激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控方法 金屬材料（征求意見稿）

1T/CSAA2X-2024激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控方法金屬材料本標準規(guī)定了激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控的人員、環(huán)境、設(shè)備、試樣、工藝參數(shù)選擇與確定、調(diào)控程序、報告等方面要求。本標準適用各種金屬材料零件或試件的殘余應(yīng)力調(diào)控。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB7247.1激光產(chǎn)品的安全第1部分：設(shè)備分類、要求GB/T15313激光術(shù)語3術(shù)語和定義GB/T15313界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控controlmethodforresidualstressbylaserultrasonic利用低能量激光誘導(dǎo)的超聲波作用于材料內(nèi)部，驅(qū)動材料內(nèi)部質(zhì)點運動，使晶格產(chǎn)生微觀塑性變形，使零件呈現(xiàn)出對疲勞特性有利的壓應(yīng)力狀態(tài)，達到應(yīng)力調(diào)控效果。［來源：GB/T38811，有修改］激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)能夠在不破壞表面完整性的前提下，將零件的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，形成一定厚度的壓應(yīng)力層；能夠?qū)⒘慵?yīng)力水平由高到低調(diào)控到設(shè)計要求范圍；在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)情況下，在將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力的同時，提高材料的疲勞壽命。3.2吸收層ablativemedium粘貼在零件表面，用于吸收激光能量，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，并避免零件燒蝕的工藝輔料。［來源：HB/Z20027-2014］3.3約束層transparentoverlay覆蓋在吸收層上，且對激光透明的，約束等離子體膨脹并維持其壓力的物質(zhì)。［來源：HB/Z20027-2014］3.42T/CSAAXX-2024搭接率overlappedrate相鄰兩個斑點中心連線上搭接區(qū)域的長度占光斑尺寸的百分比。［來源：HB/Z20027-2014，有修改］3.5覆蓋率coveragerate調(diào)控處理區(qū)域內(nèi)的光斑數(shù)量乘以單個光斑面積除以調(diào)控區(qū)域面積計算所得到的百分比值。對于在調(diào)控區(qū)域邊界上或邊界外的光斑而言，只有在調(diào)控區(qū)域邊界內(nèi)的部分參與計算覆蓋率。［來源：HB/Z20027-2014，有修改］4一般要求4.1人員操作人員應(yīng)經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)，考核合格后持證上崗。有關(guān)激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控作用意義參見附錄A。4.2環(huán)境4.2.1操作環(huán)境應(yīng)保持潔凈和良好通風(fēng)。4.2.2設(shè)備使用環(huán)境溫度為：5℃~35℃,相對濕度小于80%。4.2.3實施時現(xiàn)場無大的振動源，噪聲不大于85dB。4.2.4操作間應(yīng)安裝防激光光束輻射裝置，進行現(xiàn)場調(diào)控處理時應(yīng)注意激光的防護。4.3設(shè)備4.3.1設(shè)備構(gòu)成激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控設(shè)備應(yīng)能產(chǎn)生穩(wěn)定、可控的脈沖激光，并能控制零件或激光的精確運動以覆蓋要求的調(diào)控處理區(qū)域。