我國(guó)正逐漸邁向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，而產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的影響貫穿著產(chǎn)品的全壽命周期，這將極大地影響著工業(yè)制造水平、機(jī)械裝備的性能、安全性、可靠性和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)與調(diào)控技術(shù)在工程上的應(yīng)用究竟如何呢？下面介紹幾種典型材料典型機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)用研究，如車體底板焊接應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控、鋁合金模具的鉚接應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控、管道與金屬桁架的受力監(jiān)測(cè)以及非金屬如玻璃的應(yīng)力檢測(cè)等。

一、鋁合金焊接與鉚接應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控

     1、兩棲車輛底板鋁合金焊接殘余應(yīng)力的檢測(cè)和調(diào)控

某型兩棲車輛底板（材料為LC52鋁合金）支撐座區(qū)域頻繁出現(xiàn)裂紋和裂縫，嚴(yán)重影響了整車質(zhì)量和水上駕駛安全。通過對(duì)車體支撐座區(qū)域的焊接和裝配應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)和消除，起到了預(yù)防底板開裂、提高車輛底板制造質(zhì)量的目的和作用。

按照工廠要求，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前，對(duì)殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)系統(tǒng)的精度做校準(zhǔn)及驗(yàn)證。驗(yàn)證后，開始采用高能超聲應(yīng)力調(diào)控系統(tǒng)對(duì)成品車的底板開展現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和試驗(yàn)論證。本次試驗(yàn)論證的時(shí)間較長(zhǎng)，前后共歷時(shí)40天對(duì)7臺(tái)成品車進(jìn)行了焊接應(yīng)力檢測(cè)、消除、再檢測(cè)以及抽檢某幾輛進(jìn)行300km的跑車試驗(yàn)。本節(jié)選取其中2臺(tái)車（003車和004車）的試驗(yàn)效果進(jìn)行論證。

 試驗(yàn)一：按工廠要求，對(duì)003車常開裂區(qū)域補(bǔ)焊加強(qiáng)筋，然后冷卻到室溫后，再對(duì)焊加強(qiáng)筋后和焊加強(qiáng)筋后再調(diào)控的殘余應(yīng)力進(jìn)行超聲檢測(cè)，檢測(cè)部位為車體正面焊接區(qū)的7個(gè)位置，數(shù)據(jù)如圖1所示。之后，對(duì)003車進(jìn)行300km的跑車試驗(yàn)，每天跑100km，分3天完成。由于跑車時(shí)車體正面檢測(cè)部位被油箱、塔架等結(jié)構(gòu)擋住，因此在正面補(bǔ)焊區(qū)域的反面選取11個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。每次跑完后的殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

  圖1  003車焊加強(qiáng)筋后調(diào)控前后殘余應(yīng)力變化 圖2 003車300km跑車試驗(yàn)殘余應(yīng)力監(jiān)測(cè)      

從圖1看出，在焊接加強(qiáng)筋后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在3號(hào)位置192.34MPa，焊前平均應(yīng)力為149.54MPa。對(duì)焊接區(qū)整體進(jìn)行高能超聲應(yīng)力調(diào)控作業(yè)。調(diào)控作業(yè)后最大應(yīng)力為95.35MPa，平均應(yīng)力為73.67MPa，應(yīng)力均化效果良好。

從圖2中看出，003車跑車前最大應(yīng)力為8號(hào)位置159.43MPa（8號(hào)位置在左四支座和第一條焊筋中間），平均應(yīng)力為71.9MPa。跑車1天后，3、7、10和11號(hào)位置的應(yīng)力有所上升，說明跑車后，這些點(diǎn)受拉增大。隨著跑車的繼續(xù)進(jìn)行，這些點(diǎn)應(yīng)力逐漸穩(wěn)定，說明沒有進(jìn)一步受拉的危險(xiǎn)。三天跑車完成后，平均應(yīng)力為55.69MPa，應(yīng)力水平較好。試驗(yàn)后，對(duì)底板殘余應(yīng)力檢測(cè)部位X射線拍照后沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

