波探頭，脈沖回波整體壁厚的平均應(yīng)力，通過測量縱波和剪切波（正交方向）的頻率得到σ22，σ33。Through-thicknesspitch-catch亞表面探頭，一發(fā)一收測量基底7mm，滲透深度1.5mm

UltraMARSTM設(shè)備的探頭UltraMARSTM設(shè)備的技術(shù)參數(shù)低碳鋼經(jīng)局部熱處理后殘余應(yīng)力的分布殘余應(yīng)力測量數(shù)據(jù)分析軟件便攜式電腦（殘余應(yīng)力分析專家系統(tǒng)）

先進的數(shù)據(jù)庫，基于UltraMARSTM和軟件RESIsTTM，用于分析測得的殘余應(yīng)力對焊接件服役壽命的影響。為加強焊接元件的疲勞性能分析以下參數(shù)：材料選擇焊接元件的首選設(shè)計焊接過程焊接殘余應(yīng)力修復(fù)處理的應(yīng)用可修復(fù)技術(shù)的影響實際服役條件UltraMARSTM設(shè)備的測量方法及案例測量樣品（厚15mm）示意圖測量樣品（厚15mm）實物圖沿縱向連接件的應(yīng)力標(biāo)記為σ33垂直縱向連接件的應(yīng)力標(biāo)記為σ22試樣沿中心線1的初始殘余應(yīng)力分布試樣沿線2初始殘余應(yīng)力分布，L是到試樣左邊的距離試樣沿中心線殘余應(yīng)力的分布（有限元分析和實驗結(jié)果對比）實驗測量與數(shù)值模擬的對比焊接鋼板在循環(huán)載荷作用下殘余應(yīng)力的松弛焊接鋼板2010周次載荷前后沿線4的殘余應(yīng)力分布焊接鋼板2010周次載荷前后沿線5的殘余應(yīng)力分布沿線1和線2.1的殘余應(yīng)力分布靠近加勁肋端部的殘余應(yīng)力的分布σ,MPaσ,MPaAlongtheweldTransversedirectiontotheweldσ33σ22σ33σ220bL200mm○-BeforeUP●-AfterUP鋁焊接試樣的殘余應(yīng)力測量Distancefromthesurface,mmDistributionsofresidualstressintherimofrailwaywheelswithouttheintensivedragbraking.σy–hoopstress,σx–radialstressAverage-through-thicknessstressinwheel,MPa鐵軌車輪的殘余應(yīng)力測量Forwheelrimmeasurements,thetwodirectionsaretheradial,randhoop,θdirections.焊接橋梁殘余應(yīng)力的測量潛艇耐壓殼焊接件的殘余應(yīng)力測量焊縫疲勞性能強化技術(shù)焊縫疲勞性能強化技術(shù)：通過特殊沖擊頭的高頻沖擊和超聲波振動，釋放有害的殘余拉應(yīng)力，并引入表面殘余壓應(yīng)力，減小焊接區(qū)的應(yīng)力集中，提高材料表層的力學(xué)性能，增加疲勞壽命。與現(xiàn)有的改進技術(shù)（磨、TIG熔修、噴丸處理、表面錘擊等）相比，UP（UltrasonicPeening）技術(shù)是提高疲勞壽命最有效的技術(shù)。原理示意圖UP技術(shù)的作用增加疲勞壽命和疲勞強度消除精密部件的焊接變形

增加耐腐蝕性增加顯微硬度表面納米化（納米晶）GaryB.MarquisFrom:GaryB.MarquisPresentedatCommissionXIIIFatiguebehaviorofweldedstructures,InternationalInstituteofWelding優(yōu)化前后對接焊縫的變化焊后狀態(tài)使用UP技術(shù)后30mm15mm優(yōu)化前后角焊縫的變化UP技術(shù)在管焊接接頭的應(yīng)用

1-inas-weldedconditionforalltypesofsteel3,5,7and9-afterapplicationoftheUPtoSteel1,Steel2,Steel3andSteel4LowandHighStrengthSteelsAluminumanditsalloysTitaniumanditsalloysForhighloads(700MPa)offuselageenduranceincrease

WeldedPlasticsUP技術(shù)可以用于多種材料UP技術(shù)對疲勞壽命的影響DrawingsofweldedspecimensforfatiguetestingatdifferentconditionsW–as-weldedcondition;R-repairbygougingandwelding;R/UP–repairbygouging,weldingandUP1-as-weldedcondition,2,3and4–afterfirst,secondandthirdweldrepair5,6and7-afterfirst,secondandthirdweldrepairwithapplicationofUPI-fatiguecrackisrepairedbygougingandwelding,II-fatiguecrackisrepairedbygouging,weldingandUP,III–UPisappliedbefore/duringthefirstphaseofservicelife,W–as-weldedcondition,R-repairbygougingandwelding,R/UP–repairbygouging,weldingandUPW/UP-weldingandUPA2SteelHSLAMaterialNottreatedbyUPAfterUPtreatmentNottreatedbyUPAfterUPtreatmentUP技術(shù)對金屬腐蝕的影響

Surfacehardnessofautomotiveenginevalves

UP技術(shù)對表面硬度的影響消除由于焊接產(chǎn)生的扭曲變形使用UP技術(shù)，可以消除由于焊接產(chǎn)生的扭曲變形6mm厚鋼板優(yōu)化前優(yōu)化后通過UP技術(shù)，可以使材料表面形成納米晶，約幾μm厚。實現(xiàn)表面納米化UP技術(shù)的優(yōu)點效率高（最高）快速(每分鐘約處理0.5m焊縫)大大減少振動和噪音，操作簡單滲透更深

計算機控制機器人在線應(yīng)用與類似的磁致伸縮系統(tǒng)相比，更輕巧，無需強制水冷

UP已經(jīng)成功的應(yīng)用于提高焊接件疲勞壽命，抗腐蝕性，消除由于焊接和其他工藝引起的塑性變形，消除殘余應(yīng)力，增加材料表面硬度和表面納米化。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：鐵路和高速公路橋，礦業(yè)，施工機械，船舶制造，汽車和航空航天。應(yīng)用案例高速公路鐵路橋梁焊接件：一個100mm長的焊縫，經(jīng)過UP處理，焊接件疲勞壽命顯著地增加，并且可以消除疲勞裂紋的產(chǎn)生。在修復(fù)整段俄亥俄河大橋高速公路橋的過程中，UP處理了大約500m長的焊縫，超過2000個疲勞關(guān)鍵點的焊接件。焊接橋梁上的應(yīng)用UPofFatigueCriticalWeldsofaGrindingMill修復(fù)采礦設(shè)備上的應(yīng)用UPofaWeldedReinforcementPlate修復(fù)沖壓設(shè)備上的應(yīng)用ROBOTIZEDULTRASONICPEENING總結(jié)

超聲殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)是基于聲彈性效應(yīng)，可以測量結(jié)構(gòu)件表面、近表面及厚度方向的殘余應(yīng)力和應(yīng)用應(yīng)力。

超聲