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2024年11月18日帶墊板焊縫的超聲檢測回波識別
導讀 為了準確識別帶墊板焊縫進行超聲波檢測時出現的真假反射回波信號，對帶墊板的單面焊雙面成形焊縫（包括管道對接環焊縫、T形和角接焊縫）超聲檢測的反射回波信號的產生原因及特點進行了分析，并分別提出了識別真假回波信號的技術方法。 分析認為，精確校準距離軸線(時基掃描線)，尋找回波源的**反射角，精確確定回波源的坐標，是正確判斷焊縫真假缺陷的關鍵，同時指出超聲檢測人員應熟悉焊接結構和焊接工藝，有助于進行正確的判斷。 1.問題的提出 在部分工程結構施工中，如管道的環焊縫對接、鋼結構鋼管工程**終拼接焊縫的對接、鋼結構工程的T形和角接焊縫的對接等，采用全位置無墊板單面焊接容易出現焊接缺陷，因為坡口背面無墊板，熔池金屬無外部支撐，容易下淌，且現場安裝焊接屬于全位置焊，焊接過程中熔池金屬受力狀態不斷變化，根部焊縫成形控制難度非常大，因此焊縫根部特別是立焊位置容易出現縮孔或其他缺陷。 如果采用鋼墊板的單面對接焊工藝，焊接質量就容易保證。 對帶墊板焊縫進行超聲檢測時，墊板反射回波也會顯示在熒光屏上，在聲波入射到探頭對側的焊角時，會在熒光屏上顯示出焊角和墊板兩個回波，如圖1所示。 相關標準規定焊縫不允許存在裂紋、未焊透和未熔合等缺陷，如何正確判斷帶墊板焊縫真假缺陷回波就尤為重要，因此許多超聲檢測人員認為鋼墊板的存在對焊縫的超聲檢測是一個妨礙。 筆者通過對不同形式的帶墊板接頭焊縫的分析，判斷各種反射回波，以期找到識別真假回波信號的技術方法。 （圖1 單面墊板焊縫超聲檢測示意圖） 2.T形或角接接頭焊縫檢測回波的識別 2.1 90°T形或角接接頭焊縫 帶鋼墊板的90°T形或角接接頭焊縫根部間隙和熔透如圖2所示，圖2中鋼墊板端部將起到一反射體“R”的作用，“R”反射回波定位將等于一個相當于來自“D”點的焊接缺陷的聲程距離。對于這種反射回波，可通過如下方法綜合解決： （1）從“C”點用直探頭檢測來確定是否存在缺陷“D”的反射回波（如果“C”點位置可以進行檢測）。 （2）確定在焊接接頭長度上該回波顯示是否是連續不斷的，一般來自墊板的反射回波很高，當探頭沿著焊縫方向移動時此類波形就一直伴隨，相對而言，大多數焊接缺陷并不均勻連續。 （3）采用多次波反射法從“B”點對焊縫進行檢測，來確定缺陷“D”是否存在。這時可能要對“F”點打磨平整，以保證超聲束能覆蓋到“D”點。 （4）增加探頭角度（即更換大角度探頭），以保證聲束能更好地覆蓋到“D”點。 （5）清除掉一小塊墊板使聲波不能達到“R”位置，從而確定“D”是否是缺陷存在或證實回波是來源于“R”處。 （6）選擇一處**大的反射回波位置進行打磨或刨槽后進行表面檢測（磁粉或滲透）來確定缺陷“D”是否存在。 2.2 夾角＜90°或＞90°的斜T形或角接接頭焊縫 （圖2 帶鋼墊板的90°T形或角接接頭焊縫檢測示意圖） 帶鋼墊板的斜T形或角接接頭焊縫檢測如圖3所示，從圖3（a）可以看出，“R”的反射回波也可以視為焊道下裂紋“C”的回波；在圖3（b）中，隨著夾角角度＞90°，“R”就和缺陷“D”的回波聲程距離相等。 這些條件的分辨與90°T形或角接接頭相同。 因為接頭夾角角度改變，所以來自接頭的反射回波的解釋就變得比較復雜，這是因為鋼墊板反射的增加和墊板端部焊縫焊趾位置的相互影響。 （圖3 帶鋼墊板的斜T形或角接接頭焊縫檢測示意圖） 3.對接接頭焊縫檢測回波的識別 3.1 墊板和接頭間脫開的情況 通常的假回波指示“R”是由于連接接頭的錯邊（如鋼管橢圓度大、焊接變形等導致的裝配質量問題）或由于兩個不同厚度板材連接時在鋼墊板和板材間貼合面的分離產生的。 圖4為墊板和接頭分離的對接接頭焊縫檢測示意圖，根據聲程距離和波束傳播路徑，當從“A”點檢測時，回波看起來就像裂紋或未熔合等根部缺陷。 對于這種反射回波，可通過采取如下方法綜合判斷解決： （1）準確標記好反射回波指示部位（如圖中 “L”位置）。 （2）從單面對側“A1”位置重復超聲檢測。 （3）如果從“A1”點檢測，同樣可以得到“L”位置回波反射指示則證實在根部存在缺陷。 （4）如果從“A1”點檢測不到“L”位置反射回波，則可能是“R”產生的假缺陷反射回波顯示。 （圖4 墊板和接頭分離的對接接頭焊縫檢測示意圖） 3.2 表面形狀和墊板具有類似聲程的情況 另一個引起混淆的假反射回波原因是焊縫表面成形與鋼墊板導致的反射有相同的聲程距離。 