导读   为了准确识别带垫板焊缝进行超声波检测时出现的真假反射回波信号，对带垫板的单面焊双面成形焊缝（包括管道对接环焊缝、T形和角接焊缝）超声检测的反射回波信号的产生原因及特点进行了分析，并分别提出了识别真假回波信号的技术方法。   分析认为，精确校准距离轴线(时基扫描线)，寻找回波源的**反射角，精确确定回波源的坐标，是正确判断焊缝真假缺陷的关键，同时指出超声检测人员应熟悉焊接结构和焊接工艺，有助于进行正确的判断。   1.问题的提出 在部分工程结构施工中，如管道的环焊缝对接、钢结构钢管工程**终拼接焊缝的对接、钢结构工程的T形和角接焊缝的对接等，采用全位置无垫板单面焊接容易出现焊接缺陷，因为坡口背面无垫板，熔池金属无外部支撑，容易下淌，且现场安装焊接属于全位置焊，焊接过程中熔池金属受力状态不断变化，根部焊缝成形控制难度非常大，因此焊缝根部特别是立焊位置容易出现缩孔或其他缺陷。   如果采用钢垫板的单面对接焊工艺，焊接质量就容易保证。   对带垫板焊缝进行超声检测时，垫板反射回波也会显示在荧光屏上，在声波入射到探头对侧的焊角时，会在荧光屏上显示出焊角和垫板两个回波，如图1所示。   相关标准规定焊缝不允许存在裂纹、未焊透和未熔合等缺陷，如何正确判断带垫板焊缝真假缺陷回波就尤为重要，因此许多超声检测人员认为钢垫板的存在对焊缝的超声检测是一个妨碍。   笔者通过对不同形式的带垫板接头焊缝的分析，判断各种反射回波，以期找到识别真假回波信号的技术方法。   （图1 单面垫板焊缝超声检测示意图）   2.T形或角接接头焊缝检测回波的识别   2.1 90°T形或角接接头焊缝   带钢垫板的90°T形或角接接头焊缝根部间隙和熔透如图2所示，图2中钢垫板端部将起到一反射体“R”的作用，“R”反射回波定位将等于一个相当于来自“D”点的焊接缺陷的声程距离。对于这种反射回波，可通过如下方法综合解决：   （1）从“C”点用直探头检测来确定是否存在缺陷“D”的反射回波（如果“C”点位置可以进行检测）。   （2）确定在焊接接头长度上该回波显示是否是连续不断的，一般来自垫板的反射回波很高，当探头沿着焊缝方向移动时此类波形就一直伴随，相对而言，大多数焊接缺陷并不均匀连续。   （3）采用多次波反射法从“B”点对焊缝进行检测，来确定缺陷“D”是否存在。这时可能要对“F”点打磨平整，以保证超声束能覆盖到“D”点。   （4）增加探头角度（即更换大角度探头），以保证声束能更好地覆盖到“D”点。   （5）清除掉一小块垫板使声波不能达到“R”位置，从而确定“D”是否是缺陷存在或证实回波是来源于“R”处。   （6）选择一处**大的反射回波位置进行打磨或刨槽后进行表面检测（磁粉或渗透）来确定缺陷“D”是否存在。   2.2 夹角＜90°或＞90°的斜T形或角接接头焊缝 （图2 带钢垫板的90°T形或角接接头焊缝检测示意图）   带钢垫板的斜T形或角接接头焊缝检测如图3所示，从图3（a）可以看出，“R”的反射回波也可以视为焊道下裂纹“C”的回波；在图3（b）中，随着夹角角度＞90°，“R”就和缺陷“D”的回波声程距离相等。   这些条件的分辨与90°T形或角接接头相同。   因为接头夹角角度改变，所以来自接头的反射回波的解释就变得比较复杂，这是因为钢垫板反射的增加和垫板端部焊缝焊趾位置的相互影响。 （图3 带钢垫板的斜T形或角接接头焊缝检测示意图）   3.对接接头焊缝检测回波的识别   3.1 垫板和接头间脱开的情况   通常的假回波指示“R”是由于连接接头的错边（如钢管椭圆度大、焊接变形等导致的装配质量问题）或由于两个不同厚度板材连接时在钢垫板和板材间贴合面的分离产生的。   图4为垫板和接头分离的对接接头焊缝检测示意图，根据声程距离和波束传播路径，当从“A”点检测时，回波看起来就像裂纹或未熔合等根部缺陷。   对于这种反射回波，可通过采取如下方法综合判断解决：   （1）准确标记好反射回波指示部位（如图中 “L”位置）。   （2）从单面对侧“A1”位置重复超声检测。   （3）如果从“A1”点检测，同样可以得到“L”位置回波反射指示则证实在根部存在缺陷。   （4）如果从“A1”点检测不到“L”位置反射回波，则可能是“R”产生的假缺陷反射回波显示。   （图4 垫板和接头分离的对接接头焊缝检测示意图）   3.2 表面形状和垫板具有类似声程的情况   另一个引起混淆的假反射回波原因是焊缝表面成形与钢垫板导致的反射有相同的声程距离。   