(高清版)GB∕T 38811-2020 金屬材料 殘余應(yīng)力 聲束控制法

ICS77.040.10GB/T38811—2020金屬材料殘余應(yīng)力聲束控制法國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T38811—2020 I Ⅱ 3術(shù)語(yǔ)和定義 7處理效果比對(duì) 8控制報(bào)告 IGB/T38811—2020本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)提出。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC183)歸口。信息標(biāo)準(zhǔn)研究院、北京北方車(chē)輛集團(tuán)有限公司、四川航天長(zhǎng)征裝備制造有限公司、國(guó)營(yíng)內(nèi)蒙第一機(jī)械制造有限公司、四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司。聲束控制法是一種利用在材料內(nèi)沿一定方向上傳播的超聲波能量，無(wú)損消減和均化殘余應(yīng)力的方法。該方法通常借助耦合劑，通過(guò)將激勵(lì)器工作面與被調(diào)控構(gòu)件表面緊密耦合，將超聲波波束通過(guò)表面定向地注入材料內(nèi)部，通過(guò)聲束方向及其附近波動(dòng)范圍介質(zhì)內(nèi)彈性波波動(dòng)能量來(lái)改變材料內(nèi)局部區(qū)域的殘余應(yīng)力數(shù)值及其分布，達(dá)到對(duì)殘余應(yīng)力控制的目的。殘余應(yīng)力聲束控制方法能滿(mǎn)足各種工程構(gòu)件表面和內(nèi)部殘余應(yīng)力消減和均化的需要，特別適合對(duì)在建和服役過(guò)程大型構(gòu)件殘余應(yīng)力集中部位的現(xiàn)場(chǎng)原位消減和均化，該方法適合所有透聲類(lèi)材料、各種曲面形廓構(gòu)件，具有無(wú)損和現(xiàn)場(chǎng)便攜的特點(diǎn)。聲束控制法通常由激勵(lì)器、大功率驅(qū)動(dòng)電源和控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。激勵(lì)器可以采用壓電陶瓷、磁致伸縮或電磁超聲等原理制備，激勵(lì)頻率和注入能量可以根據(jù)被處理構(gòu)件的材質(zhì)、尺寸和形廓與殘余應(yīng)力控制水平等因素確定，激勵(lì)電源應(yīng)與激勵(lì)器匹配且可控，激勵(lì)器通常由工裝壓緊在被處理構(gòu)件表面，保持緊密貼合。1GB/T38811—2020金屬材料殘余應(yīng)力聲束控制法1范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用具有一定能量和方向性的聲束(固體中的彈性波束)對(duì)金屬材料表面和內(nèi)部的殘應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)原位消減和均化。其他非金屬透聲材料構(gòu)件表面和內(nèi)部殘余應(yīng)力的控制也可參照采用。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是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(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)超聲檢測(cè)GB/T20737無(wú)損檢測(cè)通用術(shù)語(yǔ)和定義GB/T32073無(wú)損檢測(cè)殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T12604.1和GB/T20737界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1聲束控制法methodofsoundbeamcontrol將具有一定能量的聲波或彈性波沿某一方向，并在一定范圍內(nèi)注入材料內(nèi)部，對(duì)材料局部區(qū)域內(nèi)的殘余應(yīng)力進(jìn)行消減和均化的方法。3.2激勵(lì)器exciter能夠產(chǎn)生一定能量，且其能量中頻率和幅度為可控彈性波的一種裝置，通常采用壓電陶瓷、磁致伸縮或電磁超聲等原理制備。4原理在不改變材料的物理和力學(xué)性能情況下，聲束借助耦合介質(zhì)傳導(dǎo)進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)沿著聲束方向發(fā)生振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部特定方向殘余應(yīng)力調(diào)控。聲束指向性可以使聲波能量聚焦到材料表面和內(nèi)部任何部位，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部局部聚焦和定向消減和均化殘余應(yīng)力。