試驗(yàn)二：只對(duì)004車焊接加強(qiáng)筋后做應(yīng)力調(diào)控作業(yè)，不做跑車試驗(yàn)，調(diào)控參數(shù)和部位與試驗(yàn)一相同。從圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，焊加強(qiáng)筋后，正面出現(xiàn)最大應(yīng)力為203.69Mpa，整體平均應(yīng)力為130.33Mpa，反面最大應(yīng)力為137.79MPa，平均為44.83Mpa；調(diào)控作業(yè)后，正面最大應(yīng)力為105.39Mpa，平均應(yīng)力為46.45Mpa，反面最大應(yīng)力為70.23MPa，平均為11.83Mpa。應(yīng)力調(diào)控作業(yè)對(duì)正反面的應(yīng)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(yè)，較好的改善了應(yīng)力的分布水平。

2、手機(jī)鋁合金模具鉚接殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控

本手機(jī)模具采用7075鋁合金制造，其一面需要鉚接許多凸臺(tái)，鉚接過程中會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致在后續(xù)精銑時(shí)由于殘余拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生微裂紋，影響了整個(gè)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(yīng)力，從根本上消除開裂隱患。

模具試樣有2塊，分別標(biāo)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(tái)，因此將其作為對(duì)比試塊只檢測(cè)其殘余應(yīng)力，不做應(yīng)力調(diào)控處理。試塊2需鉚接面已經(jīng)鉚接了6個(gè)凸臺(tái)，對(duì)其先檢測(cè)鉚接應(yīng)力分布，然后進(jìn)行應(yīng)力調(diào)控處理，完后再檢測(cè)應(yīng)力分布。

(a) 非鉚接面                    (b) 需鉚接面

圖4 試驗(yàn)所用鋁合金試塊

對(duì)模具非鉚接面進(jìn)行殘余應(yīng)力自動(dòng)掃查。檢測(cè)探頭的布置方式為兩種，一種是平行于長(zhǎng)邊（橫向），另一種是垂直于長(zhǎng)邊（縱向），如圖4。檢測(cè)的參數(shù)為：探頭中心頻率5MHz，探頭兩換能器間距30mm，每次檢測(cè)的步進(jìn)量2mm。檢測(cè)的結(jié)果如下：

       c) 調(diào)控前試塊2橫向（鉚接點(diǎn)用△表示）      (d) 調(diào)控前試塊2縱向（鉚接點(diǎn)用△表示）

圖5 調(diào)控前兩鋁合金試塊的殘余應(yīng)力分布云圖

只對(duì)試塊2非鉚接面進(jìn)行殘余應(yīng)力調(diào)控作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，調(diào)控的參數(shù)為：2路高能激勵(lì)器同時(shí)調(diào)控，調(diào)控時(shí)間15min，激勵(lì)器頻率20KHz，功率250W，壓緊力75N。調(diào)控后再次檢測(cè)橫向和縱向殘余應(yīng)力，結(jié)果如圖7所示。

                       圖6 殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)

圖7 調(diào)控后鋁合金試塊2的殘余應(yīng)力分布云圖

試驗(yàn)結(jié)果分析表明：（1）由于試塊1未鉚接，因此殘余應(yīng)力分布非常均勻，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都在很小的范圍內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果符合未鉚接狀態(tài)。（2）由于試塊2已鉚接幾個(gè)點(diǎn)，因此殘余應(yīng)力分布不均勻，且最大拉應(yīng)力達(dá)到250~350MPa，且從應(yīng)力分布圖中看到的應(yīng)力集中處就是鉚接點(diǎn)的部位，檢測(cè)結(jié)果符合鉚接狀態(tài)。（3）調(diào)控后，殘余拉應(yīng)力極大向零應(yīng)力和壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變，最大殘余拉應(yīng)力僅60.75MPa，且整體的應(yīng)力分布更加均勻，基本恢復(fù)到未鉚接的狀態(tài)。