图5为不同宽度根部间隙的对接接头焊缝检测示意图，图5（a）的焊接接头焊缝底部足够大，从而使声波传输到钢垫板而导致从“R”边角处反射并得到一个大的反射回波显示；   图5（b）焊缝底部窄一些，且声波进入处离焊缝稍远了一些，这就导致从焊缝余高位置“WR”产生声波反射和出现大的反射回波。   （图5 不同宽度根部间隙的对接接头焊缝检测示意图）   对于这一种情况，对反射回波的解释变得更加复杂。   图5（a）和图5（b）的声程距离相同，究竟是表面缺陷的反射，还是焊缝余高的反射，或者是垫板边缘的反射，就需要仔细的分析判断。   对于这种反射回波，可通过如下方法综合判断：   （1）从单面对侧“A1”点对图5（a）焊缝进行检测，以确定“WR”区域是否存在缺陷反射回波。   （2）对“WR”区域的任何回波显示可以进行打磨检查，来确定缺陷的存在。   （3）如果从单面对侧的“A1”位置没有反射回波指示，则再从“A”进行检测。   确定从“WR”来的反射回波是否是焊缝余高引起。首先操作探头直到得到**大的反射回波高度，然后用手指蘸耦合剂触摸“WR”处，如果“WR”是焊缝余高反射，那么随着手指的触动反射回波会出现跳动。   （4）如果“WR”不是反射体，按照如下方法，来验证钢垫板是否是反射源，将探头放在“A1”或“A”处以得到**大的反射回波高度，测量从探头入射点到反射体的投射表面距离，标记探头从焊缝对侧的尺寸记为“L”，测量从“L”到“WR”的尺寸，这一尺寸应为钢垫板宽度（如果超声设备经过精确校准的话）。因此超声检测人员在检测前应详细了解所用钢垫板的尺寸和基本的根部间隙尺寸情况，它可以排除一些关于反射源的问题（这也是超声检测人员需要熟悉焊接结构的主要原因）。   （5）如图5（b）所示，按中心线“CL”将焊缝分为两部分，从探头所在的焊缝相同侧对反射体进行判断，使假反射回波信号降低到**小。   4.密封焊钢垫板检测回波的识别   合同双方可以要求对所有钢垫板进行密封焊接，密封的焊缝使超声波不能通过坡口焊缝的整个横截面，超声检测人员应在制作之前确定钢垫板的**适用宽度以及适于检测的**横波探头角度。   密封焊的钢垫板对接接头焊缝检测如图6所示，从图6可以看出，钢垫板端部是关键部位，因为它影响声波反射到接头焊缝的上部。   通常，在钢垫板端部，“B”至“B1”部位导致声波进入钢垫板，“R”处信号被探头接收返回，或者如“A1”探头那样完全接收不到返回信号回波。 （图6 密封焊的钢垫板对接接头焊缝检测示意图）   图7 为密封焊的钢垫板T形和角接接头焊缝检测示意图，与图6存在相同的状态，即当声波在“B”处进入钢垫板并且通过垫板板继续传播并进入腹板中。   如在屏幕上看到这一反射回波，它很可能是假回波显示。   针对这一反射回波，应采取增加密封焊接钢垫板的宽度尺寸或者更换较小角度探头的方法进行检测。   （图7 密封焊的钢垫板T形和角接接头焊缝检测示意图）   5.结论   （1）对带垫板的焊缝进行超声检测时，应精确校准距离轴线（时基扫描线），从结构中获得信号的精确信息参数，以利于准确判定。寻找回波源的**反射角，使其产生**高回波，从而计算其水平和深度位置，精确确定回波源的坐标。通过仔细辨别反射回波的来源，分析回波的传播路径和反射特性，可以正确判断真假缺陷。   （2）超声检测人员应熟悉焊接结构和焊接工艺，通过准确的反射回波定位才能进行正确的判断。   - End -  1 注意 内容涉及标准可能存在废止的情况，请实际操作中勿采用，本文仅提供知识参考思路！若有错误，请留言指正，也希望这些知识点可以帮到你！  2 来源和声明 本文来源：网络（百度搜索） 本文作者：邢艳亮，甘正红，丹红兵（排名不分前后）   声明：本文章系转载，版权归原作者所有。本号尊重原创，转载文章仅为传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。如其他媒体、网站或个人从本号转载使用，请保留本号注明的文章来源，并自负版权等法律责任。如对文章有疑议请及时与我们联系。  