圖5為不同寬度根部間隙的對接接頭焊縫檢測示意圖，圖5（a）的焊接接頭焊縫底部足夠大，從而使聲波傳輸到鋼墊板而導致從“R”邊角處反射并得到一個大的反射回波顯示； 圖5（b）焊縫底部窄一些，且聲波進入處離焊縫稍遠了一些，這就導致從焊縫余高位置“WR”產生聲波反射和出現大的反射回波。 （圖5 不同寬度根部間隙的對接接頭焊縫檢測示意圖） 對于這一種情況，對反射回波的解釋變得更加復雜。 圖5（a）和圖5（b）的聲程距離相同，究竟是表面缺陷的反射，還是焊縫余高的反射，或者是墊板邊緣的反射，就需要仔細的分析判斷。 對于這種反射回波，可通過如下方法綜合判斷： （1）從單面對側“A1”點對圖5（a）焊縫進行檢測，以確定“WR”區域是否存在缺陷反射回波。 （2）對“WR”區域的任何回波顯示可以進行打磨檢查，來確定缺陷的存在。 （3）如果從單面對側的“A1”位置沒有反射回波指示，則再從“A”進行檢測。 確定從“WR”來的反射回波是否是焊縫余高引起。首先操作探頭直到得到**大的反射回波高度，然后用手指蘸耦合劑觸摸“WR”處，如果“WR”是焊縫余高反射，那么隨著手指的觸動反射回波會出現跳動。 （4）如果“WR”不是反射體，按照如下方法，來驗證鋼墊板是否是反射源，將探頭放在“A1”或“A”處以得到**大的反射回波高度，測量從探頭入射點到反射體的投射表面距離，標記探頭從焊縫對側的尺寸記為“L”，測量從“L”到“WR”的尺寸，這一尺寸應為鋼墊板寬度（如果超聲設備經過精確校準的話）。因此超聲檢測人員在檢測前應詳細了解所用鋼墊板的尺寸和基本的根部間隙尺寸情況，它可以排除一些關于反射源的問題（這也是超聲檢測人員需要熟悉焊接結構的主要原因）。 （5）如圖5（b）所示，按中心線“CL”將焊縫分為兩部分，從探頭所在的焊縫相同側對反射體進行判斷，使假反射回波信號降低到**小。 4.密封焊鋼墊板檢測回波的識別 合同雙方可以要求對所有鋼墊板進行密封焊接，密封的焊縫使超聲波不能通過坡口焊縫的整個橫截面，超聲檢測人員應在制作之前確定鋼墊板的**適用寬度以及適于檢測的**橫波探頭角度。 密封焊的鋼墊板對接接頭焊縫檢測如圖6所示，從圖6可以看出，鋼墊板端部是關鍵部位，因為它影響聲波反射到接頭焊縫的上部。 通常，在鋼墊板端部，“B”至“B1”部位導致聲波進入鋼墊板，“R”處信號被探頭接收返回，或者如“A1”探頭那樣完全接收不到返回信號回波。 （圖6 密封焊的鋼墊板對接接頭焊縫檢測示意圖） 圖7 為密封焊的鋼墊板T形和角接接頭焊縫檢測示意圖，與圖6存在相同的狀態，即當聲波在“B”處進入鋼墊板并且通過墊板板繼續傳播并進入腹板中。 如在屏幕上看到這一反射回波，它很可能是假回波顯示。 針對這一反射回波，應采取增加密封焊接鋼墊板的寬度尺寸或者更換較小角度探頭的方法進行檢測。 （圖7 密封焊的鋼墊板T形和角接接頭焊縫檢測示意圖） 5.結論 （1）對帶墊板的焊縫進行超聲檢測時，應精確校準距離軸線（時基掃描線），從結構中獲得信號的精確信息參數，以利于準確判定。尋找回波源的**反射角，使其產生**高回波，從而計算其水平和深度位置，精確確定回波源的坐標。通過仔細辨別反射回波的來源，分析回波的傳播路徑和反射特性，可以正確判斷真假缺陷。 （2）超聲檢測人員應熟悉焊接結構和焊接工藝，通過準確的反射回波定位才能進行正確的判斷。 - End - 1 注意 內容涉及標準可能存在廢止的情況，請實際操作中勿采用，本文僅提供知識參考思路！若有錯誤，請留言指正，也希望這些知識點可以幫到你！ 2 來源和聲明 本文來源：網絡（百度搜索） 本文作者：邢艷亮，甘正紅，丹紅兵（排名不分前后） 聲明：本文章系轉載，版權歸原作者所有。本號尊重原創，轉載文章僅為傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。如其他媒體、網站或個人從本號轉載使用，請保留本號注明的文章來源，并自負版權等法律責任。如對文章有疑議請及時與我們聯系。了解更多 -
2024年07月03日使用全聚焦方式改進相控陣超聲成像