3、航天器大尺寸薄壁鋁合金焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控

某型航天裝備的頂盤為鋁合金焊接件，該焊接件內(nèi)部裝填有液態(tài)燃料，由焊接應(yīng)力導(dǎo)致的鋁合金頂盤開裂是致命的，其內(nèi)部燃料會(huì)因開裂而泄漏最終釀成災(zāi)難。為此，在出廠前，需對(duì)鋁合金頂盤焊接應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)控作業(yè)。

頂盤焊接件的檢測(cè)區(qū)域如圖8所示，檢測(cè)方向?yàn)榇怪庇诤缚p，距離焊縫3mm左右，一共在焊縫周圍檢測(cè)40個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域相鄰，得到的應(yīng)力分布曲線如圖9。

通過圖9，可以明顯得出34～38范圍內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較大，利用高能超聲調(diào)控系統(tǒng)對(duì)34～38區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行超聲調(diào)控，調(diào)控時(shí)間為15分鐘，具體做法為：在調(diào)控前檢測(cè)殘余應(yīng)力值，調(diào)控15分鐘后檢測(cè)相應(yīng)區(qū)域應(yīng)力值大小。調(diào)控的數(shù)據(jù)對(duì)比如表10，試驗(yàn)表明焊接應(yīng)力下降明顯，在較短調(diào)控時(shí)間內(nèi)調(diào)控效果顯著，34～38區(qū)域內(nèi)應(yīng)力平均下降100MPa左右，幾乎沒有反彈。

                                            圖10調(diào)控前后應(yīng)力分布曲線

二、鋼結(jié)構(gòu)焊接或載荷應(yīng)力檢測(cè)

1、管道焊接應(yīng)力檢測(cè)與監(jiān)測(cè)

利用殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)西部管道西氣東輸各沿線作業(yè)區(qū)的管道焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，評(píng)估其危險(xiǎn)區(qū)域。同時(shí)，還現(xiàn)場(chǎng)開展了打壓管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，利用5路探頭，分別監(jiān)測(cè)管道殘余應(yīng)力較大點(diǎn)處的4個(gè)周向和1個(gè)軸向應(yīng)力變化，從而尋找到爆管臨界點(diǎn)，為管道焊接殘余應(yīng)力的閾值提供參考。

1.1 西部管道西氣東輸某作業(yè)區(qū)管道焊縫殘余應(yīng)力檢測(cè)

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

圖12 管道裂紋附近九個(gè)區(qū)域殘余應(yīng)力分布圖

從管道兩處2mm深裂紋附近9個(gè)區(qū)域的應(yīng)力分布圖可見，其第2個(gè)區(qū)域（見紅色圈）拉應(yīng)力偏大（218MPa），需要對(duì)其長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其它區(qū)域應(yīng)力較為正常。

1.2 打壓管道應(yīng)力原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

利用5臺(tái)檢測(cè)儀分5路探頭，分別監(jiān)測(cè)管道殘余應(yīng)力較大點(diǎn)處的4個(gè)周向和1個(gè)軸向應(yīng)力變化，現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示，考慮到安全因素，管道未被打爆，最大壓強(qiáng)達(dá)到14MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置信息如表1，檢測(cè)前，對(duì)初始應(yīng)力值做歸零處理，連續(xù)打壓監(jiān)測(cè)的應(yīng)力走勢(shì)如圖14所示。

 圖13打壓管道應(yīng)力原位檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體信息

圖14 連續(xù)打壓監(jiān)測(cè)的應(yīng)力走勢(shì)圖

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線看出：①周向區(qū)域的應(yīng)力值隨水壓升高的變化大，軸向的應(yīng)力約周向的一半，這與理論分析吻合；②周向的檢測(cè)點(diǎn)（1、2、3和4號(hào)機(jī)）在12MPa水壓后都發(fā)生應(yīng)力不再線性增大的現(xiàn)象，可能出現(xiàn)塑性變形；③2號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)的位置原始?xì)堄鄳?yīng)力值最大，因此最先達(dá)到屈服狀態(tài)；④4號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水壓14MPa時(shí)仍未屈服，說明該點(diǎn)仍然安全，因此可以初步認(rèn)為管道焊接殘余應(yīng)力的閾值應(yīng)≤140MPa。

