殘余應力超聲檢測與調控技術的工程應用

我國正逐漸邁向制造業強國，而產品在生產制造過程中會不可避免的產生殘余應力，殘余應力的影響貫穿著產品的全壽命周期，這將極大地影響著工業制造水平、機械裝備的性能、安全性、可靠性和人民的生命財產安全。

殘余應力超聲檢測與調控技術在工程上的應用究竟如何呢？下面介紹幾種典型材料典型機械構件的應用研究，如車體底板焊接應力檢測與調控、鋁合金模具的鉚接應力檢測與調控、管道與金屬桁架的受力監測以及非金屬如玻璃的應力檢測等。

一、鋁合金焊接與鉚接應力檢測與調控

     1、兩棲車輛底板鋁合金焊接殘余應力的檢測和調控

某型兩棲車輛底板（材料為LC52鋁合金）支撐座區域頻繁出現裂紋和裂縫，嚴重影響了整車質量和水上駕駛安全。通過對車體支撐座區域的焊接和裝配應力的無損檢測和消除，起到了預防底板開裂、提高車輛底板制造質量的目的和作用。

按照工廠要求，在現場檢測前，對殘余應力超聲檢測系統的精度做校準及驗證。驗證后，開始采用高能超聲應力調控系統對成品車的底板開展現場作業和試驗論證。本次試驗論證的時間較長，前后共歷時40天對7臺成品車進行了焊接應力檢測、消除、再檢測以及抽檢某幾輛進行300km的跑車試驗。本節選取其中2臺車（003車和004車）的試驗效果進行論證。

 試驗一：按工廠要求，對003車常開裂區域補焊加強筋，然后冷卻到室溫后，再對焊加強筋后和焊加強筋后再調控的殘余應力進行超聲檢測，檢測部位為車體正面焊接區的7個位置，數據如圖1所示。之后，對003車進行300km的跑車試驗，每天跑100km，分3天完成。由于跑車時車體正面檢測部位被油箱、塔架等結構擋住，因此在正面補焊區域的反面選取11個位置進行應力檢測。每次跑完后的殘余應力超聲檢測數據如圖2所示。

  圖1  003車焊加強筋后調控前后殘余應力變化 圖2 003車300km跑車試驗殘余應力監測      

從圖1看出，在焊接加強筋后，最大應力出現在3號位置192.34MPa，焊前平均應力為149.54MPa。對焊接區整體進行高能超聲應力調控作業。調控作業后最大應力為95.35MPa，平均應力為73.67MPa，應力均化效果良好。

從圖2中看出，003車跑車前最大應力為8號位置159.43MPa（8號位置在左四支座和第一條焊筋中間），平均應力為71.9MPa。跑車1天后，3、7、10和11號位置的應力有所上升，說明跑車后，這些點受拉增大。隨著跑車的繼續進行，這些點應力逐漸穩定，說明沒有進一步受拉的危險。三天跑車完成后，平均應力為55.69MPa，應力水平較好。試驗后，對底板殘余應力檢測部位X射線拍照后沒有發現裂紋。

試驗二：只對004車焊接加強筋后做應力調控作業，不做跑車試驗，調控參數和部位與試驗一相同。從圖3的試驗數據可得，焊加強筋后，正面出現最大應力為203.69Mpa，整體平均應力為130.33Mpa，反面最大應力為137.79MPa，平均為44.83Mpa；調控作業后，正面最大應力為105.39Mpa，平均應力為46.45Mpa，反面最大應力為70.23MPa，平均為11.83Mpa。應力調控作業對正反面的應力都有消除和改善的效果，正面的消減效果在100MPa左右，反面的消減效果在40MPa作業，較好的改善了應力的分布水平。

2、手機鋁合金模具鉚接殘余應力檢測與調控

本手機模具采用7075鋁合金制造，其一面需要鉚接許多凸臺，鉚接過程中會產生很大的殘余應力，導致在后續精銑時由于殘余拉應力的作用產生微裂紋，影響了整個鋁合金模具的使用。因此，在鉚接后，需要盡可能的消除鉚接殘余應力，從根本上消除開裂隱患。