使用全聚焦方式改进相控阵超声成像 引言        随着可进行全聚焦方式（TFM）检测的设备陆续进入市场，无损检测（NDT）行业也在经历着一个技术进步突飞猛进的重要时期。全聚焦方式（TFM）的出现标志着相控阵超声检测（PAUT）技术又向前迈出了重要的一步。然而，一些相控阵超声检测（PAUT）的从业人员可能仍然对全聚焦方式（TFM）及其与全矩阵捕获（FMC）的关系，以及传统相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式/全矩阵捕获（TFM/FMC）处理之间的差异，感到困惑。这则应用注释可使那些熟悉相控阵超声检测（PAUT）成像的检测人员对全聚焦方式（TFM）成像有个基本的了解。为了使说明简洁清晰，本文对超声传播模式方面的知识不予说明。 传统相控阵超声检测（PAUT）成像        超声相控阵技术的标志是在被测工件中所需关注的位置聚焦和偏转声束的能力。相控阵聚焦方法为相控阵探头的发射晶片和接收晶片使用延迟，以使短脉冲波形的渡越时间在所需关注的位置处实现同步。在样件的聚焦区域，所生成声束的宽度变窄，且相应的探测分辨率显著提高。 物理声束形成       传统相控阵在发射声束的过程中使基本声波以物理方式叠加在一起，生成一个在被测样件内特定深度上聚焦的声束。发射晶片组形成一个孔径，从这个孔径产生一个相干声脉冲。传统相控阵发射脉冲的行为被称为“物理”声束形成。例如，在S扫描中，物理声束形成的采集过程会为用户指定的每个角度进行。 合成声束形成       在发射器、散射体和接收器之间的声学回路的末端，组成接收孔径的晶片会将来自被测样件的所有回波作为A扫描记录下来。A扫描数据包含回波波幅和传播时间。为了增强样件中某个特定区域的接收灵敏度，A扫描被延迟并总和，好像聚焦是通过物理声束形成而实现的。不过，这一次，所有的延迟和总和都发生在采集设备的软件中。这种接收声束形成被称为“合成”声束形成。合成声束形成所需的所有计算都在专用的前端电子设备中进行，从而实现了快速、实时成像。 传统相控阵超声检测（PAUT）的局限性        相控阵聚焦的好处是明显提高了聚焦区域的灵敏度，从而可在局部区域提高探测性能。不过，这种提高的灵敏度仅限于被测工件中某个可控且固定的深度。位于聚焦区域之外的反射体会显得模糊不清，而且会比位于聚焦区域内的同等大小的反射体看起来更大些。 FMC（全矩阵捕获）：一种采集策略     TFM（全聚焦方式）：图像的重建   全聚焦方式（TFM）：高分辨率图像的构建       全聚焦方式（TFM）是相控阵基本聚焦原理在被测样件的所限定关注区域（ROI）中的系统性应用。关注区域（ROI）被分割成一个由位置或者“像素”组成的网格，而且网格中的每个像素会通过相控阵声束形成的方法得到聚焦。到目前为止，全聚焦方式（TFM）是生成这种可在各个位置和深度上聚焦的关注区域图像的较有效方法。 然而，如果将通过物理声束形成采集而实现的相控阵超声检测（PAUT）采集策略应用于全聚焦方式，则生成单个全聚焦方式（TFM）图像所用的时间会使人们对大多数无损检测（NDT）应用的部署望而却步。例如，生成一个全聚焦方式（TFM）图像所需的像素数远远高于生成一个可覆盖相同关注区域的S扫描所需的不同角度的数量。通过物理声束形成方式以100个不同角度进行扫查而获得的一个S扫描需要100次采集，而由100 × 100像素构建的全聚焦方式（TFM）图像则需要10000次物理声束形成采集。       为了避免这个采集数量过多的问题，可以采用另一种采集策略：通过为发射相位和接收相位应用合成声束形成的方法，计算网格中的波幅值。这种采集策略需要对应于关注区域（ROI）网格的每个像素位置的一组聚焦法则，以及一组原始基础波形，即基本A扫描。获取这组基本A扫描的有效方法是全矩阵捕获（FMC）数据采集。 FMC（全矩阵捕获）：一种用于实现全聚焦方式（TFM）的采集策略        全矩阵捕获（FMC）是一个采集过程，可以获得所有成对的发射晶片和接收晶片生成的所有A扫描（波幅时间序列）。这些基本A扫描存储在全矩阵捕获（FMC）数据集中。为了获得较佳聚焦效果，应该使用构成探头整个孔径的所有晶片，通过合成声束形成方式，生成全矩阵捕获（FMC）数据集。在这种情况下，建立全矩阵捕获（FMC）数据集所需的采集次数等同于探头晶片的数量。全矩阵捕获（FMC）数据集提供有关探头每个晶片之间声束传播的所有信息，包括不同介质交界处的反射以及由缺陷引起的散射等信息。任何类型的相控阵超声检测（PAUT）图像都可以通过使用适当选择的延迟基于全矩阵捕获（FMC）数据集重建，其中包括：扇形扫描、平面波成像（PWI）、动态深度聚焦（DDF）、全聚焦方式（TFM）等。       虽然通过全矩阵捕获（FMC）采集过程生成图像所需的采集数量与相控阵超声检测（PAUT）可能大致相同，但是要处理单个全矩阵捕获（FMC）数据集，却需要很大的存储容量、很宽的传输带宽，以及很强的计算能力。取决于所用设备的电子器件，获得全聚焦方式/全矩阵捕获（TFM/FMC）结果的速度可能会比传统相控阵超声检测（PAUT）更慢。 