上海千实解读《无损检测 焊接残余应力超声无损检测方法》

　　上海千实精密机电科技有限公司：由中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及设备领域委员会(CSTM/FC94)归口承担的《无损检测焊接残余应力超声无损检测方法》团体标准已完成征求意见稿，按照《中关村材料试验技术联盟团体标准管理办法》的有关规定，现公开广泛征求意见。

　　焊接残余应力是材料焊接过程中的必然产物，是导致焊接结构变形和延迟开裂的主要原因。尤其对于大尺度厚板而言，结构尺寸大、板材厚，现场拼装焊接工作量大，构件不同深度的焊接残余应力难以有效检测和评估，存在大范围的焊接残余应力集中区域，成为导致焊接构件变形及开裂的主要诱因，将直接导致整体构件建造完整性遭到破坏，直接威胁到服役期间构件运行的稳定性与安全性。

　　拉伸焊接残余应力降低结构强度并促进腐蚀开裂和变形，而且残余应力分布状态是随着焊接的结构形式、环境温度以及服役期间交换载荷的变化而重新动态分布的，这必将引起构件的焊缝部位产生变形和开裂，尤其是弱刚度构件更为严重。因此，无损而准确量化地获得材料焊接构件内部不同深度的残余应力梯度分布状态是有效评估钢结构构件变形和阻止其开裂的前提。

　　本标准方法属于创新研究和技术，目前还没有相关的国内外标准。为了规范检测和使用过程，得到准确一致的检测结果，该标准将用于所有领域的焊接残余应力检测与安全评估，社会意义重大，应用前景及其广泛，特别建议制定此项国家标准。

　　本标准参考GB/T 228.1 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法；GB/T 7704 无损检测 X射线应力测定方法；GB/T 12604.1 无损检测 术语 超声检测；GB/T 18852 无损检测 超声检验 测量接触探头声束特性的参考试块和方法；GB/T 32073 无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法；GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证；GB/T 11343 无损检测 接触式超声斜入射检测方法等规程编制。

　　本文件规定了构件焊接残余应力超声临界折射纵波检测的方法。本文件适用于普通碳素钢、高强度钢、不锈钢、铝合金和钛合金等透声金属材料焊接残余应力检测，以及透声非金属材料焊接残余应力超声检测。本文件适用于焊缝处焊接残余应力的无损检测，也适用于外界载荷导致焊缝及母材内部产生的服役应力的无损检测。

　　焊接残余应力的超声临界折射纵波法检测原理：

　　研究发现，材料的焊接过程必然产生残余应力，不同方向的残余应力大小不同，如图1、图2所示。依据声弹性原理，焊接构件材料中的残余应力对超声波传播速度有影响，当残余应力方向与纵波传播方向一致时，拉伸应力会减小超声波传播速度，压缩应力会增大超声波传播速度，由此可以利用声速变化检测被测构件内残余应力值。

　　仪器和设备：

　　1.系统构成

　　用于本标准规定检测方法的焊接残余应力无损检测系统，至少应该包括专门制作的超声临界折射纵波探头、残余应力超声检测仪、温度传感器、标准零应力试样和耦合剂构成。

　　2.临界折射纵波探头

　　临界折射纵波探头应能实现临界折射纵波发射和接收。根据被检测齿轮的材质、尺寸、检测区域和渗透深度及残余应力的检测长度(L)等需求，选定超声收发换能器的中心频率等传感器参数，临界折射纵波收发传感器和声楔块的材料选定和制备应满足国标GB/T 18852。

　　构成残余应力检测探头的两个临界折射纵波收发传感器的性能要求一致，同时，检测和标定用的残余应力临界折射纵波探头应该完全一致。

　　当被检构件表面为曲面时，探头应符合GB/T11345的规定。探头接触面与被检测构件表面良好贴合。

　　3.焊接残余应力超声检测仪

　　焊接残余应力超声检测仪的作用是激励临界折射纵波检测探头，得到并接收临界折射纵波信号，计算超声临界折射纵波传播时间和焊接残余应力值。可以用脉冲收发仪、示波器等通用仪器构建，也可采用具有脉冲收发功能、波形数字化功能和嵌入式计算功能的数字超声检测硬件配合专用软件实现，同时，检测仪还应该具有波形存储、参数设置和检测结果的存储和输出功能，也可以具有远程无线或网络监控和监测功能。

　　4.温度传感器

　　要求温度传感器能够在检测温度范围内准确测量被检测工件的温度，且测量精度满足A级以上(以铂电阻温度传感器为例)。

　　5.基准零应力试块

　　检测系统要配备基准零应力试样，用于检测焊接残余应力前标记零应力状态下超声临界折射纵波传播时间。标准零应力试样是指与被检测材料材质和表面粗糙度一致的、残余应力极低的、满足本标准标定试样形状和尺寸范围的材料样品。

　　可采用高能声束方法制备基准零应力试块，可参照(附录B)确定；现场无法获得基准零应力试块时，也可将同材质构件上的无应力区域作为基准零应力试块。

　　6.耦合剂

　　应按GB/T11343的规定，选择透声性良好且不损伤检测表面的耦合剂，工作温度范围内探头应与被检件表面具有稳定可靠的超声耦合。

　　检测过程中要使用耦合剂，以保证在工作温度范围内探头与构件表面具有稳定可靠的声耦合。检测、应力系数标定和零应力标定、校准过程使用的耦合剂要相同。

　　检测结果与评估：

　　当被检焊接构件且处于无约束自由状态时，在焊接残余应力区检测到的数值为焊接残余应力，当其数值小于焊接残余应力阈值时，焊接热影响区或焊接残余应力区是安全的；数值越小，表明焊接区域的残余应力安全裕度越大。

　　当焊接残余应力区处于装配约束状态或载荷服役状态时，焊接残余应力区检测到的应力是焊接残余应力与服役应力的叠加。

　　超声临界折射纵波方法能够检测出起焊接结构内部的综合服役应力，包含所有载荷产生的内应力，直接反映了构件的当前服役强度，可以直接对构件的应力进行检测、监测和评判。根据需求还可以检测构件内部不同深度的残余应力值。

2023-03-10 00:00