典型構(gòu)成及工作示意見圖1。設(shè)備一般主要由脈沖激光器、光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運動機構(gòu)、三維測量系統(tǒng)和噴水系統(tǒng)等部分組成，此外在工作時還使用工裝和輔助材料。4.3.2脈沖激光器3T/CSAA2X-2024脈沖激光器應(yīng)能夠以特定頻率穩(wěn)定發(fā)射脈沖激光，滿足GB7247.1的規(guī)定，同時滿足以下要求：a)激光最大能量不高于1J，能量穩(wěn)定性小于1.0%；b)最高重復(fù)頻率應(yīng)不低于2Hz；c)激光脈沖寬度宜在5ns~20ns范圍內(nèi)；d)能量分布宜為平頂空間分布模式。4.3.3光路系統(tǒng)光路系統(tǒng)用于實現(xiàn)脈沖激光從激光器至試樣表面的傳導(dǎo)，應(yīng)滿足以下要求：a)光路系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)避免在傳輸過程中發(fā)生聚焦；b)宜具備激光光斑大小調(diào)節(jié)功能，光斑大小調(diào)節(jié)范圍應(yīng)覆蓋1mm~4mm范圍；c)宜具備激光光斑形狀（如圓形和方形）切換功能。4.3.4控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：a)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)激光器、光路系統(tǒng)、三維測量系統(tǒng)以及運動機構(gòu)的聯(lián)動控制；b)能夠根據(jù)樣品三維形貌測量結(jié)果實現(xiàn)光斑路徑規(guī)劃。4.3.5運動機構(gòu)運動機構(gòu)是實現(xiàn)激光光束和零件相對運動的執(zhí)行機構(gòu)，應(yīng)滿足以下要求：a)能夠設(shè)定激光入射角度、激光光斑在試樣上運動的路徑和速率，保證激光光斑按照指定搭接率運動覆蓋試樣整個調(diào)控區(qū)域；b)激光光斑位置控制精度應(yīng)不低于光斑尺寸的1/10或者0.1mm兩者中較小者。4.3.6三維測量系統(tǒng)三維測量系統(tǒng)用于測量獲取試樣待調(diào)控區(qū)域的三維形貌，其獲取的數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)并進行分析，以實現(xiàn)激光路徑規(guī)劃。4.3.7噴水系統(tǒng)噴水系統(tǒng)用于在試樣上形成一定厚度且持續(xù)、穩(wěn)定的水膜約束層，宜具備水壓和流量調(diào)節(jié)功能。4.3.8工裝零件或試件應(yīng)使用必要的工裝穩(wěn)定裝夾在工作臺上。工裝設(shè)計應(yīng)考慮激光路徑與零件的結(jié)構(gòu)干涉、激光的反射、吸收層/約束層的可實現(xiàn)性等。4.3.9輔助材料輔助材料主要包括吸收層、約束層等激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控處理時所使用的材料。a)吸收層的材質(zhì)不應(yīng)對零件造成污染，一般使用鋁箔膠帶，常用厚度為0.05mm~0.2mm，也可使用深色漆料等涂覆物，部分工藝條件下也可不使用吸收層；b)約束層通常為水，使用自動噴水系統(tǒng)在調(diào)控區(qū)域形成持續(xù)的水膜，也可使用其它透明固體類材質(zhì)。4.4試樣激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控的試樣一般為各種金屬材料制成的零件或試件，待調(diào)控的零件或試件表面不應(yīng)有刀痕、劃痕或其他缺陷。T/CSAAXX-20245工藝參數(shù)選擇與確定根據(jù)試樣的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)要求，確定激光超聲調(diào)控中激光束入射角度、激光的能量和重復(fù)頻率、光斑的形狀和尺寸、搭接率、吸收層的材質(zhì)和厚度等方面的參數(shù)條件，推薦參數(shù)范圍見表1。工藝參數(shù)確定的主要原則如下：a)激光束應(yīng)與試樣被調(diào)控區(qū)域的表面相垂直，與零件表面法線夾角一般不大于5°。