以实验案例说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）图像的差异       为了说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之间的差别，我们在此介绍一个使用线性相控阵（PA）探头对钢块中垂直分布的几个相同的横通孔（SDH）进行扫查的设置。          这里的相控阵超声检测（PAUT）S扫描（图a）和全聚焦方式（TFM）图像（图b）使用相同的检测配置、OmniScan X3探伤仪、5L64-A2探头、SA2-N55S-IHC楔块，及32晶片孔径获得。 在相控阵超声检测（PAUT）S扫描（图a）中，每个A扫描都使用唯一的22毫米聚焦深度获得。处于聚焦区域内的几个横通孔（SDH）以相似的波幅和大小出现在图像中。位于聚焦深度以外较远的横通孔的图像会出现失真现象，且波幅较低。因此要使被测样件中的所有横通孔获得更为一致的定量效果，需要使用不同的聚焦深度生成多个图像。        在全聚焦方式（TFM）图像（图b）中，超声声束在每个像素上聚焦。可以看出，每一个横通孔（SDH）的分辨率都非常好。虽然如此，我们还是可以观察到，位于关注区域边限处的横通孔有些失真的现象。在相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）检测的常见声束形成过程中，这些失真现象是固有的。 全聚焦方式（TFM）与相控阵超声检测（PAUT）的讨论综述        全聚焦方式（TFM）的主要优点是整个图像都以聚焦的分辨率显示，而相控阵超声检测（PAUT）图像仅在声束的聚焦区域中具有较高的分辨率。 仅在传统相控阵超声检测（PAUT）的接收阶段进行的合成声束形成，也会在全聚焦方式（TFM）检测的发射阶段进行，以使采集速率适用于无损检测（NDT）应用。合成声束形成需要对通过全矩阵捕获（FMC）获得的基本A扫描应用特定的延迟。注意，全矩阵捕获（FMC）数据集可以为任何检测的合成声束形成提供基本数据，包括相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）检测。 由于需要处理大量的全矩阵捕获（FMC）数据才能生成全聚焦方式（TFM）图像，因此在使用相同孔径的情况下，全聚焦方式（TFM）的检测效率可能会低于相控阵超声检测（PAUT）。        虽然全聚焦方式（TFM）图像在整个关注区域内高度聚焦，但是它仍然会受到阻碍相控阵超声检测（PAUT）的相同的声学局限性的影响。虽然在相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）中都会观察到波幅的波动和图像失真现象，但是在全聚焦方式（TFM）检测中，被测样件中一组大小相同的散射体在图像中会表现得更为一致。  

残余应力及检测方法 原创  一、残余应力简介及检测方法对比 众所周知，工件在制造过程中，会受到各种因素的作用与影响。当这些因素消失之后，若构件所受到的作用与影响不能完全消失，则会有部分作用与影响残留在构件内，这种残留的作用与影响，称作残余应力。残余应力对工件有着很大的伤害，会使工件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。针对这一问题，在现在的科技环境下，产生了几种检测应力的方法，这几种方法都存在各自的优缺点，对比图如下： 现阶段行业内主要使用以下几种方法检测残余应力：（1）盲孔法盲孔法的优点在于有较好精度，而缺点也比较明显，即检测过程中需要损坏材料的结构。（2）X射线衍射法 X射线衍射法经过了市场的检验，优点是技术较为成熟且稳定，缺点是检测仪器比较笨重，操作耗时且伴随着辐射。（3）超声波应力检测法超声波应力检测法的优点在于操作简便、快速、不损伤材料，也不会对检测人员造成伤害。而它的缺点就在于这是一项新的技术，虽然经过多家大型实验室的测验，但是市场检验度还不够高。综合来看，超声波应力检测技术具有很大的现场适用性，下文对该技术进行详细介绍。 二、超声波应力检测技术 1、超声波应力测试仪 近些年国内超声波应力检测技术的研究进展较快，下图展示为我公司自主研发的一台超声波应力测试设备及配套软件，它是一款工业级高精度超声波应力测量设备，通过软件实现信号的激发和采集，根据声弹性理论进行残余应力的计算，可无损测定被测对象积聚的应力。 