T/CSAA 33-2024 激光超声残余应力调控方法 金属材料

ICS 49.025.01
CCS V10/19
团体标准
T/CSAA 33—2024
激光超声残余应力调控方法金属材料
Control method for residual stress by laser ultrasonic— Metallic material
2024-9-26 发布2024-12-1 实施
中国航空学会发布

目录
前言........................................................................................................................................................ III
引言........................................................................................................................................................IV
激光超声残余应力调控方法金属材料.......................................................................................................1
1 范围.............................................................................................................................................................. 1
2 规范性引用文件..........................................................................................................................................1
3 术语和定义.................................................................................................................................................. 1
4 一般要求...................................................................................................................................................... 2
4.1 人员...................................................................................................................................................2
4.2 环境...................................................................................................................................................2
4.3 设备...................................................................................................................................................2
4.4 试样...................................................................................................................................................4
5 工艺参数选择与确定..................................................................................................................................4
6 调控程序...................................................................................................................................................... 5
6.1 调控流程...........................................................................................................................................5
6.2 工艺方案制定...................................................................................................................................5
6.3 工艺验证...........................................................................................................................................5
6.4 调控前准备.......................................................................................................................................6
6.5 调控处理...........................................................................................................................................6
6.6 后续处理...........................................................................................................................................6
6.7 检验...................................................................................................................................................6
7 报告.............................................................................................................................................................. 7
T/CSAA 33-2024
III
前言
本文件附录A 为资料性附录。
本文件依据T/CAS 1.1—2017《团体标准的结构和编写指南》的有关要求编写。
本文件由中国航空学会提出并归口。
本文件起草单位：北京翔博科技股份有限公司、中国航发沈阳发动机研究所、北京卫星制造厂
有限公司、沈阳飞机工业（集团）有限公司、中国船舶集团有限公司第七一九研究所。
本文件起草人：张勇、钱宏斌、耿长建、陈晓龙、杨凯、张斌、王天明、孙国雁、赵军、李旭、
熊景毅、唐敏。
考虑到本文件中的某些条款可能涉及专利，中国航空学会不负责对任何该类专利的鉴别。
本标准首次制定。
T/CSAA 33-2024
IV
引言
激光超声残余应力调控是利用激光诱导的超声波作用于材料内部，驱动材料内部质点运动，使
晶格产生微观塑性变形，从而使零件呈现出对疲劳特性有利的压应力状态，达到残余应力调控效果。
激光超声残余应力调控技术能够将零件的拉应力转化为压应力，形成一定厚度的压应力层，或
者将其初始拉应力降低至合适水平；当零件表面初始为较高的压应力时，通过激光超声调控处理能
够将压应力影响层进一步扩大；工艺参数适当的情况下，在调控残余应力的同时还能够提高零件的
疲劳寿命。
激光超声残余应力调控重点用于对零件局部位置的应力调控，对零件的应力敏感区，如边缘、
焊缝、榫槽、倒角、齿根、轴承滚道等典型局部位置，进行针对性残余应力调控处理，相对于传统
方法能有效提升残余应力调控效果，消除零件失效隐患，从而提高产品的稳定性和可靠性。激光超
声残余应力调控设备使用小能量激光器即可满足工作需求，设备整体能够实现小型化，能够适用于
实验室、车间及现场等多种场景；同时，设备激光光路调整灵活，能够对在役/约束等复杂状态的零
件、复杂/微小结构部位进行调控，广泛适用于钛合金、高温合金、碳钢、不锈钢、铝合金等常见金
属材料。
T/CSAA 33-2024
1
激光超声残余应力调控方法金属材料
1 范围
本文件规定了激光超声残余应力调控的人员、环境、设备、试样、工艺参数选择与确定、调控
程序、报告等方面要求。
本文件适用钛合金、铝合金、高温合金、钢等金属材料零件或试件的残余应力调控。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用
文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)
适用于本文件。
GB/T 7247.1 激光产品的安全第1 部分：设备分类、要求
GB/T 15313 激光术语
GB/T 25712 振动时效工艺参数选择及效果评定方法
GB/T 38811 金属材料残余应力声束控制法
HB/Z 20027 激光冲击处理工艺
3 术语和定义
GB/T 15313、GB/T 25712 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
激光超声残余应力调控control method for residual stress by laser ultrasonic
利用低能量激光诱导的超声波作用于材料内部，驱动材料内部质点运动，使晶格产生微观塑性
变形，使零件呈现出对疲劳特性有利的压应力状态，达到应力调控效果。［来源：GB/T 38811，有
修改］
激光超声残余应力调控技术能够在不破坏表面完整性的前提下，将零件的拉应力转化为压应力，