模具試樣有2塊，分別標記為試塊1和試塊2，如圖4所示。試塊1的需鉚接面還未鉚接凸臺，因此將其作為對比試塊只檢測其殘余應力，不做應力調控處理。試塊2需鉚接面已經鉚接了6個凸臺，對其先檢測鉚接應力分布，然后進行應力調控處理，完后再檢測應力分布。

(a) 非鉚接面                    (b) 需鉚接面

圖4 試驗所用鋁合金試塊

對模具非鉚接面進行殘余應力自動掃查。檢測探頭的布置方式為兩種，一種是平行于長邊（橫向），另一種是垂直于長邊（縱向），如圖4。檢測的參數為：探頭中心頻率5MHz，探頭兩換能器間距30mm，每次檢測的步進量2mm。檢測的結果如下：

       c) 調控前試塊2橫向（鉚接點用△表示）      (d) 調控前試塊2縱向（鉚接點用△表示）

圖5 調控前兩鋁合金試塊的殘余應力分布云圖

只對試塊2非鉚接面進行殘余應力調控作業，現場如圖6所示，調控的參數為：2路高能激勵器同時調控，調控時間15min，激勵器頻率20KHz，功率250W，壓緊力75N。調控后再次檢測橫向和縱向殘余應力，結果如圖7所示。

                       圖6 殘余應力檢測與調控現場

圖7 調控后鋁合金試塊2的殘余應力分布云圖

試驗結果分析表明：（1）由于試塊1未鉚接，因此殘余應力分布非常均勻，最大拉應力和壓應力都在很小的范圍內，檢測結果符合未鉚接狀態。（2）由于試塊2已鉚接幾個點，因此殘余應力分布不均勻，且最大拉應力達到250~350MPa，且從應力分布圖中看到的應力集中處就是鉚接點的部位，檢測結果符合鉚接狀態。（3）調控后，殘余拉應力極大向零應力和壓應力轉變，最大殘余拉應力僅60.75MPa，且整體的應力分布更加均勻，基本恢復到未鉚接的狀態。

3、航天器大尺寸薄壁鋁合金焊接殘余應力檢測與調控

某型航天裝備的頂盤為鋁合金焊接件，該焊接件內部裝填有液態燃料，由焊接應力導致的鋁合金頂盤開裂是致命的，其內部燃料會因開裂而泄漏最終釀成災難。為此，在出廠前，需對鋁合金頂盤焊接應力進行檢測和調控作業。

頂盤焊接件的檢測區域如圖8所示，檢測方向為垂直于焊縫，距離焊縫3mm左右，一共在焊縫周圍檢測40個區域，每個區域相鄰，得到的應力分布曲線如圖9。

通過圖9，可以明顯得出34～38范圍內應力相對較大，利用高能超聲調控系統對34～38區域范圍內進行超聲調控，調控時間為15分鐘，具體做法為：在調控前檢測殘余應力值，調控15分鐘后檢測相應區域應力值大小。調控的數據對比如表10，試驗表明焊接應力下降明顯，在較短調控時間內調控效果顯著，34～38區域內應力平均下降100MPa左右，幾乎沒有反彈。

                                            圖10調控前后應力分布曲線

二、鋼結構焊接或載荷應力檢測

1、管道焊接應力檢測與監測

利用殘余應力超聲檢測系統，對西部管道西氣東輸各沿線作業區的管道焊縫殘余應力進行現場檢測，評估其危險區域。同時，還現場開展了打壓管道應力監測試驗，利用5路探頭，分別監測管道殘余應力較大點處的4個周向和1個軸向應力變化，從而尋找到爆管臨界點，為管道焊接殘余應力的閾值提供參考。

1.1 西部管道西氣東輸某作業區管道焊縫殘余應力檢測

對西氣東輸某加氣站油氣管道（材料L360，屈服強度360MPa，抗拉強度460MPa）的一處焊縫裂紋處進行了殘余應力檢測。管道（直徑356mm，厚度15mm）有2條2mm深的裂紋，如圖11所示。殘余應力檢測前，裂紋已經進行了打磨處理。檢測方向均為垂直于焊縫。通過超聲應力檢測，可得管道裂紋附近的應力分布曲線如圖12所示。