超声波应力测试设备（采集模块） 超声波应力测试信号处理系统（显示操作模块） 该设备符合国标GB/T 32073-2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》的要求，具备频率设置、滤波、超声激励、残余应力值计算等基本功能。 以下为该设备具有的优势和特点： 可同时测量应力、声时、壁厚、声速，实时显示超声波形，具有一定探伤功能； 配备高频数据采集卡，对上万次测量结果进行算法优化，测量结果更准确； 集成了温度传感器，通过温度补偿消除温度对检测结果的影响； 采集模块分体式设计，易于拆装，可无线连接显示操作模块，移动性强，易于现场使用； 设备可搭载锂电池独立供电，有效地解决了野外现场供电难的问题； 优良的抗干扰能力和可靠性，拥有出色的信噪比。 2、超声波应力检测原理 超声波应力测量法是基于材料的声弹性理论，即依据被测对象中超声波传播速度与应力之间存在的固有关系，将这种特性转为数字信号表征的力学定量检测手段。 超声波应力检测原理图 3、超声波近表面应力检测 近表面应力检测是材料或零部件残余应力检测较为典型的应用场景。测量采用一对收发分离的超声波探头（也称超声波换能器），如图所示，探头声束入射角需满足**临界角的基本条件，激发的超声波也被称作“临界折射纵波”（LCR），声传播的基本特征是：超声激励方式为脉冲激励形式，LCR沿被测对象近表面区域传播。可检测的深度取决于使用探头的频率和被测对象材质： 式中，α为检测深度修正系数，单位为mm/ns，常用金属材料参考值：钢5.98，铝6.40，铜4.81；f为探头中心频率，单位为MHz。 近表面应力检测示意图 对于临界折射纵波，与应力之间的关系简化表示如下： 可以用声时差表示： 也可以用相对声速表示： 式中：σ±为应力测量值（MPa）；Δtc为声时差（声速差）（ns）；Kσ为声弹系数（MPa/ns）。 拉应力会使得声音传播速度减慢，声时差为正；压应力会使声音传播速度加快，声时差为负。 通常同种材料的该值恒定，b为常数（MPa）。b的理论上为零，但是实际工程应用中，b往往不为零，主要由以下几个因素决定： 1）仪器分辨率； 2）零应力参考试块的“剩余应力”； 3）标定时的载荷范围选择及拉伸机的稳定性。 4、超声波应力检测方法的优势 超声波应力检测方法的优势有以下几点： （1）不对被测对象产生任何损伤； （2）测量快速，单点测试不超过4s，可实现实时检测，也可用于系统集成实现自动化或半自动化应力检测； （3）测量深度较大，近表面应力检测深度2mm以内； （4）无任何辐射，操作安全，无需任何防护； （5）既可测量应力，也可检测试件内部的缺陷，还可用于高精度测厚； （6）适用材料广泛，理论上可以应用于任何非吸声材料。 5、超声波应力检测法与X射线的比较 X射线检测普通碳钢已经非常成熟，但对铝合金、不锈钢、钛合金等存在大晶粒或织构组织的材料，检测方法还不成熟。X射线法存在以下局限性： （1）X射线法受透射深度所限，只能无破坏地测表面应力，若测深层应力，也需破坏试样，超声法深度可以达到数米； （2）当被测对象不能给出明确的衍射线时，X射线法测量精度不高，若能给出明确衍射线的试样，其测量误差为±20MPa； （3）试样晶粒尺寸太大或太小时，测量精度不高。晶粒的尺寸对超声法也有影响，但是晶粒补偿功能的引入，使得超声对粗晶材料同样具备检测能力； （4）大型零件不能测试，超声检测效率非常高，可在较短的时间内测量整个零件的应力分布； （5）运动状态中瞬时应力检测也有困难，但是超声法具备实时在线准确测量应力的能力； （6）不适宜测量单晶材料的应力，而超声法不受此限制。 6、超声波应力检测法与盲孔法比较 相较于超声法和X射线法，盲孔法属于是一种有损的检测方式，需要在试件上进行钻孔。这种方式的特殊性决定了它比较适合生产过程中的抽检，或者允许破坏性检测场合，对很多在线或者在役的设备而言，在试件上开孔是不切实际的。 （1）盲孔法适用于测量梯度比较大的残余应力场； （2）盲孔法测量中的应力释放属于部分释放，释放应变测量灵敏度只有剖分法的25%，因此盲孔法测量精度低，不太适合低水平残余应力测量； （3）测量的仅仅是表面残余应力，无法测量材料内部的残余应力。 7、超声波应力检测技术行业规范 目前行业内已经形成了GB/T 32073-2015《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》、Q/SY 05009—2016《油气管道焊缝应力超声检测技术规范》和T/CMCA 4007-2019《钢结构残余应力超声检测技术规程》等规范，使得行业应用有据可依。 8、超声波应力检测技术的应用 超声波应力检测技术，经过近几年的快速发展，已经大量应用于石油化工、油气管道、航空航天和桥梁建筑等工程领域当中。 近几年，我们为钢结构大桥、支撑辊、机械泵架、压力容器、风电叶根、滚筒体等多种结构提供了残余应力检测技术服务，部分案例如下图所示。 大桥钢结构残余应力检测 机械泵架焊接残余应力检测 袖管三通焊接残余应力测试 压力容器焊接残余应力检测 支撑辊残余应力检测 石化管道残余应力检测