5設(shè)備系統(tǒng)由聲波信號(hào)控制器、信號(hào)放大器、聲束激勵(lì)器、激勵(lì)器楔塊以及外圍設(shè)備(包括夾持裝置和激勵(lì)電壓傳輸線纜等)構(gòu)成，見(jiàn)圖1所示，箭頭方向表示構(gòu)件中應(yīng)力的主方向。2說(shuō)明：2——信號(hào)放大器；4——激勵(lì)器楔塊； 7——聲束傳播方向。圖1殘余應(yīng)力聲束控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖5.2聲波信號(hào)控制器聲波信號(hào)控制器應(yīng)具有輸出控制信號(hào)、監(jiān)測(cè)激勵(lì)器輸出阻抗、管理定時(shí)工作流程、控制激勵(lì)信號(hào)相5.3信號(hào)放大器將控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，同時(shí)具有激勵(lì)電壓和電流的反饋信號(hào)，以便能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)殘余應(yīng)力控制過(guò)程的聲阻抗變化。注：控制信號(hào)失真會(huì)對(duì)調(diào)控效果產(chǎn)生影響。多路控制信號(hào)要注意相位疊加。激勵(lì)器通常為夾心式壓電換能器或磁致伸縮換能器，激發(fā)時(shí)產(chǎn)生縱波，工作頻率為10kHz~40kHz,單個(gè)激勵(lì)器能量大于50W,具體參數(shù)和性能取決于被控制材料物理性能和構(gòu)件尺寸等因素。5.5激勵(lì)器楔塊聲束通過(guò)激勵(lì)器端部激勵(lì)器楔塊注入材料內(nèi)部，兩個(gè)表面之間曲率應(yīng)一致，以保證聲束能量能完全傳入材料中。5.6加持與固定裝置夾持裝置應(yīng)能確保激勵(lì)器固定在材料表面，并確保工作時(shí)激勵(lì)器端部與被控制材料表面緊密貼合。夾持固定裝置應(yīng)避免對(duì)被處理構(gòu)件表面造成任何損傷。3GB/T38811—20206工作流程6.2工作前準(zhǔn)備6.2.1制定控制工作實(shí)施方案。6.2.2應(yīng)確知被控制材料和構(gòu)件的曲率、厚度、表面粗糙度以及現(xiàn)場(chǎng)操作空間等信息，制備被控制構(gòu)件材料部位的表面具有良好接觸狀態(tài)，不應(yīng)有曲率突變或不規(guī)則曲面等，不應(yīng)有銹蝕或油漆層等阻礙聲波傳播的介質(zhì)。6.2.3激勵(lì)器的工作溫度通常在25℃~80℃之間，超出該溫度范圍會(huì)影響控制效果。6.2.4選擇合適的耦合劑。激勵(lì)器楔塊與調(diào)控工件的兩個(gè)接觸面之間應(yīng)涂抹耐高溫潤(rùn)滑脂(高溫黃油或藍(lán)油等)實(shí)現(xiàn)緊密耦合，確保聲波能夠有效、定向地傳入被處理材料內(nèi)部，同時(shí)，激勵(lì)器表面對(duì)材料表面不應(yīng)造成任何損傷。6.3選擇控制部位材料殘余應(yīng)力的控制部位應(yīng)由相關(guān)方商定，應(yīng)按照GB/T32073,采用無(wú)損檢測(cè)方法確定構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力大小、方向和梯度分布或集中區(qū)域?？刂颇Ｊ椒譃樗念?lèi)：垂直入射體波模式、斜入射導(dǎo)波模式、斜入射表面波模式、斜入射陣列聚焦模式。在聲束控制工作時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況選取控制模式。6.4.2垂直入射體波模式將聲束激勵(lì)器垂直固定放置在材料表面，聲束軸線與材料表面法向一致；縱波聲束在有邊界的厚度方向來(lái)回反射，在界面處聲波模式多次轉(zhuǎn)換，形成縱波與橫波的疊加波，材料質(zhì)點(diǎn)處于無(wú)規(guī)律受迫波動(dòng)，對(duì)材料內(nèi)任意方向的及聲束入射附近區(qū)域的殘余應(yīng)力起到消減和均化作用。該模式主要用于材料表面和內(nèi)部集中區(qū)域的殘余應(yīng)力消減和均化。垂直入射體波控制模式示意圖見(jiàn)圖1。將聲束激勵(lì)器按一定角度固定放置在波導(dǎo)構(gòu)件表面，聲束軸線與材料表面切平面方向保持一定角度α,滿(mǎn)足導(dǎo)波入射條件，斜入射導(dǎo)波控制模式如圖2所示，箭頭方向表示構(gòu)件中應(yīng)力的主方向。該角度取決于激勵(lì)楔塊材料、波導(dǎo)構(gòu)件材料厚度或直徑、及彈性常數(shù)等，通常選取導(dǎo)波低階對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)模態(tài)的入射角度和頻率。導(dǎo)波在板、管、柱等波導(dǎo)中以縱波與橫波的疊加波形式傳播，材料質(zhì)點(diǎn)處于無(wú)規(guī)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)格構(gòu)件殘余應(yīng)力的消減和均化；該模式主要用于整條焊縫焊接殘余應(yīng)力、多條焊縫焊接交點(diǎn)處殘余應(yīng)力、大規(guī)格鑄鍛件或金屬板材內(nèi)部殘余應(yīng)力的消減和均化。