圖12 管道裂紋附近九個區域殘余應力分布圖

從管道兩處2mm深裂紋附近9個區域的應力分布圖可見，其第2個區域（見紅色圈）拉應力偏大（218MPa），需要對其長期監測，其它區域應力較為正常。

1.2 打壓管道應力原位監測試驗

利用5臺檢測儀分5路探頭，分別監測管道殘余應力較大點處的4個周向和1個軸向應力變化，現場如圖13所示，考慮到安全因素，管道未被打爆，最大壓強達到14MPa。監測點具體位置信息如表1，檢測前，對初始應力值做歸零處理，連續打壓監測的應力走勢如圖14所示。

 圖13打壓管道應力原位檢測現場

表1 監測點具體信息

圖14 連續打壓監測的應力走勢圖

從監測數據曲線看出：①周向區域的應力值隨水壓升高的變化大，軸向的應力約周向的一半，這與理論分析吻合；②周向的檢測點（1、2、3和4號機）在12MPa水壓后都發生應力不再線性增大的現象，可能出現塑性變形；③2號機監測的位置原始殘余應力值最大，因此最先達到屈服狀態；④4號機監測點在水壓14MPa時仍未屈服，說明該點仍然安全，因此可以初步認為管道焊接殘余應力的閾值應≤140MPa。

2、桁架受力檢測與監測

桁架結構多見于鐵路和高速公路，通常需要足夠強度保證，不發生塑性變形或斷裂；足夠剛性保證，不發生過大的彈性變形；足夠穩定性保證，不發生因平衡形式的突然轉變而坍塌；良好動力學特性保證：具有一定抗震、抗風性。因此，有必要對其關鍵受力點進行應力監測。本試驗設計了簡單桁架結構，利用龍門壓力機對桁架施加壓力，采用超聲應力檢測儀和應變片同時監測應力加載過程中的關鍵受力點應力變化，試驗現場如圖15所示。

圖15 試驗現場圖片

選取桁架8A，2A，9B，8B做桁架加壓應力檢測試驗，桁架結構圖如圖16。應力檢測的結果如圖17。在試驗數據上，超聲波法與貼應變片法監測的數據基本一致，這證實了超聲波法應力檢測的準確性。

 三、非金屬構件殘余應力的檢測

玻璃中的應力通常是極不均勻的，嚴重時會降低玻璃制品的機械強度和熱穩定性，影響制品的安全使用，甚至會發生自裂現象。通常玻璃應力的檢測利用了偏振光、雙折射、光程差和干涉色等光學原理。但是由于新興材料的出現，結合檢測效率和結果的準確性，玻璃中的應力檢測出現了挑戰。下述工程應用實驗是利用超聲殘余應力自動掃查裝置，對我國某型大型運輸機的擋風玻璃的殘余應力開展了試驗研究。一共檢測了2塊玻璃試樣，一塊是曲面試樣，另一塊是平板試樣。檢測現場如圖18所示。

（1）曲面玻璃試樣殘余應力檢測

將掃查架置于該曲面試樣表面，設置系統掃查步進為5mm，每條線掃查24個殘余應力值，而后將掃查架沿其垂直方向挪動5mm，再次掃查。由于該曲面試樣是變曲率的，導致聲楔塊與玻璃表面不能良好耦合，因此只掃查了2條線。掃查區域尺寸和方向如圖19所示，將掃查結果繪制為分布云圖如圖20所示。

（2）平板玻璃試樣殘余應力檢測

將掃查架置于玻璃平板上，設置系統掃查步進為5mm，每條線掃查24個殘余應力值，而后將掃查架沿其垂直方向挪動5mm，再次掃查。一共掃查了5條線，共24×5=120個殘余應力檢測值，掃查區域尺寸和方向如圖21所示，將掃查結果繪制為分布云圖如圖22所示。

試驗的結果表明，殘余應力超聲檢測系統能夠很快地檢測出玻璃等非金屬的殘余應力大小及其分布。 

總結：

從上述幾種典型材料典型機械構件的工程應用研究表面，殘余應力超聲檢測與調控技術在工程實際應用中能起到很好的效果，在現階段及未來的工業發展中殘余應力超聲檢測與調控技術是必不可少的。 

參考文獻：《殘余應力的超聲檢測方法》----北京理工大學  徐春廣教授等