一、什么是残余应力 残余应力、也称内应力，是指当外部载荷去掉以后，仍存留在工件内部的应力。残余应力是由于金属内部组织，发生了不均匀的体积变化而产生的。其外界因素来自热加工和冷加工。具有内应力的工件，是处在一种不稳定状态之中，其内部的组织有强烈地恢复到没有内应力的稳定状态的倾向。工件的形状逐渐改变（如翘曲变形）从而丧失其原有精度。如果把存在内应力的工件装配到机器中，则会因其在使用中的变形而破坏整台机器的精度。 二、残余应力的来源 外力使零件变形，其中引起塑性变形的外力作的功，以零件内部材料变形而存贮在零件内。当外力消除以后，应力不均匀的能量要释放出来，引起了零件缓慢地变形，即残余应力作功，直到能量全部释放出来为止。在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为： （1）不均匀的塑性变形； （2）不均匀的温度变化； （3）不均匀的相变。 三、残余应力的分类 按应力产生的原因分类有： (1) 热应力 铸件各部分的薄厚是不一样的，如机床床身导轨部分很厚，侧壁筋板部分较薄。铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩地小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力，随塑性变形而消失。铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。 在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似于上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。 (2) 相变应力 常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知①：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀 ，薄壁部分阻碍其膨胀，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力。厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738℃)前的收缩中，薄厚壁均处于塑性状态，应力虽然不断产生， 但又不断被塑性变形所松弛，应力并不大。当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方，变为体心立方结构(即γ-Fe变为a-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g。同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，产生压应力。上述的两种应力，是在1153℃ 和738℃两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反， 相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不再产生相变些力，因此铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。 (3) 收缩应力(亦叫机械阻碍应力) 铸件在固态收缩时，因受到铸型.型芯.浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。收缩应力一般不大，多在打箱后消失。 按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种： （1）**类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩；变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总储存能的0.1%左右。 （2）第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。 （3）第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（80%~90%）用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓**的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。 四、残余应力对机械零部件的影响 （1）引起物体尺寸和形状的变化。当在变形物体内存在残余应力时，则物体将会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏，此相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸和形状改变。 （2）使零件的使用寿命缩短。因残余应力本身是相互平衡的，所以当具有残余应力的物体受载荷时，在物体内有的部分的工作应力，为外力所引起的应力与此残余应力之和，有的部分为其差，这样就会造成应力在物体内的分布不均。此时工作应力达到材料的屈服强度时，物体将会产生塑性变形；达到材料的断裂强度时，物体将会产生断裂，从而缩短了零件的使用寿命。 （3）降低了金属的塑性、冲击韧性。当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时，由于残余应力的存在可加强物体内的应力和变形的不均匀分布，使金属的变形抗力升高，塑性降低。 （4）降低金属的耐蚀性以及和疲劳强度等。由于零件内部的残余应力，使其处于高能量状态，易与氧化介质发生化学作用，造成腐蚀，即应力腐蚀，从而降低了零件的耐蚀性，残余应力还改变了材料表面受载时的应力分布，降低疲劳强度。 五、残余应力对零件切削加工影响 对切削加工过程的影响车削零件的毛坯，一般为铸件、锻件、型材和经过热处理的半成品，由于毛坯在形成的过程中，有过温度的剧烈变化及受力变形，因此内部具有残余应力，在切削时形状发生变化，原应力平衡状态被打破，导致了切削过程的变形。 5.1产生切削残余应力 金属的切削，实质上是工件受刀具的挤压和摩擦，使工件表面产生弹性变形和塑性变形，切屑从母体分离的过程。在切削过程中，工件受到切削力，产生切削热而使切削温度上升，切削完成后，工件的已加工表面即产生了残余应力，使工件在以后的使用中发生变形，精度降低，使用性能和下降，使用寿命缩短。 5.2影响残余应力的因素 （1）切削用量。切削速度———切削速度提高，工件温度上升，残余应力增加；走刀量和切削深度———走刀量和切削深度越大，切削力就越大，残余应力也越大。 （2）刀具角度。增大刀具的前角，刃倾角，可使刀具锋利，减小切削力。 （3）切削液。切削液具有润滑和冷却作用，在加工中使用切削液，可减小切削力和降低切削温度，使残余应力减小。 六、减小和消除残余应力的措施和方法 6.1 采用合理的工艺结构在零件的设计时，采用合理的工艺结构，避免厚薄不匀，尖角结构等，铸件宜使用铸造圆角。 6.2 合理安排工艺路线对于精密零件，粗、精加工分开。对于大型零件，由于粗、精加工一般安排在一个工序内进行，故粗加工后先将工件松开，使其自由变形，再以较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。 6.3 采用合理的切削条件。在零件的精加工时，使用较小的切削和走刀量以及较高的切削速度，使用锋利的刀具和使用切削液进行润滑冷却，以减小切削力和降低切削温度，减小残余应力。 6.4 采取时效处理技术 （1）自然时效处理。 （2）热时效处理。这是目前使用**广的一种方法，但其投资和能源消耗都较大，使生产成本增加，而且精加工后零件进行加热时效，有可能产生氧化而影响表面品质。 （3）振动时效处理。这是消除残余应力、减少变形以及保持工件尺寸稳定的一种新方法。可用于铸造件、锻件、切削加工工件等。它是以激振的形式，将机械能加到含有大量残余应力的工件内，引起工件金属内部晶格错位蠕变，使金属的结构状态稳定，以减少和消除工件的内应力。不需庞大的设备，经济简便，效率高。频谱谐波时效技术是在此机床上的发展，能消除60-70%的应力，在稳定尺寸和形状精度上非常有效。

