無損檢測 焊接殘余應力高能聲束調控方法

T/CSTMXXXXX—2020T/CSTMXXXXX—2020無損檢測焊接殘余應力高能聲束調控方法范圍本文件規(guī)定了通過高能超聲激勵器與焊接構件直接貼合的方式，在焊接過程中或者焊接完成后，使用具有一定能量和方向性的聲束（固體中的彈性波束）對焊接構件表面和內部的殘余應力進行控制的方法。本文件適用于透聲的金屬材料焊接殘余應力的消減和均化，以及透聲的金屬材料在焊接過程中產生的應力的消減和均化。其它透聲材料焊接構件表面和內部殘余應力的控制也可參照采用。規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T12604.1無損檢測術語超聲檢測GB/T20737無損檢測通用術語和定義GB/T32073無損檢測殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法GB/T25712振動時效工藝參數(shù)選擇及效果評定方法GB/T19001質量管理體系要求術語和定義GB/T12604.1和GB/T20737界定的以及下列術語和定義適用于本文件。無應力焊接Stress-free將在焊接過程中產生的應力狀態(tài)良好的情況，包括焊接應力狀態(tài)均勻、應力較小等焊接狀況良好的一種焊接，稱為無應力焊接。聲束控制Soundbeamcontrol將具有一定能量的聲波或彈性波沿某一方向在一定范圍內注入到材料內部，對材料局部區(qū)域內的拉伸殘余應力消減和均化到一定程度的過程，稱為聲束控制。激勵器Excitor能夠產生一定能量且頻率和幅度可控的彈性波的裝置，通常采用壓電陶瓷、磁致伸縮或電磁超聲等原理制備。激勵器夾持工裝Transducerclampingtooling將激勵器固定在待消減處理的焊接構件表面并對其施加一定壓緊力的工藝裝備。激勵頭Excitationconnector安裝在激勵器端部、與應力消減焊接構件表面形貌一致的部件，保證應力消減過程中激勵器與工件表面接觸良好。耦合劑Couplant施加于激勵器端面和待消減處理焊接構件表面之間以改善超聲能量傳遞的介質，如甘油、高溫黃油等。人員要求殘余應力超聲消減的操作及消減效果檢驗人員應符合相關規(guī)定。殘余應力超聲消減設備維護和操作人員應經(jīng)專業(yè)培訓，取得操作資格證（上崗證）方可接觸殘余應力超聲消減設備。原理聲束是指具有一定指向性在一定范圍內傳播的聲波或彈性波，利用彈性波激勵器產生具有一定能量和指向性的聲束、并沿一定方向在一定方位內借助耦合介質傳導進入材料內部，利用聲波能量驅動材料質點發(fā)生振動，松弛和驅散材料內部殘余應力，起到消減和均化集中殘余應力和改變其分布的作用，其控制機理是材料彈塑性聲波誘導效應，當聲波能量大于材料內部殘余應力場勢能壁壘時，殘余應力得到釋放、其分布得以改變。焊接殘余應力高能聲束調控方法由大功率激勵電源產生的超聲頻電信號通過大功率激勵器，將高能聲束能量通過耦合劑直接注入焊接構件材料內部，如圖1所示，利用高能超聲誘導塑性效應，通過激活應力區(qū)材料中的晶格排列，使材料中的位錯在超聲能量作用下發(fā)生脫離定扎，改變原有的位錯結構，促進微觀塑性變形，實現(xiàn)工件焊接構件表層下材料內部殘余應力的釋放和均勻化。圖1焊接殘余應力高能聲束消減原理儀器和設備系統(tǒng)構成系統(tǒng)由超聲信號發(fā)生器、大功率激勵電源、高能聲束激勵器、激勵器頭以及外圍設備（包括夾持裝置和激勵電壓傳輸線纜等）構成。