金属结构件残余应力超声波测量技术

1、Beijing Constant Technology, IncBeijing Constant Technology, Inc金属结构件的残余应力金属结构件的残余应力残余应力测试方法残余应力测试方法有损法有损法无损法无损法（物理法）（物理法）（机械法）（机械法）原理：原理：将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，由测量其应变的变化来求出残余应力。优缺点：优缺点：该方法会对工件造成一定的损伤或破坏，但其测量精度较高，技术较为成熟。典型应用：典型应用：包括钻孔法、环芯法和剖分法（包括切条法、切槽法和剥层法），其中以浅盲孔法的破坏性最小，应用最为广泛。X X射线衍射法射线衍射法基于弹

2、性力学及 X 射线晶体学理论试样表面残余应力磁性法磁性法铁磁物质的磁致伸缩效应磁记忆检测法、磁应力法、巴克豪森效应法和磁声发射法等超声波法超声波法声弹性效应可无损测定构件的表面应力和内部应力，且使用安全、无公害。u测量样品和实际焊接结构件中单向及双向应用应力和残余应力；u测量销和螺栓中的单向应力与外力；u测量研究材料的声弹性特征参数；u测量焊接结构件热处理后和服役过程中所引起的残余应力变化；u测量零部件和结构件的厚度；u测量材料的杨氏模量和泊松比UltraMARS UltraMARS TMTM设备的应用设备的应用 便携式、半自动超声应用应力和残余应力测量装置-UltraMARS TM是加拿大S

3、INTEC公司专为样品、零部件及焊接结构件的沿均匀壁厚、表面及近表面的应用应力和残余应力的无损测量而设计。UltraMARS TM设备可以用于测量材料和结构件的下列特征参数：UltraMARS UltraMARS TMTM设备的测量原理设备的测量原理 机械应力的超声波测量原理是基于声弹性效应声弹性效应： 超声波在固体中的传播速度取决于固体中的机械应力。 在材料性能已知的情况下，可以通过对纵向和剪切极化（在正交方向）传播的超声波速度的精确测定来完成机械应力的测量。不同材料超声纵波声速（CL）和正交极化的剪切波声速(CSX3；CSX2)随机械应力变化图表：1、钢A；2、钢B；3、铝合金； - C

4、SX3 ; - C SX2 ; x - C Lu通过对材料里超声波信号的循环频率测量，来测量弹性波的传播速度。u材料里超声波的发射和接收是通过压电式压电式纵波超声波探头（探头XF1）和剪切波超声波探头(YF23)来执行。 采用一个固定器将探头安装和固定在样品、部件或结构件应力测量的一个点上；该固定器可以采用夹具、永磁铁或电磁铁夹紧在试样或部件上。u试样上每个点应力测量结果都记录存储在UltraMARS TM设备微处理器的内存里， 这些数据用于计算和绘制残余/外加应用应力在试样上的分布。UltraMARS UltraMARS TMTM设备的技术参数设备的技术参数体超声波传感器/接收器采用石英板测

5、量从33mm到1010mm，并通过特殊紧固带和/或电磁铁连接待测对象。超声波穿过-厚度脉冲-回波测量方法示意图 用于材料平均厚度方向残余应力/应用应力测量的超声波计算机控制的综合测量设施测量部件和结构件表面残余应力或应用应力的探头超声波表面一发一收测量方法示意图 用于材料表面和近表面残余应力/应用应力测量的超声计算机控制的综合测量设施No技术参数技术参数测量单位测量单位数值数值1测量一个点的时间min12应用应力测量误差MPa5103残余应力测量误差MPa0.1s4测量厚度mm21505测量紧固件（销）的长度mm2510006最大数据记录：声弹性常数 测量名称/数量 频率和应力套套套20206