超声波无损检测在风电叶片 粘接部位缺陷检测中的应用    保定中能风电设备有限公司  杜  娟 1. 引言        近几年来， 随着风力发电机组数量的不断增 加，风电机组部件的损坏问题也在增多， 其中**头 疼的是风电叶片开裂损坏。风电场投资商对风力发 电机提出了更高的要求， 风电叶片的生产质量逐步 引起了人们的高度重视。根据风电叶片结构设计、 工艺成型特点， 预喷胶衣的叶片粘接部位是叶片生 产质量控制的难点。如何保证叶片粘接部位不出或 少出质量缺陷， 用超声波检测粘接内份是解决叶片 质量的有效手段。   2. 风电叶片粘接质量控制现状        目前， 在国内风电叶片的生产过程中， 用来检 验产品质量的主要无损检测手段是 ：目视法、敲击法。对于不可见的叶片粘接部位的检测通常用敲击 法， 然而敲击法一般用于浅层检测， 并且要求质检 人员要有丰富的经验， 否则敲击法的检测准确性是 大打折扣的。由此可见， 新的无损检测手段—超声 波无损检测的引入势在必行。 图 1 是风轮叶片成型截面图， 用此进行解析粘接工序的质量控制形式。     图1：叶片成型截面图   风电叶片的主要部件 ：上、下壳体、前、后腹 板。在上、下壳体成型前， 模具表面（除前、后缘） 预喷白色胶衣， 各部件成型后， 之间的连接是由结 构胶相互粘接形成一体。叶片前、后腹板与下壳体 在合模前， 预先粘接， 能够保证粘接质量 ；前、后 缘的粘接可以看结构胶的挤出量， 粘接质量情况可 目视检查。而前、后腹板与上壳体的粘接情况是不 可见的，质量可控性差。   3. 基础研究 3.1 超声波检测类型的选择 在我国， 风电叶片行业的超声波无损检测的应 用还处于初步尝试阶段， 需要进行大量的检测试验 的积累。超声波无损检测的种类很多， 经过多方验 证， 超声波相控阵探伤仪和专门定制的高性能探头 是众多仪器中较为先进设备， 其设备的高性能和便 携性等优点完全满足该项目检测的需要。 3.2 标准试块的制作 3.2.1 试块的选取 试块选取自某型玻璃纤维 / 不饱和聚酯型叶 片， 试块包含前、后腹板与壳体粘接部位， 试块共 3 块， 分别取自叶片的叶根的前、后腹板与壳体的 粘接部位， 叶片轴向中部的前、后腹板与壳体的粘 接部位， 叶尖的前、后腹板与壳体的粘接部位。试块样件见图 2 ：     图2：其中的1 件试块   3.2.2 人工缺陷的预设 如图 3， 从试块的里侧向表面钻不同尺寸的平 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）。     图3：在试件上的粘接部位预设的人工缺陷     组图4：试件上预制缺陷信号图     3.2.3 试验结果分析 检测结果成像图如组图 4。从检测结果中可以 看 出，1# 、2# 、3# 、4# 、5# 缺 陷都有检测信号， 其中 1#、2# 由于距检测表面深度较大， 信号较弱， 但也能分辨，3# 、4# 、5# 缺陷信号较强， 检测结 果较好。可见，该无损检测方法可行。   4. 实际运用及验证   4.1 全尺寸叶片检测前的分段划线及规定 在全尺寸叶片上的检测部位进行分段划线， 则 根据每段壳体的厚度进行超声波检测技术参数的设 置，保证检测结果准确。 分段划线方法 ：划出前、后腹板与壳体粘接带 的中心线， 使检测探头更好的对准检测部位 ；从叶 尖开始每 1 米为一段划线， 将检测部位共分为 25 段，根据每段不同的厚度进行检测技术参数的设置。 规定 ：后腹板与上壳体的粘接部位为 1# 粘接 带， 前腹板与上壳体的粘接部位为 2# 粘接带， 后 腹板与下壳体的粘接部位为 3# 粘接带， 前腹板与 下壳体的粘接部位为 4# 粘接带。 4.2 全尺寸叶片的检测结果 下面是检测出的粘接胶层的典型空胶缺陷， 见 组图 5。 3# 粘接带段 21: 缺陷范围 ：286mm ～ 341mm 456mm ～ 525mm 缺陷深度 ：21.8mm 缺陷宽度 >10mm 缺陷位置 ：胶层缺陷 组图5：叶片粘接带空胶信号图 4.3 检测结果准确性的验证 4.3.1 验证方法 将叶片粘接空胶缺陷用记号笔标于表面， 在空 胶面积内不同位置钻 2 个孔， 每孔深度至空胶部 位， 用注射器吸水， 从一个孔中注水， 另一孔出水， 可证明空胶。见下图 6。   图6：叶片粘接带空胶缺陷的验证   5. 深远意义 该项目是超声波无损检测在国内风电行业的 实际应用突破性地尝试。通过超声波无损检测来鉴 别产品关键部位的内部质量状况，以确保产品质量， 满足设计和使用要求， 不论是在风电行业还是其他 复合材料制品行业，刻不容缓。