當(dāng)因零件結(jié)構(gòu)限制而使激光束只能斜入射時，激光束與試樣表面法線的夾角不宜大于60°,同時應(yīng)根據(jù)激光束的實際入射角度重新進行激光參數(shù)的設(shè)計和確定。b)激光能量的選擇由試樣的材質(zhì)、激光器的脈沖寬度、光斑大小、吸收層和約束層的厚度共同確定，通常根據(jù)殘余應(yīng)力調(diào)控的技術(shù)要求，使用試驗試件進行激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控參數(shù)試驗來具體確定，試驗時宜從小到大選擇激光光斑的能量密度。試驗試件一般采用平板試件或者模擬件，平板試件尺寸規(guī)格建議為50mm×50mm×5mm，其他技術(shù)狀態(tài)應(yīng)與待調(diào)控零件相同。c)激光重復(fù)頻率由所用的約束層和激光的能量參數(shù)決定，應(yīng)保證能夠獲得穩(wěn)定一致的調(diào)控效果。當(dāng)使用水膜作為約束層時，激光重復(fù)頻率的選擇應(yīng)考慮等離子體爆炸所激起的水霧對激光束穿透效果的影響，以及爆炸后水膜再次形成的速度。使用其他約束層以及不使用約束層時，激光重復(fù)頻率可使用千赫茲量級。d)使用圓形激光光斑時，優(yōu)先使用50%搭接率，建議搭接率范圍為（50±15）%；使用方形光斑時，建議使用的搭接率范圍為（15±5）%。123456786調(diào)控程序6.1調(diào)控流程激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控流程如圖2所示。主要包括以下步驟：工藝方案制定確定（見第6.2條）、工藝驗證（見第6.3條）、調(diào)控前準備（見第6.4條）、調(diào)控處理（見第6.5條）、后續(xù)處理（見第6.6條）、檢驗（見第6.7條）、報告（見第7章）。45T/CSAA2X-20246.2工藝方案制定6.2.1按照第5章的要求確定試樣激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控的工藝參數(shù)，包括光斑形狀和大小、激光能量、吸收層和約束層、激光重復(fù)頻率、搭接率。6.2.2針對具體調(diào)控區(qū)域的位置形狀、光斑形狀和大小、搭接率，規(guī)劃激光光斑運動路徑和速率。6.3工藝驗證6.3.1準備與待調(diào)控試樣相同材質(zhì)及技術(shù)狀態(tài)的試件作為驗證試件，驗證試件長寬尺寸規(guī)格推薦為50mm×50mm，厚度與待調(diào)控試樣相同或者最大取至5mm。6.3.2按照6.2確定的激光超聲調(diào)控工藝參數(shù)進行調(diào)控。6.3.3測試調(diào)控處理后試件的殘余應(yīng)力等質(zhì)量參數(shù)，驗證激光超聲調(diào)控工藝參數(shù)的有效性和穩(wěn)定性。6.3.4如工藝驗證未通過，則應(yīng)按第5章和第6.2節(jié)的要求重新制定工藝方案并驗證。6.4調(diào)控前準備6.4.1試樣準備確認試樣滿足激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控的質(zhì)量要求。標識調(diào)控區(qū)域，進行表面清理。6.4.2初始殘余應(yīng)力檢測對試樣進行調(diào)控前狀態(tài)的殘余應(yīng)力檢測，了解試樣各部位的殘余應(yīng)力大小和分布。6T/CSAAXX-20246.4.3布置吸收層按以下要求布置吸收層：a)選擇合適厚度的吸收層，以保證在調(diào)控處理時不發(fā)生破損，同時宜盡量避免多層吸收層覆蓋粘貼；b)吸收層粘貼或涂覆區(qū)域應(yīng)超過調(diào)控邊界5mm以上；c)當(dāng)調(diào)控區(qū)域包括零件型面邊緣時，其兩側(cè)均應(yīng)粘貼或涂覆吸收層；d)必要時在布置吸收層前對零件進行加熱等預(yù)處理，以增加吸收層和零件表面的粘合力；e)部分激光工藝參數(shù)下也可不使用吸收層。6.4.4裝夾按以下要求及進行裝夾：a)裝夾應(yīng)保證零件的完整性和剛度，避免零件在調(diào)控處理時發(fā)生顫動；b)當(dāng)裝夾覆蓋了部分待調(diào)控區(qū)域時，應(yīng)對調(diào)控區(qū)域進行分區(qū)，分次裝夾并完成調(diào)控。