6、07电源：电压 频率 功率VACHzW110/23010%50/6040020No技术参数技术参数测量单位测量单位数值数值8物理尺寸：UltraMARS TM装置 PV-UZK及固定器 高频连接电缆 探头（体波） 探头（表面波）mmmmmmmmm330215165180653658550354545209 UltraMARS TM设备重量： UltraMARS TM测量单元 PV-UZK及固定器 高频连接电缆 探头（XF1和YF23） 探头（表面波）KgKgKgKgKgKg7.706.500.440.410.350.1510环境需求：操作温度范围 最大环境湿度（353C）C%050953低碳钢

7、经局部热处理后残余应力的分布残余应力测量数据分析软件残余应力测量数据分析软件UltraMARS UltraMARS TMTM设备的测量方法及案例设备的测量方法及案例测量样品（厚15mm）示意图测量样品（厚15mm）实物图沿纵向连接件的应力标记为33垂直纵向连接件的应力标记为22试样沿中心线1的初始残余应力分布试样沿线2初始残余应力分布，L是到试样左边的距离试样沿中心线残余应力的分布（有限元分析和实验结果对比）实验测量与数值模拟的对比实验测量与数值模拟的对比焊接钢板在循环载荷作用下残余应力的松弛焊接钢板在循环载荷作用下残余应力的松弛焊接钢板2010周次载荷前后沿线4的残余应力分布焊接钢板2010

8、周次载荷前后沿线5的残余应力分布沿线沿线1和线和线2.1的残余应力分布的残余应力分布靠近加劲肋端部的残余应力的分布靠近加劲肋端部的残余应力的分布焊接桥梁残余应力的测量焊接桥梁残余应力的测量潜艇耐压壳焊接件的残余应力测量潜艇耐压壳焊接件的残余应力测量超声残余应力优化系统超声残余应力优化系统超声残余应力优化系统：超声残余应力优化系统：通过特殊冲击头的高频冲击和超声波振动，释放有害的残余拉应力，并引入表面残余压应力，减小焊接区的应力集中，提高材料表层的力学性能，增加疲劳寿命。与现有的改进技术（磨、TIG熔修、喷丸处理、表面锤击等）相比，UP（Ultrasonic Peening）技术是提高疲劳寿命最

9、有效的技术。优化前后对接焊缝的变化优化前后对接焊缝的变化30mm15mm优化前后角焊缝的变化优化前后角焊缝的变化A2 SteelHSLA Material Not treated by UPAfter UP treatmentNot treated by UPAfter UP treatmentUP处理对金属腐蚀的影响处理对金属腐蚀的影响UP技术的优点技术的优点u效率高（最高）效率高（最高）u快速快速( (每分钟约处理每分钟约处理 0.5 m 0.5 m 焊缝焊缝) )u大大减少振动和噪音，操作简单大大减少振动和噪音，操作简单u渗透更深渗透更深 u计算机控制计算机控制u机器人在线应用机器人在线

10、应用u与类似的磁致伸缩系统相比，更轻巧，无需强制水冷与类似的磁致伸缩系统相比，更轻巧，无需强制水冷 UP已经成功的应用于提高焊接件疲劳寿命，抗腐蚀性，消除由于焊接和其他工艺引起的塑性变形，消除残余应力，增加材料表面硬度和表面纳米化。主要应用领域有：铁路和高速公路桥，矿业，施工机械，船舶制造，汽车和航空航天。应用案例应用案例高速公路铁路桥梁焊接件：一个100mm长的焊缝，经过UP处理，焊接件疲劳寿命显著地增加，并且可以消除疲劳裂纹的产生。在修复整段俄亥俄河大桥高速公路桥的过程中，UP处理了大约500m长的焊缝，超过2000个疲劳关键点的焊接件。焊接桥梁上的应用焊接桥梁上的应用UP of Fatigue Critical Welds of a Grinding Mill修复采矿设备上的应用修复采矿设备上的应用UP of a Welded Reinforcement Plate修复冲压设备上的应用修复冲压设备上的应用总结总结v 超声残余应力测量系统是基于声弹性效应，可以测量结构件表面、近表面及厚度方向的残余应力和应用应力。v 超声残余应力测量系统可用于零部件和焊接件在制造、装配过程中及服役期间残余应力和应用应