形成一定厚度的压应力层；能够将零件应力水平由高到低调控到设计要求范围；在适当的工艺参数
情况下，在将拉应力转化为压应力的同时，提高材料的疲劳寿命。
3.2
吸收层ablative medium
粘贴在零件表面，用于吸收激光能量，产生高温高压等离子体，并避免零件烧蚀的工艺辅料。
［来源：HB/Z 20027-2014］
3.3
约束层transparent overlay
T/CSAA 33—2024
2
覆盖在吸收层上，且对激光透明的，约束等离子体膨胀并维持其压力的物质。［来源：HB/Z
20027-2014］
3.4
搭接率overlapped rate
相邻两个斑点中心连线上搭接区域的长度占光斑尺寸的百分比。［来源：HB/Z 20027-2014，有
修改］
3.5
覆盖率coverage rate
调控处理区域内的光斑数量乘以单个光斑面积除以调控区域面积计算所得到的百分比值。对于
在调控区域边界上或边界外的光斑而言，只有在调控区域边界内的部分参与计算覆盖率。［来源：
HB/Z 20027-2014，有修改］
4 一般要求
4.1 人员
试验操作人员应经过相关培训，考核合格后持证上岗。
4.2 环境
4.2.1 环境应保持洁净和良好通风。
4.2.2 设备使用环境温度5℃~35℃，相对湿度小于80%。
4.2.3 实施时现场无大的振动源，噪声不大于85dB。
4.2.4 操作间应安装防激光光束辐射装置，进行现场调控处理时应注意激光的防护。
4.3 设备
4.3.1 设备构成
激光超声残余应力调控设备应能产生稳定、可控的脉冲激光，并能控制零件或激光的精确运动
以覆盖要求的调控处理区域。
图1 激光超声残余应力调控设备的构成和工作示意图
设备一般主要由脉冲激光器、光路系统、控制系统、运动机构、三维测量系统和喷水系统等部
T/CSAA 33-2024
3
分组成，此外在工作时还使用工装和辅助材料。
4.3.2 脉冲激光器
脉冲激光器应能够以特定频率稳定发射脉冲激光，满足GB/T 7247.1 的规定，同时满足以下要
求：
a) 激光最大能量一般不高于1J，能量稳定性小于1.0%；
b) 最高重复频率应不低于2Hz；
c) 激光脉冲宽度宜在5ns~20ns 范围内；
d) 能量分布宜为平顶空间分布模式。
4.3.3 光路系统
光路系统用于实现脉冲激光从激光器至试样表面的传导，应满足以下要求：
a) 光路系统设计应避免在传输过程中发生聚焦；
b) 宜具备激光光斑大小调节功能，光斑大小调节范围应覆盖1mm~4mm 范围；
c) 宜具备激光光斑形状（如圆形和方形）切换功能。
4.3.4 控制系统
控制系统应满足以下要求：
a) 应能够实现激光器、光路系统、三维测量系统以及运动机构的联动控制；
b) 能够根据样品三维形貌测量结果实现光斑路径规划。
4.3.5 运动机构
运动机构是实现激光光束和零件相对运动的执行机构，应满足以下要求：
a) 能够设定激光入射角度、激光光斑在试样上运动的路径和速率，保证激光光斑按照指定搭
接率运动覆盖试样整个调控区域；
b) 激光光斑位置控制精度应不低于光斑尺寸的1/10 或者0.1mm 两者中较小者。
4.3.6 三维测量系统
三维测量系统用于测量获取试样待调控区域的三维形貌，其获取的数据输入到控制系统并进行
分析，以实现激光路径规划。
4.3.7 喷水系统
喷水系统用于在试样上形成一定厚度且持续、稳定的水膜约束层，宜具备水压和流量调节功能。
4.3.8 工装
零件或试件应使用必要的工装稳定装夹在工作台上。
工装设计应考虑激光路径与零件的结构干涉、激光的反射、吸收层/约束层的可实现性等。
4.3.9 辅助材料
辅助材料主要包括吸收层、约束层等激光超声残余应力调控处理时所使用的材料。
a) 吸收层的材质不应对零件造成污染，一般使用铝箔胶带，常用厚度为0.05mm~0.2mm，也
可使用深色漆料等涂覆物，部分工艺条件下也可不使用吸收层。
b) 约束层通常为水，使用自动喷水系统在调控区域形成持续的水膜，也可使用其它透明固体
T/CSAA 33—2024
4
类材质。
4.4 试样
激光超声残余应力调控的试样一般为各种金属材料制成的零件或者试件，待调控的零件或试件
表面不应有刀痕、划痕或其他缺陷。
5 工艺参数选择与确定
根据试样的结构、材质和残余应力调控技术要求，确定激光超声调控中激光束入射角度、激光
的能量和重复频率、光斑的形状和尺寸、搭接率、吸收层的材质和厚度等方面的参数条件。
工艺参数确定的主要原则如下：
a) 激光束应尽量与试样被调控区域的表面相垂直，与零件表面法线夹角一般不大于15°。当
因零件结构限制而使激光束只能斜入射时，激光束与试样表面法线的夹角不宜大于60°，
同时应根据激光束的实际入射角度重新进行激光参数的设计和确定。
b) 激光能量的选择由试样的材质、激光器的脉冲宽度、光斑大小、吸收层和约束层的厚度共
同确定，通常根据残余应力调控的技术要求，使用试验试件进行激光超声残余应力调控参
数试验来具体确定，试验时宜从小到大选择激光光斑的能量密度。试验试件一般采用平板
试件或者模拟件，平板试件尺寸规格建议为50mm×50mm×5mm，其他技术状态应与待调
控零件相同。
c) 激光重复频率由所用的约束层和激光的能量参数决定，应保证能够获得稳定一致的调控效
果。当使用水膜作为约束层时，激光重复频率的选择应考虑等离子体爆炸所激起的水雾对
激光束穿透效果的影响，以及爆炸后水膜再次形成的速度。使用其他约束层以及不使用约
束层时，激光重复频率可使用千赫兹量级。
d) 使用圆形激光光斑时，优先使用50%搭接率，建议搭接率范围为（50±15）%；使用方形光
斑时，建议使用的搭接率范围为（15±5）%。
表1 激光超声残余应力调控主要参数推荐范围
