书 书 书犐犆犛 ７７ ． ０４０ ． １０ 犎 ２２ 中华人民共和国国家标准 犌犅 ／ 犜 ３８８１１ — ２０２０ 金属材料 　 残余应力 　 声束控制法 犕犲狋犪犾犾犻犮犿犪狋犲狉犻犪犾狊 — 犚犲狊犻犱狌犪犾狊狋狉犲狊狊 — 犕犲狋犺狅犱狅犳狊狅狌狀犱犫犲犪犿犮狅狀狋狉狅犾 ２０２０  ０６  ０２ 发布 ２０２０  １２  ０１ 实施 国家市场监督管理总局 国家标准化管理委员会 发布目 　　 次 前言 Ⅰ ………………………………………………………………………………………………………… 引言 Ⅱ ………………………………………………………………………………………………………… １ 　 范围 １ ……………………………………………………………………………………………………… ２ 　 规范性引用文件 １ ………………………………………………………………………………………… ３ 　 术语和定义 １ ……………………………………………………………………………………………… ４ 　 原理 １ ……………………………………………………………………………………………………… ５ 　 设备 １ ……………………………………………………………………………………………………… ６ 　 工作流程 ３ ………………………………………………………………………………………………… ７ 　 处理效果比对 ６ …………………………………………………………………………………………… ８ 　 控制报告 ６ ………………………………………………………………………………………………… 犌犅 ／ 犜 ３８８１１ — ２０２０ 前 　　 言 　　 本标准按照 ＧＢ ／ Ｔ１．１ — ２００９ 给出的规则起草 。 本标准由中国钢铁工业协会提出 。 本标准由全国钢标准化技术委员会 （ ＳＡＣ ／ ＴＣ１８３ ） 归口 。 本标准起草单位 ： 北京理工大学 、 帕博检测技术服务有限公司 、 上海申力试验机有限公司 、 冶金工业信息标准研究院 、 北京北方车辆集团有限公司 、 四川航天长征装备制造有限公司 、 国营内蒙第一机械制造有限公司 、 四川航天烽火伺服控制技术有限公司 。 本标准主要起草人 ： 徐春广 、 卢钰仁 、 张荣胜 、 董莉 、 杨浩源 、 李全文 、 潘勤学 、 李宏伟 、 蓝冬梅 、 肖定国 、 焦京俊 、 许永康 、 侯慧宁 。 Ⅰ 犌犅 ／ 犜 ３８８１１ — ２０２０ 引 　　 言 　　 声束控制法是一种利用在材料内沿一定方向上传播的超声波能量 ， 无损消减和均化残余应力的方法 。 该方法通常借助耦合剂 ， 通过将激励器工作面与被调控构件表面紧密耦合 ， 将超声波波束通过表面定向地注入材料内部 ， 通过声束方向及其附近波动范围介质内弹性波波动能量来改变材料内局部区域的残余应力数值及其分布 ， 达到对残余应力控制的目的 。 残余应力声束控制方法能满足各种工程构件表面和内部残余应力消减和均化的需要 ， 特别适合对在建和服役过程大型构件残余应力集中部位的现场原位消减和均化 ， 该方法适合所有透声类材料 、 各种曲面形廓构件 ， 具有无损和现场便携的特点 。 声束控制法通常由激励器 、 大功率驱动电源和控制系统等部分构成 。 激励器可以采用压电陶瓷 、 磁致伸缩或电磁超声等原理制备 ， 激励频率和注入能量可以根据被处理构件的材质 、 尺寸和形廓与残余应力控制水平等因素确定 ， 激励电源应与激励器匹配且可控 ， 激励器通常由工装压紧在被处理构件表面 ， 保持紧密贴合 。 Ⅱ 犌犅 ／ 犜 ３８８１１ — ２０２０ 金属材料 　 残余应力 　 声束控制法 １ 　 范围 本标准规定了使用具有一定能量和方向性的声束 （ 固体中的弹性波束 ） 对金属材料表面和内部的残余应力进行控制的原理 、 设备 、 工作流程 、 处理效果比对和控制报告 。 本标准适用于金属容器 、 钢结构 、 管道 、 轨道 、 车体 、 航空航天舱体等大型金属构件装配及焊接残余应力的现场原位消减和均化 。 其他非金属透声材料构件表面和内部残余应力的控制也可参照采用 。 ２ 　 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。 凡是注日期的引用文件 ， 仅注日期的版本适用于本文件 。 凡是不注日期的引用文件 ， 其最新版本 （ 包括所有的修改单 ） 适用于本文件 。 ＧＢ ／ Ｔ１２６０４．１ 　 无损检测 　 术语 　 超声检测 ＧＢ ／ Ｔ２０７３７ 　 无损检测 　 通用术语和定义 ＧＢ ／ Ｔ３２０７３ 　 无损检测 　 残余应力超声临界折射纵波检测方法 ３ 　 术语和定义 ＧＢ ／ Ｔ１２６０４．