超聲信號發(fā)生器超聲信號發(fā)生器應具有輸出超聲信號、監(jiān)測超聲激勵器輸出阻抗、管理定時工作流程、控制超聲信號相位和幅度、控制系統(tǒng)啟動和停止等功能。功率放大器功率放大器的作用是將超聲信號進行功率放大，同時具有激勵電壓和電流的反饋信號，以便能夠實時監(jiān)測殘余應力控制過程的聲阻抗變化。注：超聲信號失真會對調控效果產生影響。多路控制信號要注意相位疊加。超聲激勵器超聲激勵器通常為夾心式壓電激勵器或磁致伸縮激勵器，激發(fā)時產生縱波，工作頻率為10kHz～40kHz，單個激勵器能量大于等于200W，具體參數(shù)和性能取決于被控制材料物理性能和構件尺寸等因素。夾持與固定裝置激勵器夾持工裝需要根據(jù)殘余應力消減工件的焊接結構和外觀形狀進行專門設計，保證激勵器能按照一定的壓緊力有效的固定在工件的消減部位，保證高能超聲激勵器與被調控工件表面緊密穩(wěn)固耦合且使耦合接觸力保持恒定。夾持工裝裝卸應方便，并不會引起工件表面產生壓痕和變形。激勵器頭6.6.1激勵器頭材料激勵頭要求采用透聲性能好的材料，盡可能減少對超聲能量的散失，至少在100℃下有足夠強度且不變形，同時要能易加工成型。舉例說明具體材料（不要對工件表面造成損傷）。6.6.2激勵器頭結構根據(jù)應力消減處理的焊接結構和表面曲率，設計對應形狀的激勵頭結構，保證激勵頭與被消減工件表面緊密貼合。耦合劑耦合劑施加于激勵器端面和待消減處理工件表面之間以改善超聲能量傳遞的介質，實現(xiàn)大功率超聲波激勵器與應力消減材料表面良好耦合，保證超聲能量有效注入工件。耦合劑應易清洗，不能對工件表面產生腐蝕等損傷，推薦使用高溫黃油。工作流程概述焊接殘余應力高能聲束調控過程一般為：工作前的準備、應力調控。工作前準備7.2.1被消減工件要求被處理焊接構件材料要求為，表面粗糙度Ra≤12.5μm。消減區(qū)域的曲率半徑R不小于28mm。焊縫內部不允許存在縮孔、夾渣、裂紋、虛焊等超出規(guī)定限值的嚴重缺陷。7.2.2選擇換能器及位置高能聲束消減處理的重點部位是熱影響區(qū)。分析工件被消減部位的結構，確定消減部位的材料厚度及表面型面，計算確定表面型面的曲率。根據(jù)計算獲得的消減部位型面曲率，選擇合適的激勵器及激勵頭。7.2.3焊接工件殘余應力分布采用無損方法檢測被消減部位的殘余應力分布，判斷應力拉壓狀態(tài)，確定應力峰值部位和應力集中區(qū)域，檢測方法參照使用GB/T32073?？梢愿鶕?jù)被消減部位區(qū)域大小將消減部位分區(qū)，檢測分區(qū)內的應力來表征整個消減部位區(qū)域的應力分布。7.2.4應力消減系統(tǒng)的連接將激勵電源放置穩(wěn)固在安全位置，連接好供電系統(tǒng)。確認超聲信號傳輸線纜與功率放大器連接狀態(tài)良好，確保激勵器與功率放大器可以正常工作。將耦合劑均勻涂抹在激勵器前端激勵頭的端部，利用激勵器夾持工裝壓緊激勵器，壓緊過程中要調整激勵頭角度，使激勵器前端激勵頭曲面與被消除構件表面貼合良好。使用激勵器加持工裝將激勵器壓緊在被消除構件表面，擰緊加持工裝上的壓緊螺栓，壓緊力由壓緊頭內置彈簧調節(jié)（根據(jù)構件厚度調整壓緊力大小，越厚壓緊力越大。工作時確保工裝夾持的穩(wěn)定性，確保激勵器及保持工裝的安全性。