序号参数项目推荐参数范围
1 激光能量≤1J
2 激光脉冲宽度5ns~20ns
3 激光重复频率
水约束层：通常采用1Hz~10Hz；
无约束层或其他约束层：高至千赫兹量级
4 光斑大小1mm~4mm
5 吸收层厚度
采用铝箔胶带或其他深色漆料等涂覆物时厚度一般为0.05mm~0.2mm；
部分工艺条件下也可不使用吸收层
6 约束层厚度
水约束层：通常为1mm~2mm；
部分激光工艺参数下可至数十毫米，或者不使用约束层
7 搭接率圆形光斑：(50±15)%；方形光斑：(15±5)%
8 覆盖率一般100%以上
T/CSAA 33-2024
5
6 调控程序
6.1 调控流程
激光超声残余应力调控主要包括以下步骤：工艺方案制定确定（见第6.2 条）、工艺验证（见
第6.3 条）、调控前准备（见第6.4 条）、调控处理（见第6.5 条）、后续处理（见第6.6 条）、检
验（见第6.7 条）、报告（见第7 章）。
调控流程如图2 所示。
图2 激光超声残余应力调控流程图
6.2 工艺方案制定
6.2.1 确定试样激光超声残余应力调控的目标或技术要求。
6.2.2 按照第5 章的要求确定试样激光超声残余应力调控的工艺参数，包括光斑形状和大小、激光能
量、吸收层和约束层、激光重复频率、搭接率。
6.2.3 针对具体调控区域的位置形状、光斑形状和大小、搭接率，规划激光光斑运动路径和速率。
6.3 工艺验证
6.3.1 准备与待调控试样相同材质及技术状态的试件作为验证试件，验证试件长宽尺寸规格推荐为
50mm×50mm，厚度与待调控试样相同或者最大取至5mm。
6.3.2 按照6.2 确定的激光超声调控工艺参数进行调控。
6.3.3 测试调控处理后试件的残余应力等质量参数，验证激光超声调控工艺参数的有效性和稳定性。
6.3.4 如工艺验证未通过，则应按第5 章和第6.2 节的要求重新制定工艺方案并验证。
[6.5] 调控处理
[6.6] 后续处理
[7] 报告
[6.3] 工艺验证
未通过
开始
结束
通过
[6.2] 工艺方案制
定
[5] 工艺参数选择与确定
[6.4] 调控前准备
[6.4.5] 布置约束层
[6.4.1] 试样准备
[6.4.3] 布置吸收层
[6.4.4] 装夹
[6.4.2] 初始残余应力
检测
[6.7] 检验
不合格
合格
T/CSAA 33—2024
6
6.4 调控前准备
6.4.1 试样准备
确认试样满足激光超声残余应力调控的质量要求。
标识调控区域，进行表面清理。
6.4.2 初始残余应力检测
对试样进行调控前状态的残余应力检测，了解试样各部位的残余应力大小和分布。
6.4.3 布置吸收层
a) 选择合适厚度的吸收层，以保证在调控处理时不发生破损，同时宜尽量避免多层吸收层覆
盖粘贴；
b) 吸收层粘贴或涂覆区域应超过调控边界5mm 以上；
c) 当调控区域包括零件型面边缘时，其两侧均应粘贴或涂覆吸收层；
d) 必要时在布置吸收层前对零件进行加热等预处理，以增加吸收层和零件表面的粘合力；
e) 部分激光工艺参数下也可不使用吸收层。
6.4.4 装夹
a) 装夹应保证零件的完整性和刚度，避免零件在调控处理时发生颤动；
b) 当装夹覆盖了部分待调控区域时，应对调控区域进行分区，分次装夹并完成调控。
6.4.5 布置约束层
a) 推荐使用流动的去离子水作为约束层，可采用扁平水喷头喷水的形式实现。在允许的情况
下，优先采用自上而下的流动方式，水流在强化位置形成平整的流动水膜。调节水喷头位
置、水流压力，，确保任何强化区域的水膜平整，没有紊流、气泡等影响光束尺寸和激光
束穿透效果。水膜厚度通常为1mm~2mm，部分激光工艺参数下可至数十毫米。
b) 使用其它透明固体类材质作为约束层时，通常在装夹进行前完成布置。
6.5 调控处理
6.5.1 按照第5 章确定的工艺参数设置激光器及其他参数。
6.5.2 根据6.2 确定的调控区域范围和激光光斑运动方案，在运动机构上进行设置。
6.5.3 开始调控前，检查确认水约束层平稳。
6.5.4 启动运动机构和激光，保证两者之间的协同运作，开始进行调控处理。
6.5.5 调控处理应在全程监视下进行，时刻关注吸收层状态，如出现破损或者吸收能量异常等现象应
及时停止，排查后重新粘贴吸收层，从中断位置点重新进行调控。
6.6 后续处理
6.6.1 将完成调控的零件或试件从工装上取下。
6.6.2 清理吸收层。
6.7 检验
6.7.1 覆盖情况检查
对调控后的吸收层、试样表面以及调控工艺记录等进行检查，确定调控区域完全覆盖，如出现
未完全覆盖的情况，应对该区域进行补充调控。
T/CSAA 33-2024
7
6.7.2 残余应力检测
6.7.2.1 对批次零件的首件或者指定抽样对象进行调控后的残余应力检测，按调控处理前确定的要求
判定调控工艺是否达到预期残余应力调控效果。
6.7.2.2 检测方法可使用X 射线法、激光超声法、超声波法或钻孔法等，根据技术文件要求进行选择。
6.7.2.3 检测应覆盖零件被调控的各个区域，每个区域应布置宜不少于5 个测点；同批次选择多件样
品进行检测时，总检测点数不少于5 个。
6.7.2.4 需要时检测应力沿深度的分布情况，以判断残余应力调控作用的深度范围。
6.7.2.5 如出现调控效果不达标的情况，应对设备、工艺参数及实施过程进行排查和分析；根据第7
章制定补充调控处理方案，对试样进行再次调控。
7 报告
在激光超声残余应力调控过程中记录相关工作参数，生成相应的试验报告，报告宜包括如下内
容：
a) 试样的名称、编号、材质、工艺状态等；
b) 调控的时间、地点、操作人员；
c) 残余应力调控的区域；
d) 激光的能量密度或功率密度；
e) 激光的光斑大小、搭接率、覆盖率；
f) 检验的结果。