１ 和 ＧＢ ／ Ｔ２０７３７ 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 ３ ． １ 声束控制法 　 犿犲狋犺狅犱狅犳狊狅狌狀犱犫犲犪犿犮狅狀狋狉狅犾 将具有一定能量的声波或弹性波沿某一方向 ， 并在一定范围内注入材料内部 ， 对材料局部区域内的残余应力进行消减和均化的方法 。 ３ ． ２ 激励器 　 犲狓犮犻狋犲狉 能够产生一定能量 ， 且其能量中频率和幅度为可控弹性波的一种装置 ， 通常采用压电陶瓷 、 磁致伸缩或电磁超声等原理制备 。 ４ 　 原理 在不改变材料的物理和力学性能情况下 ， 声束借助耦合介质传导进入构件内部 ， 驱动材料内部质点沿着声束方向发生振动 ， 实现对材料内部特定方向残余应力调控 。 声束指向性可以使声波能量聚焦到材料表面和内部任何部位 ， 实现材料内部局部聚焦和定向消减和均化残余应力 。 ５ 　 设备 ５ ． １ 　 系统构成 系统由声波信号控制器 、 信号放大器 、 声束激励器 、 激励器楔块以及外围设备 （ 包括夹持装置和激励电压传输线缆等 ） 构成 ， 见图 １ 所示 ， 箭头方向表示构件中应力的主方向 。 １ 犌犅 ／ 犜 ３８８１１ — ２０２０ 　　 说明 ： １ ——— 声波信号源 ； ２ ——— 信号放大器 ； ３ ——— 声束激励器 ； ４ ——— 激励器楔块 ； ５ ——— 耦合剂 ； ６ ——— 被调控材料 ； ７ ——— 声束传播方向 。 图 １ 　 残余应力声束控制系统构成示意图 ５ ． ２ 　 声波信号控制器 声波信号控制器应具有输出控制信号 、 监测激励器输出阻抗 、 管理定时工作流程 、 控制激励信号相位和幅度 、 控制系统启动和停止等功能 。 ５ ． ３ 　 信号放大器 将控制信号进行功率放大 ， 同时具有激励电压和电流的反馈信号 ， 以便能够实时监测残余应力控制过程的声阻抗变化 。 　　 注 ： 控制信号失真会对调控效果产生影响 。 多路控制信号要注意相位叠加 。 ５ ． ４ 　 激励器 激励器通常为夹心式压电换能器或磁致伸缩换能器 ， 激发时产生纵波 ， 工作频率为 １０ｋＨｚ ～ ４０ｋＨｚ ， 单个激励器能量大于 ５０Ｗ ， 具体参数和性能取决于被控制材料物理性能和构件尺寸等因素 。 ５ ． ５ 　 激励器楔块 声束通过激励器端部激励器楔块注入材料内部 ， 两个表面之间曲率应一致 ， 以保证声束能量能完全传入材料中 。 ５ ． ６ 　 加持与固定装置 夹持装置应能确保激励器固定在材料表面 ， 并确保工作时激励器端部与被控制材料表面紧密贴合 。 夹持固定装置应避免对被处理构件表面造成任何损伤 。 ２ 犌犅 ／ 犜 ３８８１１ — ２０２０ ６ 　 工作流程 ６ ． １ 　 概述 声束控制过程一般为 ： 工作前的准备 、 选择控制部位 、 选取控制模式 、 控制过程 。 ６ ． ２ 　 工作前准备 ６ ． ２ ． １ 　 制定控制工作实施方案 。 ６ ． ２ ． ２ 　 应确知被控制材料和构件的曲率 、 厚度 、 表面粗糙度以及现场操作空间等信息 ， 制备被控制构件表面曲率一致的激励器端面曲面 ， 优选激励器夹持固定装置 ， 确定控制技术参数等 ； 同时 ， 应确认被控制材料部位的表面具有良好接触状态 ， 不应有曲率突变或不规则曲面等 ， 不应有锈蚀或油漆层等阻碍声波传播的介质 。 ６ ． ２ ． ３ 　 激励器的工作温度通常在 ２５℃ ～ ８０℃ 之间 ， 超出该温度范围会影响控制效果 。 ６ ． ２ ． ４ 　 选择合适的耦合剂 。 激励器楔块与调控工件的两个接触面之间应涂抹耐高温润滑脂 （ 高温黄油或蓝油等 ） 实现紧密耦合 ， 确保声波能够有效 、 定向地传入被处理材料内部 ， 同时 ， 激励器表面对材料表面不应造成任何损伤 。 ６ ． ３ 　 选择控制部位 材料残余应力的控制部位应由相关方商定 ， 应按照 ＧＢ ／ Ｔ３２０７３ ， 采用无损检测方法确定构件内部残余应力大小 、 方向和梯度分布或集中区域 。 ６ ． ４ 　 控制模式 ６ ． ４ ． １ 　 概述 控制模式分为四类 ： 垂直入射体波模式 、 斜入射导波模式 、 斜入射表面波模式 、 斜入射阵列聚焦模式 。 在声束控制工作时 ， 可根据实际情况选取控制模式 。 ６ ． ４ ． ２ 　 垂直入射体波模式 将声束激励器垂直固定放置在材料表面 ， 声束轴线与材料表面法向一致 ； 纵波声束在有边界的厚度方向来回反射 ， 在界面处声波模式多次转换 ， 形成纵波与横波的叠加波 ， 材料质点处于无规律受迫波动 ， 对材料内任意方向的及声束入射附近区域的残余应力起到消减和均化作用 。 该模式主要用于材料表面和内部集中区域的残余应力消减和均化 。 垂直入射体波控制模式示意图见图 １ 。 ６ ． ４ ． ３ 　 斜入射导波模式 将声束激励器按一定角度固定放置在波导构件表面