使用全聚焦方式改進相控陣超聲成像 引言 隨著可進行全聚焦方式（TFM）檢測的設備陸續進入市場，無損檢測（NDT）行業也在經歷著一個技術進步突飛猛進的重要時期。全聚焦方式（TFM）的出現標志著相控陣超聲檢測（PAUT）技術又向前邁出了重要的一步。然而，一些相控陣超聲檢測（PAUT）的從業人員可能仍然對全聚焦方式（TFM）及其與全矩陣捕獲（FMC）的關系，以及傳統相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式/全矩陣捕獲（TFM/FMC）處理之間的差異，感到困惑。這則應用注釋可使那些熟悉相控陣超聲檢測（PAUT）成像的檢測人員對全聚焦方式（TFM）成像有個基本的了解。為了使說明簡潔清晰，本文對超聲傳播模式方面的知識不予說明。 傳統相控陣超聲檢測（PAUT）成像 超聲相控陣技術的標志是在被測工件中所需關注的位置聚焦和偏轉聲束的能力。相控陣聚焦方法為相控陣探頭的發射晶片和接收晶片使用延遲，以使短脈沖波形的渡越時間在所需關注的位置處實現同步。在樣件的聚焦區域，所生成聲束的寬度變窄，且相應的探測分辨率顯著提高。 物理聲束形成 傳統相控陣在發射聲束的過程中使基本聲波以物理方式疊加在一起，生成一個在被測樣件內特定深度上聚焦的聲束。發射晶片組形成一個孔徑，從這個孔徑產生一個相干聲脈沖。傳統相控陣發射脈沖的行為被稱為“物理”聲束形成。例如，在S掃描中，物理聲束形成的采集過程會為用戶指定的每個角度進行。 合成聲束形成 在發射器、散射體和接收器之間的聲學回路的末端，組成接收孔徑的晶片會將來自被測樣件的所有回波作為A掃描記錄下來。A掃描數據包含回波波幅和傳播時間。為了增強樣件中某個特定區域的接收靈敏度，A掃描被延遲并總和，好像聚焦是通過物理聲束形成而實現的。不過，這一次，所有的延遲和總和都發生在采集設備的軟件中。這種接收聲束形成被稱為“合成”聲束形成。合成聲束形成所需的所有計算都在專用的前端電子設備中進行，從而實現了快速、實時成像。 傳統相控陣超聲檢測（PAUT）的局限性 相控陣聚焦的好處是明顯提高了聚焦區域的靈敏度，從而可在局部區域提高探測性能。不過，這種提高的靈敏度僅限于被測工件中某個可控且固定的深度。位于聚焦區域之外的反射體會顯得模糊不清，而且會比位于聚焦區域內的同等大小的反射體看起來更大些。 FMC（全矩陣捕獲）：一種采集策略 TFM（全聚焦方式）：圖像的重建 全聚焦方式（TFM）：高分辨率圖像的構建 全聚焦方式（TFM）是相控陣基本聚焦原理在被測樣件的所限定關注區域（ROI）中的系統性應用。關注區域（ROI）被分割成一個由位置或者“像素”組成的網格，而且網格中的每個像素會通過相控陣聲束形成的方法得到聚焦。到目前為止，全聚焦方式（TFM）是生成這種可在各個位置和深度上聚焦的關注區域圖像的較有效方法。 然而，如果將通過物理聲束形成采集而實現的相控陣超聲檢測（PAUT）采集策略應用于全聚焦方式，則生成單個全聚焦方式（TFM）圖像所用的時間會使人們對大多數無損檢測（NDT）應用的部署望而卻步。例如，生成一個全聚焦方式（TFM）圖像所需的像素數遠遠高于生成一個可覆蓋相同關注區域的S掃描所需的不同角度的數量。通過物理聲束形成方式以100個不同角度進行掃查而獲得的一個S掃描需要100次采集，而由100 × 100像素構建的全聚焦方式（TFM）圖像則需要10000次物理聲束形成采集。 為了避免這個采集數量過多的問題，可以采用另一種采集策略：通過為發射相位和接收相位應用合成聲束形成的方法，計算網格中的波幅值。這種采集策略需要對應于關注區域（ROI）網格的每個像素位置的一組聚焦法則，以及一組原始基礎波形，即基本A掃描。獲取這組基本A掃描的有效方法是全矩陣捕獲（FMC）數據采集。 FMC（全矩陣捕獲）：一種用于實現全聚焦方式（TFM）的采集策略 全矩陣捕獲（FMC）是一個采集過程，可以獲得所有成對的發射晶片和接收晶片生成的所有A掃描（波幅時間序列）。這些基本A掃描存儲在全矩陣捕獲（FMC）數據集中。為了獲得較佳聚焦效果，應該使用構成探頭整個孔徑的所有晶片，通過合成聲束形成方式，生成全矩陣捕獲（FMC）數據集。在這種情況下，建立全矩陣捕獲（FMC）數據集所需的采集次數等同于探頭晶片的數量。全矩陣捕獲（FMC）數據集提供有關探頭每個晶片之間聲束傳播的所有信息，包括不同介質交界處的反射以及由缺陷引起的散射等信息。任何類型的相控陣超聲檢測（PAUT）圖像都可以通過使用適當選擇的延遲基于全矩陣捕獲（FMC）數據集重建，其中包括：扇形掃描、平面波成像（PWI）、動態深度聚焦（DDF）、全聚焦方式（TFM）等。 雖然通過全矩陣捕獲（FMC）采集過程生成圖像所需的采集數量與相控陣超聲檢測（PAUT）可能大致相同，但是要處理單個全矩陣捕獲（FMC）數據集，卻需要很大的存儲容量、很寬的傳輸帶寬，以及很強的計算能力。取決于所用設備的電子器件，獲得全聚焦方式/全矩陣捕獲（TFM/FMC）結果的速度可能會比傳統相控陣超聲檢測（PAUT）更慢。 