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

機械加工軋制表面處理

鑄造

熱處理

殘余應力的影響:疲勞壽命耐腐蝕性結構穩(wěn)定性

脆性斷裂變形

殘余應力的介紹殘余應力測試方法有損法無損法（物理法）（機械法）原理：將具有殘余應力的部件從構件中分離或切割出來使應力釋放，由測量其應變的變化來求出殘余應力。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，技術較為成熟。典型應用：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，應用最為廣泛。X射線衍射法基于彈性力學及X射線晶體學理論試樣表面殘余應力磁性法鐵磁物質的磁致伸縮效應磁記憶檢測法、磁應力法、巴克豪森效應法和磁聲發(fā)射法等超聲波法聲彈性效應可無損測定構件的表面應力和內部應力，且使用安全、無公害。UltraMARSTM設備的應用

便攜式、半自動超聲應用應力和殘余應力測量裝置---UltraMARSTM

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

機械應力的超聲波測量原理是基于聲彈性效應：超聲波在固體中的傳播速度取決于固體中的機械應力。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、部件或結構件應力測量的一個點上；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。試樣上每個點應力測量結果都記錄存儲在UltraMARSTM設備微處理器的內存里，這些數(shù)據(jù)用于計算和繪制殘余/外加應用應力在試樣上的分布。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設備的探頭UltraMARSTM設備的技術參數(shù)低碳鋼經局部熱處理后殘余應力的分布殘余應力測量數(shù)據(jù)分析軟件便攜式電腦（殘余應力分析專家系統(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計焊接過程焊接殘余應力修復處理的應用可修復技術的影響實際服役條件UltraMARSTM設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力標記為σ33垂直縱向連接件的應力標記為σ22試樣沿中心線1的初始殘余應力分布試樣沿線2初始殘余應力分布，L是到試樣左邊的距離試樣沿中心線殘余應力的分布（有限元分析和實驗結果對比）實驗測量與數(shù)值模擬的對比焊接鋼板在循環(huán)載荷作用下殘余應力的松弛焊接鋼板2010周次載荷前后沿線4的殘余應力分布焊接鋼板2010周次載荷前后沿線5的殘余應力分布沿線1和線2.1的殘余應力分布靠近加勁肋端部的殘余應力的分布σ,MPaσ,MPaAlongtheweldTransversedirectiontotheweldσ33σ22σ33σ220bL200mm○-BeforeUP●-AfterUP鋁焊接試樣的殘余應力測量Distancefromthesurface,mmDistributionsofresidualstressintherimofrailwaywheelswithouttheintensivedragbraking.σy–hoopstress,σx–radialstressAverage-through-thicknessstressinwheel,MPa鐵軌車輪的殘余應力測量Forwheelrimmeasurements,thetwodirectionsaretheradial,randhoop,θdirections.焊接橋梁殘余應力的測量潛艇耐壓殼焊接件的殘余應力測量焊縫疲勞性能強化技術焊縫疲勞性能強化技術：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力，并引入表面殘余壓應力，減小焊接區(qū)的應力集中，提高材料表層的力學性能，增加疲勞壽命。與現(xiàn)有的改進技術（磨、TIG熔修、噴丸處理、表面錘擊等）相比，UP（UltrasonicPeening）技術是提高疲勞壽命最有效的技術。原理示意圖UP技術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技術后30mm15mm優(yōu)化前后角焊縫的變化UP技術在管焊接接頭的應用

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

WeldedPlasticsUP技術可以用于多種材料UP技術對疲勞壽命的影響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技術對金屬腐蝕的影響

Surfacehardnessofautomotiveenginevalves

UP技術對表面硬度的影響消除由于焊接產生的扭曲變形使用UP技術，可以消除由于焊接產生的扭曲變形6mm厚鋼板優(yōu)化前優(yōu)化后通過UP技術，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已經成功的應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，消除殘余應力，增加材料表面硬度和表面納米化。主要應用領域有：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。應用案例高速公路鐵路橋梁焊接件：一個100mm長的焊縫，經過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生。在修復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個疲勞關鍵點的焊接件。焊接橋梁上的應用UPofFatigueCriticalWeldsofaGrindingMill修復采礦設備上的應用UPofaWeldedReinforcementPlate修復沖壓設備上的應用ROBOTIZEDULTRASONICPEENING總結

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

超聲