金属结构件残余应力超声波测量与优化技术3

1、金属结构件残余应力的超声波测量及优化技术,北京康坦科技有限公司 Beijing Constant Technology, Inc,残余应力的介绍,残余应力的定义：消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。,残余应力的分类： (一)宏观残余应力 宏观残余应力，又称为第一类残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量。 (二)微观残余应力 微观残余应力属于显微视野范围内的应力。依其作用的范围，又可细分为两类:即微观结构应力，或称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的应力；晶内亚结构应力，又称为第三类残余应力，它是在一个晶体内部作用的，,残余应力的起因: 不同的塑形流动性 不同的冷却速率 伴随着体积变化的相变 等等 残余应力的产生: 焊接 机械加工 轧制 表面处理 铸造 热处理 残余应力的影响: 疲劳寿命 耐腐蚀性 结构稳定性 脆性断裂 变形,残余应力的介绍,残余应力测试方法,有损法,无损法 （物理法）,（机械法）,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：该方

2、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：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射线衍射法,基于弹性力学及 X 射线晶体学理论,试样表面残余应力,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,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。,UltraMARS TM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 (Ultrasonic Measurement of Applied and Residual Stresses)是加拿大SINTEC公司专为样品、零部件及焊接结构件的沿平均壁厚、表面及近表面的应用应力和残余应力的无损测量而设计。,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； 测量销和螺栓中的单向应力与外力； 测量研究材料的声弹性特征参数； 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； 测量零部件和结构件的厚度； 测量材料的杨氏模量和泊松比,Ultra

3、MARS TM设备可以用于测量材料和结构件的下列特征参数：,UltraMARS TM设备的应用,UltraMARS TM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： 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 SX3 ; - C SX2 ; x - C L,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。 材料里超声波的发射和接收是通过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。 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。,Surface pitch-catch

4、 表面探头，一发一收 测量基底5mm，渗透深度0.4mm,Through-thickness pulse-echo 体波探头，脉冲回波 整体壁厚的平均应力，通过测量纵波和剪切波（正交方向）的频率得到22，33。,Through-thickness pitch-catch 亚表面探头，一发一收 测量基底7mm，渗透深度1.5mm,UltraMARS TM设备的探头,UltraMARS TM设备的技术参数,低碳钢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,便携式电脑（残余应力分析专家系统）,先进的数据库，基于UltraMARS TM和软件RESIsTTM，用于分析测得的残余应力对焊接件服役寿命的影响。为加强焊接元件的疲劳性能分析以下参数：,材料选择 焊接元件的首选设计 焊接过程 焊接残余应力 修复处理的应用 可修复技术的影响 实际服役条件,UltraMARS TM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

5、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,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周次载荷前后沿线5的残余应力分布,沿线1和线2.1的残余应力分布,靠近加劲肋端部的残余应力的分布, MPa, MPa,Along the weld,Transverse direction to the weld,33,22,33,22,0,b,L,200 mm, - Before UP - After UP,铝焊接试样的残余应力测量,Distance from the surface, mm,Distributions of residual stress in the rim of railway wheels without the intensive drag braking. y hoop stress, x radial stress,Average-through-thicknessstress in wheel, MPa,铁轨车轮的残余应力测量,For wheel rim m

6、easurements, the two directions are the radial, r and hoop, directions.,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,焊缝疲劳性能强化技术,焊缝疲劳性能强化技术：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有效的技术。,原理示意图,UP技术的作用,增加疲劳寿命和疲劳强度 消除精密部件的焊接变形 增加耐腐蚀性 增加显微硬度 表面纳米化（纳米晶）,Gary B. Marquis,From: Gary B. Marquis Presented at Commission XIII Fatigue behavior of welded structures, International Institute of Welding,优化前后对接焊缝的变化,焊后状态,使用UP技术后,优化前后角焊缝的

7、变化,UP技术在管焊接接头的应用,1 - in as-welded condition for all types of steel 3, 5, 7 and 9 - after application of the UP to Steel 1, Steel 2, Steel 3 and Steel 4,Low and High Strength Steels,Aluminum and its alloys,Titanium and its alloys For high loads (700 MPa) of fuselage endurance increase,Welded Plastics,UP技术可以用于多种材料,UP技术对疲劳寿命的影响,Drawings of welded specimens for fatigue testing at different conditions W as-welded condition; R - repair by gouging and welding; R/UP repair by gouging, welding and UP,1 -

8、 as-welded condition, 2, 3 and 4 after first, second and third weld repair 5, 6 and 7 - after first, second and third weld repairwith application of UP,I - fatigue crack is repaired by gouging and welding, II - fatigue crack is repaired by gouging, welding and UP, III UP is applied before/during the first phase of service life, W as-welded condition, R - repair by gouging and welding, R/UP repair by gouging, welding and UP W/UP- welding and UP,A2 Steel,HSLA Material,Not treated by UP,After UP tr

9、eatment,Not treated by UP,After UP treatment,UP技术对金属腐蚀的影响,Surface hardness of automotiveengine valves,UP技术对表面硬度的影响,消除由于焊接产生的扭曲变形,使用UP技术，可以消除由于焊接产生的扭曲变形 6mm厚钢板,优化前,优化后,通过UP技术，可以使材料表面形成纳米晶，约几m 厚。,实现表面纳米化,UP技术的优点,效率高（最高） 快速(每分钟约处理 0.5 m 焊缝) 大大减少振动和噪音，操作简单 渗透更深 计算机控制 机器人在线应用 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,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,UP of Fatigue Critical Welds of a Grinding Mill,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,ROBOTIZED ULTRASONIC PEENING,总结,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。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力的无损在线测量。优于机械测量法和其他无损测量方法。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，将有害的残余拉应力转换成有益的压应力，减小焊接区的应力集中，提高材料表层的力学性能，如增加疲劳寿命和疲劳强度，增加耐腐蚀性能、消除精密部件的焊接变形、增加表面的显微硬度、实现表面纳米化等。,

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