以實驗案例說明相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）圖像的差異 為了說明相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之間的差別，我們在此介紹一個使用線性相控陣（PA）探頭對鋼塊中垂直分布的幾個相同的橫通孔（SDH）進行掃查的設置。 這里的相控陣超聲檢測（PAUT）S掃描（圖a）和全聚焦方式（TFM）圖像（圖b）使用相同的檢測配置、OmniScan X3探傷儀、5L64-A2探頭、SA2-N55S-IHC楔塊，及32晶片孔徑獲得。 在相控陣超聲檢測（PAUT）S掃描（圖a）中，每個A掃描都使用唯一的22毫米聚焦深度獲得。處于聚焦區域內的幾個橫通孔（SDH）以相似的波幅和大小出現在圖像中。位于聚焦深度以外較遠的橫通孔的圖像會出現失真現象，且波幅較低。因此要使被測樣件中的所有橫通孔獲得更為一致的定量效果，需要使用不同的聚焦深度生成多個圖像。 在全聚焦方式（TFM）圖像（圖b）中，超聲聲束在每個像素上聚焦。可以看出，每一個橫通孔（SDH）的分辨率都非常好。雖然如此，我們還是可以觀察到，位于關注區域邊限處的橫通孔有些失真的現象。在相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）檢測的常見聲束形成過程中，這些失真現象是固有的。 全聚焦方式（TFM）與相控陣超聲檢測（PAUT）的討論綜述 全聚焦方式（TFM）的主要優點是整個圖像都以聚焦的分辨率顯示，而相控陣超聲檢測（PAUT）圖像僅在聲束的聚焦區域中具有較高的分辨率。 僅在傳統相控陣超聲檢測（PAUT）的接收階段進行的合成聲束形成，也會在全聚焦方式（TFM）檢測的發射階段進行，以使采集速率適用于無損檢測（NDT）應用。合成聲束形成需要對通過全矩陣捕獲（FMC）獲得的基本A掃描應用特定的延遲。注意，全矩陣捕獲（FMC）數據集可以為任何檢測的合成聲束形成提供基本數據，包括相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）檢測。 由于需要處理大量的全矩陣捕獲（FMC）數據才能生成全聚焦方式（TFM）圖像，因此在使用相同孔徑的情況下，全聚焦方式（TFM）的檢測效率可能會低于相控陣超聲檢測（PAUT）。 雖然全聚焦方式（TFM）圖像在整個關注區域內高度聚焦，但是它仍然會受到阻礙相控陣超聲檢測（PAUT）的相同的聲學局限性的影響。雖然在相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）中都會觀察到波幅的波動和圖像失真現象，但是在全聚焦方式（TFM）檢測中，被測樣件中一組大小相同的散射體在圖像中會表現得更為一致。了解更多 -
2023年12月22日殘余應力及檢測方法
殘余應力及檢測方法 原創 一、殘余應力簡介及檢測方法對比 眾所周知，工件在制造過程中，會受到各種因素的作用與影響。當這些因素消失之后，若構件所受到的作用與影響不能完全消失，則會有部分作用與影響殘留在構件內，這種殘留的作用與影響，稱作殘余應力。殘余應力對工件有著很大的傷害，會使工件發生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。針對這一問題，在現在的科技環境下，產生了幾種檢測應力的方法，這幾種方法都存在各自的優缺點，對比圖如下： 現階段行業內主要使用以下幾種方法檢測殘余應力：（1）盲孔法盲孔法的優點在于有較好精度，而缺點也比較明顯，即檢測過程中需要損壞材料的結構。（2）X射線衍射法 X射線衍射法經過了市場的檢驗，優點是技術較為成熟且穩定，缺點是檢測儀器比較笨重，操作耗時且伴隨著輻射。（3）超聲波應力檢測法超聲波應力檢測法的優點在于操作簡便、快速、不損傷材料，也不會對檢測人員造成傷害。而它的缺點就在于這是一項新的技術，雖然經過多家大型實驗室的測驗，但是市場檢驗度還不夠高。綜合來看，超聲波應力檢測技術具有很大的現場適用性，下文對該技術進行詳細介紹。 二、超聲波應力檢測技術 1、超聲波應力測試儀 近些年國內超聲波應力檢測技術的研究進展較快，下圖展示為我公司自主研發的一臺超聲波應力測試設備及配套軟件，它是一款工業級高精度超聲波應力測量設備，通過軟件實現信號的激發和采集，根據聲彈性理論進行殘余應力的計算，可無損測定被測對象積聚的應力。 超聲波應力測試設備（采集模塊） 超聲波應力測試信號處理系統（顯示操作模塊） 該設備符合國標GB/T 32073-2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》的要求，具備頻率設置、濾波、超聲激勵、殘余應力值計算等基本功能。 