GB/T 33163-2016 金属材料 残余应力 超声冲击处理法

　　ICS 77. 040. 10 H 22

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 33163—2016

　　金属材料 残余应力 超声冲击处理法

　　Metallicmaterials—Residualstress—With ultrasonicimpacttreatment

　　2016-10-13发布 2017-09-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 33163—2016

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 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 :天津大学 、武汉钢铁(集团)公司 。

　　本标准主要起草人 :王东坡 、吴良晨 、李荣锋 、刘永长 、李敢红 、张海 。

　　GB/T 33163—2016

　　引

　　言

　　超声冲击处理是一种以针式冲击来消除残余应力的方法 ,它是以超声发生器为激励源 ,通过压电陶瓷或磁致伸缩方式将超声频电源转换成超声频振动 ,振动由冲击针传递到金属表面 ,在金属表面及次表面产生塑性变形 ,并细化晶粒 ,达到消除残余应力的 目的 。

　　超声冲击处理适合于各种工程构件消除应力的需求 ,特别适合于结构复杂的钢结构 、铝合金结构以及由异种焊接接头或其他金属材料制成的结构件 。

　　如为了提高结构的抗疲劳性能 ,一般只针对焊趾采用超声冲击处理 ;如为了提高结构的抗应力腐蚀性能 ,需要针对焊接接头或指定区域采用超声冲击全覆盖处理 。

　　金属材料 残余应力 超声冲击处理法

　　1 范围

　　本标准规定了采用超声冲击处理法消除金属材料残余应力的术语和定义 、符号和说明 、原理 、方法及效果的评价 。

　　本标准适用于材料厚度大于 4 mm、屈服强度不大于 900 MPa、断后伸长率大于 5%的金属构件的超声冲击消除残余应力处理 。

　　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/T 7704 无损检测 射线应力测定方法

　　GB/T 24179 金属材料 残余应力测定 压痕应变法

　　GB/T 31310 金属材料 残余应力测定 钻孔应变法

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　超声冲击处理 ultrasonic impacttreatment

　　使用超声冲击设备对金属材料按一定参数消除残余应力的处理工艺 。

　　3.2

　　超声冲击枪 ultrasonic impactgun

　　执行超声冲击处理的装置 。

　　3.3

　　冲击针 impactneedle

　　将超声频振动传递给金属表面的钢针 。

　　4 符号和说明

　　本标准使用的符号和说明见表 1。

　　表 1 符号和说明

　　表 1 (续)

　　5 原理

　　通过换能器将超声频的电流转换成同频率的机械振动 ,这种机械振动通过冲击针传递到待处理金属表面 ,使其一定深度的表层金属产生压缩塑性变形 ,消除拉伸残余应力 ,并使得尖锐过渡处曲率半径变大 , 降低应力集中系数 。

　　6 超声冲击处理方法

　　6. 1 设备

　　超声冲击处理设备一般由超声发生器 、超声冲击枪 、超声冲击针等组成 ,典型的超声冲击处理设备参见附录 A。

　　6.2 冲击处理前的准备

　　在实施超声冲击处理之前 ,待处理表面应保持一定程度的整洁 。如果表面有油污 、脏物 、锈 ,应加以清理 。可以采用打磨或用钢丝刷的方式去掉焊缝表面氧化物 、飞溅残留物等杂质 。如果待处理表面凹凸不平 ,建议对表面进行轻微打磨以改善其形状 ,形成一个能使超声冲击枪平稳移动的通道 。

　　6.3 冲击处理过程

　　6.3. 1 一般情况下 ,超声冲击处理应按照以下步骤实施(以处理焊趾为例) :

　　a) 将冲击针对准焊趾 ,保证焊缝一侧和母材一侧被冲击覆盖的宽度大致相同 , 冲击枪的轴线与焊缝纵向基本垂直(偏差不超过 10°) 。 冲击枪倾斜的角度取决于焊趾的情况 , 大多情况下 , 冲击枪与母材表面的角度在 40°~ 80°范围内 。 冲击针在焊趾上沿焊缝纵向一定范围内反复来回冲击 ,如图 1所示 。