應力調控7.3.1高能聲束消減參數(shù)工藝參數(shù)包括激勵功率、激勵頻率、消減時間，對應力消減效果起決定作用的是激勵功率，功率越大效果越顯著，板厚越大功率選擇越大；對于具體結構的殘余應力消減達到一定時間后再繼續(xù)消減處理不再產生消減效果，激勵功率和消減時間共同決定應力消減效率，功率越大所需消減時間越短，功率越小所需消減時間越長。7.3.2超聲頻率設定打開功率放大器開關，根據(jù)所采用的高能超聲波激勵器的頻率，設定工作頻率。例如，使用14KHz的高能超聲波激勵器作業(yè)，將功率放大器工作頻率設置為13-15KHz之間。7.3.3超聲功率設定建議設定超聲波功率為60%-90%（設定數(shù)值為超聲額定功率的百分比），板厚越大超聲功率設置越大。7.3.4消減時間設定一切準備就緒后，啟動功率放大器，殘余應力消減系統(tǒng)開始工作。根據(jù)焊接構件厚度確定消減時間，建議的消減時間如表1所示；當采用無應力焊接方式時，應力消減工作時間根據(jù)焊接所用時間確定。表1消減時間設定焊接構件厚度/mm消除時間/min<520~305~1030~4010~1540~5015~3060~80≥30≥80~1207.3.5工作狀態(tài)調整設備工作后，可以根據(jù)諧振聲音和工件振動狀態(tài)，適當調整功率、頻率和工作時間，直到達到最佳的工作狀態(tài)。7.3.6結束調控調控時間到后，關閉功率放大器和超聲信號發(fā)生器，設備停止工作，取下夾持工裝，將工件表面及高能超聲波激勵器的耦合劑擦除干凈，整理好消減設備，本次焊接殘余應力調控作業(yè)完畢。注意：在取下夾持工裝時，要防止工裝從工件掉落和砸傷工件。高能聲束調控效果評估評價方法推薦采用無損的殘余應力檢測方法，如超聲臨界折射縱波檢測方法，GB/T32073。（給出建議值應當小于等于0.3倍屈服強度）。效果評判標準超聲消減處理后的效果，用平均剩余應力的水平來衡量，按照應力處理對象的設計要求和使用要求由相關方確定。如無特殊要求，一般要達到將應力峰值降低50%及以上，消除應力集中區(qū)域，均勻化應力分布，保證焊接結構剩余應力不超過處理對象材料屈服強度的30%。如果沒有達到上述應力消減效果，則重復7.3.1～7.3.4應力調控過程，重復消減不超過3次。調控報告在焊接殘余應力調控過程中，記錄相關工作參數(shù)，生成相應的控制報告，在編寫中至少應包括如下內容：工作時間、地點、人員；焊接構件名稱、材料、尺寸、焊接相關參數(shù)；殘余應力超聲消減處理工藝（處理部位、超聲激勵頭編號、超聲功率、頻率、處理時間）；應力檢測結果（應力檢測方法、設備、檢測部位、應力值）；評價結論；控制人員確認簽字。

附錄A（規(guī)范性）典型鋼結構焊接區(qū)域高能聲束應力調控部位示意圖A.1典型鋼結構焊接區(qū)域高能聲束應力調控部位示意圖本附錄針對典型鋼結構焊接殘余應力區(qū)內殘余應力分布狀態(tài)，給出了殘余應力調控位置選擇原則。焊接殘余應力調控用高能聲束激勵器如圖A.1所示：圖A.1高能聲束激勵器結構焊接殘余應分布區(qū)域主要集中在焊縫附近，當焊縫為三維空間相貫線時，應沿規(guī)則曲面制備曲率激勵器楔塊頭，焊接殘余應力使用高能聲束法調控時，激勵器分布示意圖如圖A.2～A.14所示。圖A.2對接焊接殘余應力區(qū)域激勵器調控部位示意圖圖A.3板L型搭接焊接殘余應力區(qū)域激勵器調控部位示意圖圖A.4板搭接焊接殘余應力區(qū)域激勵器調控部位示意圖圖A.5板T型焊接殘余應力區(qū)域激勵器調控部位示意圖圖A.6焊縫起弧或收弧焊接殘余應力區(qū)域激勵器調控部位示意圖圖A.7板T形焊接殘余應力區(qū)域激勵器調控部位示意