以下為該設備具有的優勢和特點： 可同時測量應力、聲時、壁厚、聲速，實時顯示超聲波形，具有一定探傷功能； 配備高頻數據采集卡，對上萬次測量結果進行算法優化，測量結果更準確； 集成了溫度傳感器，通過溫度補償消除溫度對檢測結果的影響； 采集模塊分體式設計，易于拆裝，可無線連接顯示操作模塊，移動性強，易于現場使用； 設備可搭載鋰電池獨立供電，有效地解決了野外現場供電難的問題； 優良的抗干擾能力和可靠性，擁有出色的信噪比。 2、超聲波應力檢測原理 超聲波應力測量法是基于材料的聲彈性理論，即依據被測對象中超聲波傳播速度與應力之間存在的固有關系，將這種特性轉為數字信號表征的力學定量檢測手段。 超聲波應力檢測原理圖 3、超聲波近表面應力檢測 近表面應力檢測是材料或零部件殘余應力檢測較為典型的應用場景。測量采用一對收發分離的超聲波探頭（也稱超聲波換能器），如圖所示，探頭聲束入射角需滿足**臨界角的基本條件，激發的超聲波也被稱作“臨界折射縱波”（LCR），聲傳播的基本特征是：超聲激勵方式為脈沖激勵形式，LCR沿被測對象近表面區域傳播。可檢測的深度取決于使用探頭的頻率和被測對象材質： 式中，α為檢測深度修正系數，單位為mm/ns，常用金屬材料參考值：鋼5.98，鋁6.40，銅4.81；f為探頭中心頻率，單位為MHz。 近表面應力檢測示意圖 對于臨界折射縱波，與應力之間的關系簡化表示如下： 可以用聲時差表示： 也可以用相對聲速表示： 式中：σ±為應力測量值（MPa）；Δtc為聲時差（聲速差）（ns）；Kσ為聲彈系數（MPa/ns）。 拉應力會使得聲音傳播速度減慢，聲時差為正；壓應力會使聲音傳播速度加快，聲時差為負。 通常同種材料的該值恒定，b為常數（MPa）。b的理論上為零，但是實際工程應用中，b往往不為零，主要由以下幾個因素決定： 1）儀器分辨率； 2）零應力參考試塊的“剩余應力”； 3）標定時的載荷范圍選擇及拉伸機的穩定性。 4、超聲波應力檢測方法的優勢 超聲波應力檢測方法的優勢有以下幾點： （1）不對被測對象產生任何損傷； （2）測量快速，單點測試不超過4s，可實現實時檢測，也可用于系統集成實現自動化或半自動化應力檢測； （3）測量深度較大，近表面應力檢測深度2mm以內； （4）無任何輻射，操作安全，無需任何防護； （5）既可測量應力，也可檢測試件內部的缺陷，還可用于高精度測厚； （6）適用材料廣泛，理論上可以應用于任何非吸聲材料。 5、超聲波應力檢測法與X射線的比較 X射線檢測普通碳鋼已經非常成熟，但對鋁合金、不銹鋼、鈦合金等存在大晶粒或織構組織的材料，檢測方法還不成熟。X射線法存在以下局限性： （1）X射線法受透射深度所限，只能無破壞地測表面應力，若測深層應力，也需破壞試樣，超聲法深度可以達到數米； （2）當被測對象不能給出明確的衍射線時，X射線法測量精度不高，若能給出明確衍射線的試樣，其測量誤差為±20MPa； （3）試樣晶粒尺寸太大或太小時，測量精度不高。晶粒的尺寸對超聲法也有影響，但是晶粒補償功能的引入，使得超聲對粗晶材料同樣具備檢測能力； （4）大型零件不能測試，超聲檢測效率非常高，可在較短的時間內測量整個零件的應力分布； （5）運動狀態中瞬時應力檢測也有困難，但是超聲法具備實時在線準確測量應力的能力； （6）不適宜測量單晶材料的應力，而超聲法不受此限制。 6、超聲波應力檢測法與盲孔法比較 相較于超聲法和X射線法，盲孔法屬于是一種有損的檢測方式，需要在試件上進行鉆孔。這種方式的特殊性決定了它比較適合生產過程中的抽檢，或者允許破壞性檢測場合，對很多在線或者在役的設備而言，在試件上開孔是不切實際的。 （1）盲孔法適用于測量梯度比較大的殘余應力場； （2）盲孔法測量中的應力釋放屬于部分釋放，釋放應變測量靈敏度只有剖分法的25%，因此盲孔法測量精度低，不太適合低水平殘余應力測量； （3）測量的僅僅是表面殘余應力，無法測量材料內部的殘余應力。 7、超聲波應力檢測技術行業規范 目前行業內已經形成了GB/T 32073-2015《無損檢測 殘余應力超聲臨界折射縱波檢測方法》、Q/SY 05009—2016《油氣管道焊縫應力超聲檢測技術規范》和T/CMCA 4007-2019《鋼結構殘余應力超聲檢測技術規程》等規范，使得行業應用有據可依。 8、超聲波應力檢測技術的應用 超聲波應力檢測技術，經過近幾年的快速發展，已經大量應用于石油化工、油氣管道、航空航天和橋梁建筑等工程領域當中。 近幾年，我們為鋼結構大橋、支撐輥、機械泵架、壓力容器、風電葉根、滾筒體等多種結構提供了殘余應力檢測技術服務，部分案例如下圖所示。 大橋鋼結構殘余應力檢測 機械泵架焊接殘余應力檢測 袖管三通焊接殘余應力測試 壓力容器焊接殘余應力檢測 支撐輥殘余應力檢測 石化管道殘余應力檢測了解更多 -