4GB/T38811—2020說(shuō)明：2——激勵(lì)器楔塊；3——耦合劑；4——波導(dǎo)構(gòu)件；圖2斜入射導(dǎo)波控制模式示意圖將聲束激勵(lì)器按一定角度固定放置在固體材料表面，聲束軸線與材料表面切平面方向保持一定角度α,滿(mǎn)足表面波入射條件或大于第二臨界入射角，斜入射表面波控制模式如圖3所示，箭頭方向表示構(gòu)件中應(yīng)力的主方向。該角度取決于激勵(lì)楔塊材料與被控制材料的聲速，當(dāng)入射角度為第一臨界角時(shí)，在構(gòu)件表面得到臨界折射縱波，縱波質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)方向與傳播方向相同，該模式主要用于消除和均化存在于表面和表層內(nèi)部且平行于表面方向的殘余應(yīng)力，在構(gòu)件內(nèi)部同時(shí)傳播的橫波主要用于消除和均化材料內(nèi)部與橫波質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)方向一致的殘余應(yīng)力；當(dāng)入射角度為第二臨界角時(shí)，在構(gòu)件表層內(nèi)得到表面波，表面波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)為沿傳播方向的橢圓運(yùn)動(dòng)，該模式主要用于消除和均化構(gòu)件表面和表層內(nèi)平行和垂直于表面的殘余應(yīng)力，適合于構(gòu)件厚度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的構(gòu)件表層殘余應(yīng)力的控制。說(shuō)明：2——激勵(lì)器楔塊；3——耦合劑；4——被調(diào)控構(gòu)件；圖3斜入射表面波控制模式示意圖5GB/T38811—2020將兩個(gè)以上的聲束激勵(lì)器按一定入射角度(α或β)相對(duì)固定放置在構(gòu)件表面，每個(gè)聲束入射角度取決于聲束相交位置，多個(gè)聲束的相交區(qū)域就是聲束聚焦區(qū)，控制α和β使兩個(gè)以上聲束在構(gòu)件表面或內(nèi)部任意位置相交，可以在構(gòu)件表層和內(nèi)部形成聚焦區(qū)域，斜入射陣列聚焦控制模式如圖4所示，應(yīng)控制相交波束的相位相同，將有助于增加聚焦能量，相干波束的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模態(tài)復(fù)雜，受迫質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)方向存在于空間各方向，這種模式主要用于消除和均化材料表層和內(nèi)部局部區(qū)域各方向的殘余應(yīng)力。該模式主要用于材料內(nèi)部或激勵(lì)器無(wú)法直接接觸到的構(gòu)件部位的殘余應(yīng)力消減和均化。a)導(dǎo)波調(diào)控模式b)縱波對(duì)射調(diào)控模式1——明聲束激勵(lì)器；2--—束激勵(lì)器楔塊；c)聲束聚焦調(diào)控模式4——被調(diào)控構(gòu)件；圖4斜入射陣列聚焦控制模式66.5控制過(guò)程控制過(guò)程中要使激勵(lì)器楔塊與材料表面穩(wěn)固密實(shí)地貼合，耦合接觸力在控制過(guò)程中保持穩(wěn)定?？刂七^(guò)程的具體操作如下：a)工作系統(tǒng)電氣連接完好，滿(mǎn)足設(shè)備使用規(guī)范和要求；b)將激勵(lì)器按需要的控制模式放置在材料表面，在激勵(lì)器端面均勻涂抹耦合劑，采用真空、磁吸或機(jī)械裝卡等方式將激勵(lì)器穩(wěn)定裝夾在構(gòu)件表面，確保激勵(lì)器端面和構(gòu)件表面曲率貼合、緊密耦合；c)檢查工作系統(tǒng)連接無(wú)誤后，打開(kāi)系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)始工作，設(shè)定激勵(lì)器在固有頻率下工作，根據(jù)工裝壓緊狀態(tài)和激勵(lì)效果，適當(dāng)調(diào)整激勵(lì)器工作的最佳頻率和工作時(shí)間，使得激勵(lì)器一直保持在最d)殘余應(yīng)力控制過(guò)程結(jié)束后，關(guān)閉整理好控制設(shè)備，取下夾持工裝，將構(gòu)件表面及聲束激勵(lì)器端面耦合劑清除干凈；e)記錄過(guò)程參數(shù)。7處理效果比對(duì)7.1正(法)應(yīng)力和剪(切)應(yīng)力的參數(shù)值大小和梯度分布狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能有重要影響，通常在結(jié)7.2若控制前后殘余應(yīng)力變化幅度較小，則應(yīng)考慮激勵(lì)楔塊與構(gòu)件表面的曲率是否貼合、耦合是否良好，激勵(lì)器是否工作正常，電源功率及激勵(lì)器輸出功率是否充分等因素導(dǎo)致，糾正后重新控制即可。7.3通常大功率控制使用10kHz～40kHz的激勵(lì)頻率。7.4通常對(duì)具有較大拉伸殘余應(yīng)力(指拉伸殘余應(yīng)力數(shù)值大于或等于1/4～1/3被控制材料屈服強(qiáng)度)且相對(duì)集中的部位，進(jìn)行聲束控制法處理。7.5通