　　图 1 超声冲击处理基本方法

　　b) 可在冲击枪上施加一定的压力 , 以保证冲击过程平稳 。

　　注 : 如果冲击枪的自重已能保证冲击过程平稳 、不跳动 ,则操作者无需再施加压力 ,只需要持稳冲击枪即可 。

　　c) 冲击处理速度 v 应保持在 50 mm/min~ 300 mm/min。对于高强钢 、钛合金等高强度材料 , 冲击处理速度尽量靠近下限 。

　　6.3.2 金属母材构件 、尖锐过渡区域以及平面的处理与 6. 3. 1相同 。

　　6.3.3 不同材料各种工艺的常用组合参见附录 B。

　　6.3.4 操作过程中需要注意的事项及安全防护参见附录 C。

　　6.4 重要构件的超声冲击处理

　　6.4. 1 容器

　　各类容器 ,包括常规容器和压力容器 ,一般只在容器内部焊缝及热影响区进行全覆盖处理 。

　　6.4.2 大型厚壁构件

　　非储存容器类型的焊接结构 ,如桥梁 、水电站的钢岔管 、压力钢管 、闸门 、石化部门的反应塔 、钢厂的钢包等冶金机械 ,一般只需要对焊趾进行处理 。

　　6.4.3 其他特殊类型的焊接构件

　　一些特殊类型的构件如采油平台 、船体外壳等也适合超声冲击处理 。

　　6.5 超声冲击后处理

　　如需要 ,可在超声冲击处理后再进行光整加工处理(如振动光饰处理) 。

　　7 超声冲击处理效果的评价

　　7. 1 定性评价

　　7. 1. 1 如果只处理焊趾 ,应该在焊趾上处理出一条连续 、均匀 、光亮的凹槽 , 凹槽横截面参见附录 B。

　　7. 1.2 可使用 5 倍 ~ 10倍的放大镜查看凹槽 ,确保凹槽内的焊缝及母材都被处理到 。所有的尖锐过渡 、咬边和焊趾上的内隅角都应当被消除 。如果有未处理到的区域 ,应对这些区域重新处理 。

　　7. 1.3 应避免反复处理对表面造成损伤 。

　　7. 1.4 超声冲击处理焊趾后合格及不合格的外观效果 ,参见附录 B。

　　7. 1.5 如果是全覆盖冲击处理焊缝 ,应保证冲击覆盖率不小于 100% ; 肉眼观测被处理面 ,应当没有未处理到的区域 ,否则应对未处理到的区域重新处理 。

　　7.2 定量评价

　　7.2. 1 覆盖率的测定方法

　　覆盖率的测定可以采用如下方法 :

　　a) 在冲击处理前使用颜色与金属材料对比明显的记号笔或荧光剂在待处理区域涂抹标记 , 冲击处理后借助 5倍 ~ 10倍放大镜进行检查 ,根据颜色深浅来判断是否被处理到 ;

　　b) 记录当覆盖率达到 100%时冲击处理所用的时间 , 采 用 同 样 长 时 间 再 冲 击 一 遍 时 , 覆 盖 率 即为 200% 。

　　7.2.2 残余应力的测定方法

　　推荐采用 无 损 或 半 无 损 的 残 余 应 力 测 量 方 法 , 如 射 线 法 、压 痕 应 变 法 或 钻 孔 应 变 法 , 按 照GB/T 7704、GB/T 24179或 GB/T 31310执行 。

　　8 试验报告

　　试验报告应至少包括以下内容 :

　　a) 本标准编号 ;

　　b) 构件名称和描述 ;

　　c) 超声冲击处理设备 ;

　　d) 超声冲击处理参数 ;

　　e) 定性或定量评价结果 ;

　　f) 评价结论 。

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　典型的超声冲击处理设备

　　A. 1 超声发生器

　　为保证超声冲击处理质量 ,超声发生器应具备频率跟踪(即发生器输出电流的频率始终与超声换能器的谐振频率一致)和恒振幅输出功能 。超声冲击枪输出振幅 a 维持在 10 μm~ 50 μm 之间 。

　　A.2 超声冲击枪

　　超声冲击枪有直角度冲击枪和斜角度冲击枪 ,其原理及外形示意图如图 A. 1 所示 。处理狭小空间内的结构时 ,直角度冲击枪可能无法处理 ,此时可使用斜角度冲击枪处理 ,如图 A. 2 所示 。超声冲击枪所用的超声换能器可采用磁致伸缩式或压电陶瓷式 。

　　a) 超声冲击枪原理

　　b) 直角度冲击枪 c) 斜角度冲击枪

　　图 A. 1 超声冲击枪

　　图 A.2 处理狭小空间时直角度冲击枪和斜角度冲击枪的区别

　　一般采用手持式超声冲击枪进行手动处理 , 或将超声冲击枪安装于 自动机构上实现自动处理 , 如图 A. 3所示 。

　　a) 手动超声冲击处理

　　b) 自动超声冲击处理

　　图 A.3 超声冲击处理方式

　　A.3 冲击针

　　A.3. 1 冲击针尺寸

　　冲击针尺寸主要为冲击针直径 d 和冲击针长度l,如图 A. 4所示 。

　　冲击针直径 d 一般为 3 mm~ 6 mm。一般来说 ,直径越小 ,焊趾部位被冲击处理到的可能性就越大 ,最终焊趾会消失 。直径如果过大(大于 6 mm) , 冲击针头通常不会作用在焊趾部位 , 而是作用在焊趾一侧的金属材料上 。