2023年12月22日全方位解讀殘余應力，讓你不再迷茫
一、什么是殘余應力 殘余應力、也稱內應力，是指當外部載荷去掉以后，仍存留在工件內部的應力。殘余應力是由于金屬內部組織，發生了不均勻的體積變化而產生的。其外界因素來自熱加工和冷加工。具有內應力的工件，是處在一種不穩定狀態之中，其內部的組織有強烈地恢復到沒有內應力的穩定狀態的傾向。工件的形狀逐漸改變（如翹曲變形）從而喪失其原有精度。如果把存在內應力的工件裝配到機器中，則會因其在使用中的變形而破壞整臺機器的精度。 二、殘余應力的來源 外力使零件變形，其中引起塑性變形的外力作的功，以零件內部材料變形而存貯在零件內。當外力消除以后，應力不均勻的能量要釋放出來，引起了零件緩慢地變形，即殘余應力作功，直到能量全部釋放出來為止。在機械制造中，各種工藝過程往往都會產生殘余應力。但是，如果從本質上講，產生殘余應力的原因可以歸結為： （1）不均勻的塑性變形； （2）不均勻的溫度變化； （3）不均勻的相變。 三、殘余應力的分類 按應力產生的原因分類有： (1) 熱應力 鑄件各部分的薄厚是不一樣的，如機床床身導軌部分很厚，側壁筋板部分較薄。鑄后，薄壁部分冷卻速度快收縮大，而厚壁部分，冷卻速度慢，收縮地小。薄壁部分的收縮受到厚壁部分的阻礙，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受壓力。因縱向收縮差大，因而產生的拉壓也大。這時鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態，其壓應力使厚壁部分變粗，拉應力使薄壁部分變薄，拉壓應力，隨塑性變形而消失。鑄件逐漸冷卻，當薄壁部分進入彈性狀態而厚壁部分仍處于塑性時，壓應力使厚壁部分產生塑性變形，繼續變粗，而薄壁部分只是彈性拉長，這時拉壓應力隨厚壁部分變粗而消失。鑄件仍繼續冷卻，當薄厚壁部分進入彈性區時，由于厚壁部分溫度高，收縮量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收縮，故薄壁受壓應力，厚壁受拉應力。應力方向發生了變化。這種作用一直持續到室溫，結果在常溫下厚壁部分受拉應力，薄壁部分受壓應力。這個應力是由于各部分薄厚不同。冷卻速度不同，塑性變形不均勻而產生的，叫熱應力。 在導軌或側壁的同一個截面內，表層與內心部，由于冷卻快慢不同，也產生相互平衡拉壓的應力，用類似于上述方法分析，可知在室溫下表層受壓應力，心部受拉應力，并且截面越大，應力越大，此應力也叫熱應力。 (2) 相變應力 常用的鑄鐵含碳量在2.8-3.5%，屬于亞共晶鑄鐵，由結晶過程可知①：厚壁部分在1153℃共晶結晶時，析出共晶石墨，產生體積膨脹 ，薄壁部分阻礙其膨脹，厚壁部分受壓應力，薄壁部分受拉應力。厚壁部分因溫度高，降溫速度快，收縮快，所以厚壁逐漸變為受拉應力。而薄壁與其相反。在共析(738℃)前的收縮中，薄厚壁均處于塑性狀態，應力雖然不斷產生， 但又不斷被塑性變形所松弛，應力并不大。當降到738℃時，鑄鐵發生共析轉變，由面心立方，變為體心立方結構(即γ-Fe變為a-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同時有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，產生壓應力。上述的兩種應力，是在1153℃ 和738℃兩次相變而產生的，叫相變應力。相變應力與冷卻過程中產生的熱應力方向相反， 相變應力被熱應力抵消。在共析轉變以后，不再產生相變些力，因此鑄件由與薄厚冷卻速度不同所形成的熱應力起主要作用。 (3) 收縮應力(亦叫機械阻礙應力) 鑄件在固態收縮時，因受到鑄型.型芯.澆冒口等的阻礙作用而產生的應力叫收縮應力。由于各部分由塑性到彈性狀態轉變有先有后，型芯等對收縮的阻力將在鑄件內造成不均勻的的塑性變形，產生殘余應力。收縮應力一般不大，多在打箱后消失。 按照殘余應力平衡范圍的不同，通常可將其分為三種： （1）**類內應力，又稱宏觀殘余應力，它是由工件不同部分的宏觀變形不均勻性引起的，故其應力平衡范圍包括整個工件。例如，將金屬棒施以彎曲載荷，則上邊受拉而伸長，下邊受到壓縮；變形超過彈性極限產生了塑性變形時，則外力去除后被伸長的一邊就存在壓應力，短邊為張應力。