6.4.5布置約束層按以下要求布置約束層：a)宜使用流動的去離子水作為約束層，可采用扁平水噴頭噴水的形式實現(xiàn)。在允許的情況下，優(yōu)先采用自上而下的流動方式，水流在強化位置形成平整的流動水膜。調(diào)節(jié)水噴頭位置、水流壓力，，確保任何強化區(qū)域的水膜平整，沒有紊流、氣泡等影響光束尺寸和激光束穿透效果。水膜厚度通常為1mm~2mm，部分激光工藝參數(shù)下可至數(shù)十毫米。b)使用其它透明固體類材質(zhì)作為約束層時，通常在裝夾進行前完成布置。6.5調(diào)控處理6.5.1按照第5章確定的工藝參數(shù)設(shè)置激光器及其他參數(shù)。6.5.2根據(jù)6.2確定的調(diào)控區(qū)域范圍和激光光斑運動方案，在運動機構(gòu)上進行設(shè)置。6.5.3開始調(diào)控前，檢查確認水約束層平穩(wěn)。6.5.4啟動運動機構(gòu)和激光，保證兩者之間的協(xié)同運作，開始進行調(diào)控處理。6.5.5調(diào)控處理應(yīng)在全程監(jiān)視下進行，時刻關(guān)注吸收層狀態(tài)，如出現(xiàn)破損或者吸收能量異常等現(xiàn)象應(yīng)及時停止，排查后重新粘貼吸收層，從中斷位置點重新進行調(diào)控。6.6后續(xù)處理6.6.1將完成調(diào)控的零件或試件從工裝上取下。6.6.2清理吸收層。6.7檢驗6.7.1覆蓋情況檢查對調(diào)控后的吸收層、試樣表面以及調(diào)控工藝記錄等進行檢查，確定調(diào)控區(qū)域完全覆蓋，如出現(xiàn)未完全覆蓋的情況，應(yīng)對該區(qū)域進行補充調(diào)控。6.7.2殘余應(yīng)力檢測6.7.2.1對批次零件的首件或者指定抽樣對象進行調(diào)控后的殘余應(yīng)力檢測，按調(diào)控處理前確定的要求判定調(diào)控工藝是否達到預(yù)期殘余應(yīng)力調(diào)控效果。6.7.2.2檢測方法可使用X射線法、激光超聲法、超聲波法或鉆孔法等，根據(jù)技術(shù)文件要求進行選擇。6.7.2.3檢測應(yīng)覆蓋零件被調(diào)控的各個區(qū)域，每個區(qū)域應(yīng)布置宜不少于5個測點；同批次選擇多件樣7T/CSAA2X-2024品進行檢測時，總檢測點數(shù)不少于5個。6.7.2.4需要時檢測應(yīng)力沿深度的分布情況，以判斷殘余應(yīng)力調(diào)控作用的深度范圍。6.7.2.5如出現(xiàn)調(diào)控效果不達標的情況，應(yīng)對設(shè)備、工藝參數(shù)及實施過程進行排查和分析；根據(jù)第5、6章制定補充調(diào)控處理方案，對試樣進行再次調(diào)控。7報告在激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控過程中記錄相關(guān)工作參數(shù)，生成相應(yīng)的試驗報告，報告應(yīng)包括如下內(nèi)a)試樣的名稱、編號、材質(zhì)、工藝狀態(tài)等；b)調(diào)控的時間、地點、操作人員；c)殘余應(yīng)力調(diào)控的區(qū)域；d)激光的能量密度或功率密度；e)激光的光斑大小、搭接率、覆蓋率；f)檢驗的結(jié)果。8T/CSAA2X-2024（資料性附錄）激光超聲殘余應(yīng)力調(diào)控的作用和意義疲勞、斷裂、變形是高端裝備常見的失效形式，通常與其應(yīng)力水平和分布狀態(tài)有著密切的聯(lián)系。國內(nèi)外相關(guān)研究表明，近表層應(yīng)力水平和疲勞壽命息息相關(guān)，內(nèi)部應(yīng)力又決定了零部件的尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)力是零部件的關(guān)鍵健壯度指標已成為業(yè)界共識。對零件進行殘余應(yīng)力調(diào)控是消除殘余應(yīng)力危害、提升產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性的重要途徑。常規(guī)的消除應(yīng)力工藝如熱時效、自然時效和振動時效等工藝均是對零件整體進行調(diào)控，難以聚焦至局部重點關(guān)注部位，常難以達到理想的殘余應(yīng)力調(diào)控效果。而零件失效往往起源或發(fā)生于載荷