　　冲击针长度 l不宜过长 ,一般不超过直径 d 的 10倍 ,否则冲击时容易折断 。

　　a) 半圆形末端冲击针 b) 大圆弧末端冲击针

　　图 A.4 两种末端形状的冲击针

　　A.3.2 冲击针末端形状

　　冲击针末端形状会影响冲击处理后表面的质量 。

　　冲击针末端按半径 r 可分为半圆形末端和大圆弧末端两种 ,如图 A. 4所示 。

　　半圆形末端冲击针用于处理焊趾 、尖锐过渡处和平面 ;大圆弧末端冲击针主要用于平面处理 。 A.3.3 冲击针材料

　　冲击针所用材料要求硬度高 、冲击韧性好 ,常用材料为 W18Cr4V。

　　A.3.4 冲击针排列

　　冲击针最常用的 3种排列方式如图 A. 5所示 :

　　a) 冲击焊趾或金属母材尖锐过渡处时 ,采用单根冲击针或单排多根冲击针 ;

　　b) 处理拐角及补充处理时使用单根冲击针 ;

　　c) 对焊缝或金属平面全覆盖冲击处理时 ,应采用冲击针阵列 。

　　a) 单根冲击针 b) 单排多根冲击针 c) 冲击针阵列

　　图 A.5 冲击针的排列方式

　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　超声冲击处理工艺质量控制

　　B. 1 建立合理的超声冲击处理工艺

　　选择有代表性的金属结构件(或典型焊接接头) 进行反复试验 , 挑选出该种结构最佳的处理工艺 。不同金属材料的常用工艺参数可参考表 B. 1。超声冲击处理后合格的焊趾形状如图 B. 1所示 ,焊缝一侧的凹槽宽度 t1 应与母材一侧的凹槽宽度 t2 大 致 相 等 。 超 声 冲 击 处 理 后 不 合 格 和 合 格 的 焊 趾 外 观 如图 B. 2所示 。

　　表 B. 1 超声冲击处理常用工艺参数

　　说明 :

　　r — 冲击针末端半径 ;

　　t1 — 焊趾区焊缝一侧的凹槽宽度 ;

　　t2 — 焊趾区母材一侧的凹槽宽度 。

　　图 B. 1 超声冲击处理后的焊趾截面

　　a) 不合格 :有独立压痕 ,覆盖率不够

　　b) 不合格 :过处理 ,造成表面损伤

　　c) 合格 : 充分覆盖 , 凹槽连续光滑

　　图 B.2 超声冲击处理焊趾外观效果

　　经过长时间使用后 , 冲击针末端会磨损变钝 ,此时需要更换冲击针或将冲击针末端重新打磨成原始形状 。

　　B.2 避免叠形缺陷

　　超声冲击时发生塑性变形的金属如果叠加在原始表面上 ,会留下类似冷裂纹形状的缝隙 ,如图 B. 3所示 ,这种缝隙称为叠形缺陷 。叠形缺陷会导致疲劳性能降低 , 因此要避免叠形缺陷的产生 。 冲击处理前轻微打磨焊趾能较大程度避免叠形缺陷的产生 。 冲击处理后采用渗透探伤方法来检测是否存在叠形缺陷 ,再次轻微打磨焊趾可消除叠形缺陷 。

　　图 B.3 超声冲击处理产生的叠形缺陷

　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　超声冲击处理注意事项与安全防护

　　C. 1 超声冲击处理的注意事项

　　C. 1. 1 超声冲击处理后的结构在使用中承受压缩载荷 , 冲击效果会减弱 。

　　C. 1.2 超声冲击处理后的结构在使用中受到高值拉伸载荷作用 , 冲击效果也会减弱 。如在结构承载后再实施超声冲击处理 , 冲击效果会更好 。

　　C. 1.3 超声冲击处理之后 ,建议不再进行像热处理 、热浴镀锌 、预过载等能释放压缩残余应力的措施 。

　　C.2 安全防护

　　C.2. 1 超声冲击过程会产生严重的噪声及金属屑飞溅 ,操作者需要采用护耳用具和眼罩进行保护 。

　　C.2.2 超声冲击枪震动可能会引起身体的不适 , 操作者应佩戴衰减振动的手套 ,建议不要连续长时间工作 。

　　参 考 文 献

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