這類殘余應力所對應的畸變能不大，僅占總儲存能的0.1%左右。 （2）第二類內應力，又稱微觀殘余應力，它是由晶粒或亞晶粒之間的變形不均勻性產生的。其作用范圍與晶粒尺寸相當，即在晶粒或亞晶粒之間保持平衡。這種內應力有時可達到很大的數值，甚至可能造成顯微裂紋并導致工件破壞。 （3）第三類內應力，又稱點陣畸變。其作用范圍是幾十至幾百納米，它是由于工件在塑性變形中形成的大量點陣缺陷（如空位、間隙原子、位錯等）引起的。變形金屬中儲存能的絕大部分（80%~90%）用于形成點陣畸變。這部分能量提高了變形晶體的能量，使之處于熱力學不穩定狀態，故它有一種使變形金屬重新恢復到自由焓**的穩定結構狀態的自發趨勢，并導致塑性變形金屬在加熱時的回復及再結晶過程。 四、殘余應力對機械零部件的影響 （1）引起物體尺寸和形狀的變化。當在變形物體內存在殘余應力時，則物體將會產生相應的彈性變形或晶格畸變。若此殘余應力因某種原因消失或其平衡遭到破壞，此相應的變形也將發生變化，引起物體尺寸和形狀改變。 （2）使零件的使用壽命縮短。因殘余應力本身是相互平衡的，所以當具有殘余應力的物體受載荷時，在物體內有的部分的工作應力，為外力所引起的應力與此殘余應力之和，有的部分為其差，這樣就會造成應力在物體內的分布不均。此時工作應力達到材料的屈服強度時，物體將會產生塑性變形；達到材料的斷裂強度時，物體將會產生斷裂，從而縮短了零件的使用壽命。 （3）降低了金屬的塑性、沖擊韌性。當具有殘余應力的物體繼續進行塑性加工時，由于殘余應力的存在可加強物體內的應力和變形的不均勻分布，使金屬的變形抗力升高，塑性降低。 （4）降低金屬的耐蝕性以及和疲勞強度等。由于零件內部的殘余應力，使其處于高能量狀態，易與氧化介質發生化學作用，造成腐蝕，即應力腐蝕，從而降低了零件的耐蝕性，殘余應力還改變了材料表面受載時的應力分布，降低疲勞強度。 五、殘余應力對零件切削加工影響 對切削加工過程的影響車削零件的毛坯，一般為鑄件、鍛件、型材和經過熱處理的半成品，由于毛坯在形成的過程中，有過溫度的劇烈變化及受力變形，因此內部具有殘余應力，在切削時形狀發生變化，原應力平衡狀態被打破，導致了切削過程的變形。 5.1產生切削殘余應力 金屬的切削，實質上是工件受刀具的擠壓和摩擦，使工件表面產生彈性變形和塑性變形，切屑從母體分離的過程。在切削過程中，工件受到切削力，產生切削熱而使切削溫度上升，切削完成后，工件的已加工表面即產生了殘余應力，使工件在以后的使用中發生變形，精度降低，使用性能和下降，使用壽命縮短。 5.2影響殘余應力的因素 （1）切削用量。切削速度———切削速度提高，工件溫度上升，殘余應力增加；走刀量和切削深度———走刀量和切削深度越大，切削力就越大，殘余應力也越大。 （2）刀具角度。增大刀具的前角，刃傾角，可使刀具鋒利，減小切削力。 （3）切削液。切削液具有潤滑和冷卻作用，在加工中使用切削液，可減小切削力和降低切削溫度，使殘余應力減小。 六、減小和消除殘余應力的措施和方法 6.1 采用合理的工藝結構在零件的設計時，采用合理的工藝結構，避免厚薄不勻，尖角結構等，鑄件宜使用鑄造圓角。 6.2 合理安排工藝路線對于精密零件，粗、精加工分開。對于大型零件，由于粗、精加工一般安排在一個工序內進行，故粗加工后先將工件松開，使其自由變形，再以較小的夾緊力夾緊工件進行精加工。 6.3 采用合理的切削條件。在零件的精加工時，使用較小的切削和走刀量以及較高的切削速度，使用鋒利的刀具和使用切削液進行潤滑冷卻，以減小切削力和降低切削溫度，減小殘余應力。 6.4 采取時效處理技術 （1）自然時效處理。 （2）熱時效處理。這是目前使用**廣的一種方法，但其投資和能源消耗都較大，使生產成本增加，而且精加工后零件進行加熱時效，有可能產生氧化而影響表面品質。 （3）振動時效處理。這是消除殘余應力、減少變形以及保持工件尺寸穩定的一種新方法。可用于鑄造件、鍛件、切削加工工件等。它是以激振的形式，將機械能加到含有大量殘余應力的工件內，引起工件金屬內部晶格錯位蠕變，使金屬的結構狀態穩定，以減少和消除工件的內應力。不需龐大的設備，經濟簡便，效率高。頻譜諧波時效技術是在此機床上的發展，能消除60-70%的應力，在穩定尺寸和形狀精度上非常有效。了解更多 -
2023年11月03日超聲波無損檢測在風電葉片 粘接部位缺陷檢測中的應用