2、桁架受力檢測(cè)與監(jiān)測(cè)

桁架結(jié)構(gòu)多見于鐵路和高速公路，通常需要足夠強(qiáng)度保證，不發(fā)生塑性變形或斷裂；足夠剛性保證，不發(fā)生過大的彈性變形；足夠穩(wěn)定性保證，不發(fā)生因平衡形式的突然轉(zhuǎn)變而坍塌；良好動(dòng)力學(xué)特性保證：具有一定抗震、抗風(fēng)性。因此，有必要對(duì)其關(guān)鍵受力點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單桁架結(jié)構(gòu)，利用龍門壓力機(jī)對(duì)桁架施加壓力，采用超聲應(yīng)力檢測(cè)儀和應(yīng)變片同時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力加載過程中的關(guān)鍵受力點(diǎn)應(yīng)力變化，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

選取桁架8A，2A，9B，8B做桁架加壓應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)，桁架結(jié)構(gòu)圖如圖16。應(yīng)力檢測(cè)的結(jié)果如圖17。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)上，超聲波法與貼應(yīng)變片法監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)基本一致，這證實(shí)了超聲波法應(yīng)力檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

 三、非金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力的檢測(cè)

玻璃中的應(yīng)力通常是極不均勻的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低玻璃制品的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，影響制品的安全使用，甚至?xí)l(fā)生自裂現(xiàn)象。通常玻璃應(yīng)力的檢測(cè)利用了偏振光、雙折射、光程差和干涉色等光學(xué)原理。但是由于新興材料的出現(xiàn)，結(jié)合檢測(cè)效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性，玻璃中的應(yīng)力檢測(cè)出現(xiàn)了挑戰(zhàn)。下述工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)是利用超聲殘余應(yīng)力自動(dòng)掃查裝置，對(duì)我國(guó)某型大型運(yùn)輸機(jī)的擋風(fēng)玻璃的殘余應(yīng)力開展了試驗(yàn)研究。一共檢測(cè)了2塊玻璃試樣，一塊是曲面試樣，另一塊是平板試樣。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖18所示。

（1）曲面玻璃試樣殘余應(yīng)力檢測(cè)

將掃查架置于該曲面試樣表面，設(shè)置系統(tǒng)掃查步進(jìn)為5mm，每條線掃查24個(gè)殘余應(yīng)力值，而后將掃查架沿其垂直方向挪動(dòng)5mm，再次掃查。由于該曲面試樣是變曲率的，導(dǎo)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(qū)域尺寸和方向如圖19所示，將掃查結(jié)果繪制為分布云圖如圖20所示。

（2）平板玻璃試樣殘余應(yīng)力檢測(cè)

將掃查架置于玻璃平板上，設(shè)置系統(tǒng)掃查步進(jìn)為5mm，每條線掃查24個(gè)殘余應(yīng)力值，而后將掃查架沿其垂直方向挪動(dòng)5mm，再次掃查。一共掃查了5條線，共24×5=120個(gè)殘余應(yīng)力檢測(cè)值，掃查區(qū)域尺寸和方向如圖21所示，將掃查結(jié)果繪制為分布云圖如圖22所示。

試驗(yàn)的結(jié)果表明，殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)系統(tǒng)能夠很快地檢測(cè)出玻璃等非金屬的殘余應(yīng)力大小及其分布。 

總結(jié)：

從上述幾種典型材料典型機(jī)械構(gòu)件的工程應(yīng)用研究表面，殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)與調(diào)控技術(shù)在工程實(shí)際應(yīng)用中能起到很好的效果，在現(xiàn)階段及未來(lái)的工業(yè)發(fā)展中殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)與調(diào)控技術(shù)是必不可少的。 

參考文獻(xiàn)：《殘余應(yīng)力的超聲檢測(cè)方法》----北京理工大學(xué)  徐春廣教授等