超聲波無損檢測在風電葉片 粘接部位缺陷檢測中的應用 保定中能風電設備有限公司 杜 娟 1. 引言 近幾年來， 隨著風力發電機組數量的不斷增 加，風電機組部件的損壞問題也在增多， 其中**頭 疼的是風電葉片開裂損壞。風電場投資商對風力發 電機提出了更高的要求， 風電葉片的生產質量逐步 引起了人們的高度重視。根據風電葉片結構設計、 工藝成型特點， 預噴膠衣的葉片粘接部位是葉片生 產質量控制的難點。如何保證葉片粘接部位不出或 少出質量缺陷， 用超聲波檢測粘接內份是解決葉片 質量的有效手段。 2. 風電葉片粘接質量控制現狀 目前， 在國內風電葉片的生產過程中， 用來檢 驗產品質量的主要無損檢測手段是 ：目視法、敲擊法。對于不可見的葉片粘接部位的檢測通常用敲擊 法， 然而敲擊法一般用于淺層檢測， 并且要求質檢 人員要有豐富的經驗， 否則敲擊法的檢測準確性是 大打折扣的。由此可見， 新的無損檢測手段—超聲 波無損檢測的引入勢在必行。 圖 1 是風輪葉片成型截面圖， 用此進行解析粘接工序的質量控制形式。 圖1：葉片成型截面圖 風電葉片的主要部件 ：上、下殼體、前、后腹 板。在上、下殼體成型前， 模具表面（除前、后緣） 預噴白色膠衣， 各部件成型后， 之間的連接是由結 構膠相互粘接形成一體。葉片前、后腹板與下殼體 在合模前， 預先粘接， 能夠保證粘接質量 ；前、后 緣的粘接可以看結構膠的擠出量， 粘接質量情況可 目視檢查。而前、后腹板與上殼體的粘接情況是不 可見的，質量可控性差。 3. 基礎研究 3.1 超聲波檢測類型的選擇 在我國， 風電葉片行業的超聲波無損檢測的應 用還處于初步嘗試階段， 需要進行大量的檢測試驗 的積累。超聲波無損檢測的種類很多， 經過多方驗 證， 超聲波相控陣探傷儀和專門定制的高性能探頭 是眾多儀器中較為先進設備， 其設備的高性能和便 攜性等優點完全滿足該項目檢測的需要。 3.2 標準試塊的制作 3.2.1 試塊的選取 試塊選取自某型玻璃纖維 / 不飽和聚酯型葉 片， 試塊包含前、后腹板與殼體粘接部位， 試塊共 3 塊， 分別取自葉片的葉根的前、后腹板與殼體的 粘接部位， 葉片軸向中部的前、后腹板與殼體的粘 接部位， 葉尖的前、后腹板與殼體的粘接部位。試塊樣件見圖 2 ： 圖2：其中的1 件試塊 3.2.2 人工缺陷的預設 如圖 3， 從試塊的里側向表面鉆不同尺寸的平 底孔，形成人工缺陷，其尺寸、深度如下 ： a) 1# 缺陷：Φ10mm 的孔（深度未到粘接面）； b) 2# 缺陷：Φ40mm 的孔（深度未到粘接面）； c) 3# 缺陷：Φ10mm 的孔（深度至粘接面） ； d) 4# 缺陷：Φ20mm 的孔（深度至粘接面） ； e) 5# 缺陷：Φ40mm 的孔（深度至粘接面）。 圖3：在試件上的粘接部位預設的人工缺陷 組圖4：試件上預制缺陷信號圖 3.2.3 試驗結果分析 檢測結果成像圖如組圖 4。從檢測結果中可以 看 出，1# 、2# 、3# 、4# 、5# 缺 陷都有檢測信號， 其中 1#、2# 由于距檢測表面深度較大， 信號較弱， 但也能分辨，3# 、4# 、5# 缺陷信號較強， 檢測結 果較好。可見，該無損檢測方法可行。 4. 實際運用及驗證 4.1 全尺寸葉片檢測前的分段劃線及規定 在全尺寸葉片上的檢測部位進行分段劃線， 則 根據每段殼體的厚度進行超聲波檢測技術參數的設 置，保證檢測結果準確。 分段劃線方法 ：劃出前、后腹板與殼體粘接帶 的中心線， 使檢測探頭更好的對準檢測部位 ；從葉 尖開始每 1 米為一段劃線， 將檢測部位共分為 25 段，根據每段不同的厚度進行檢測技術參數的設置。 規定 ：后腹板與上殼體的粘接部位為 1# 粘接 帶， 前腹板與上殼體的粘接部位為 2# 粘接帶， 后 腹板與下殼體的粘接部位為 3# 粘接帶， 前腹板與 下殼體的粘接部位為 4# 粘接帶。 4.2 全尺寸葉片的檢測結果 下面是檢測出的粘接膠層的典型空膠缺陷， 見 組圖 5。 3# 粘接帶段 21: 缺陷范圍 ：286mm ～ 341mm 456mm ～ 525mm 缺陷深度 ：21.8mm 缺陷寬度 >10mm 缺陷位置 ：膠層缺陷 組圖5：葉片粘接帶空膠信號圖 4.3 檢測結果準確性的驗證 4.3.1 驗證方法 將葉片粘接空膠缺陷用記號筆標于表面， 在空 膠面積內不同位置鉆 2 個孔， 每孔深度至空膠部 位， 用注射器吸水， 從一個孔中注水， 另一孔出水， 可證明空膠。見下圖 6。 圖6：葉片粘接帶空膠缺陷的驗證 5. 深遠意義 該項目是超聲波無損檢測在國內風電行業的 實際應用突破性地嘗試。通過超聲波無損檢測來鑒 別產品關鍵部位的內部質量狀況，以確保產品質量， 滿足設計和使用要求， 不論是在風電行業還是其他 復合材料制品行業，刻不容緩。了解更多
