金屬加工件之殘留應力消除與量測

多種靶材非破壞式的X-ray 應力檢測技術

 

非破壞式的X-ray 應力檢測設備有著方便攜帶且非破壞式的特性，十分適合工地或加工現場應力量測，可經由Debye 環和繞射峰位置直接求得量測點之殘留應力和內部晶體狀態，若Debye 環越接近圓形則材料內部應力和晶粒分布越均勻，反之若呈不規則弧形，則代表有高應力集中之風險，平時檢測時只需在幾個危險區域(如銲道熱影響區或工件應力集中處)抽樣數點量測，即可了解殘留應力大小和分布狀態，也方便判斷是否超出原先之設計規範，和維持加工品在一貫標準。

 

磁彈儀之快速應力集中區量測技術

 

磁彈應力分析儀器，對鐵磁性材料外加一交變磁場，會使材料產生磁化作用。磁化過程中，材料內部磁矩急劇變化將會因磁彈反應而產生巴式噪音訊號(Barkhausen noise)，其單位為磁彈信號值MP，巴式噪音訊號的變化會受到殘留應力或外加應力的影響，因此在可控制的狀況下藉由監測巴式噪音訊號，可對材料的應力狀況加以評估，檢測工件應力分布均勻程度。此儀器之優點是測量速度快，其量測深度可達約0.01〜1mm，且不受工件大小形狀的限制。

 

高速盲孔機之深度應力量測技術

 

盲孔法應力量測儀，是屬於半破壞的應力分析方式，盲孔法就是在工件上鑽一小孔，使被測點的應力得到釋放，並由事先貼在孔位的應變規測得釋放的應變量，再根據彈性力學原理計算出不同深度的殘留應力值。根據彈性力學基本觀念，在垂直於任何自由表面的應力必自動歸零。由此觀點，欲量測試件表面下的殘留應力，我們可經由盲孔法獲得。理由是在試件表面鑽一圓柱形小孔，如果在試件表面具有應力場，那麼在沿著孔壁表面的應力勢必會釋放出來，由此種應力重新分配而產生新的應變，再反應到其釋放出的應力值。

 

獨創高頻波之高效應力消除技術

 

在應力消除技術方面，本團隊開發特殊波型振動法消除殘留應力(vibratory stress relief, VSR)。振動法消除殘留應力，此技術能夠在現場實際操作，不受限於工件體積大小，也不必將各個零組件拆解，可直接在工件上進行消除。至目前為止，美國、德國國防部亦利用此技術測試船體及飛機結構，並發現消除殘留應力效果優異。其原理為利用波形振幅的力量與殘留應力相疊加使材料的內應力超過降服點而造成材料極微小的塑性變形，藉著反覆波動的力量使晶粒滑移而降低材料內部的應變能。此技術已被證明可有效的降低殘留應力、減少工件變形並提高材料強度，並且此技術具有節約能源、無汙染、成本低、高效率、操作方便等優點。本團隊使用之振波為自行開發之特殊高頻波，有別於一般的振動法，經過快速傅立葉轉換FFT，將可分解成主波(頻率較低)與次波(頻率較高)，主波所代表的物理意義為外力(馬達)所造成的振動波，而次波所代表的物理意義為材料自發性所產生的波動，即利用低頻振動激發出次波的最大振幅。本實驗團隊在過去研究中曾採用100 公分×100 公分×6.5 公分，重量750 公斤的碳鋼結構工件，用高頻波振動來進行振動消除殘留應力，以高頻波(48.8Hz)振動30 分鐘後，馬達停止10 分鐘，再振動20 分鐘。振動消除應力結束後，最後進行殘留應力量測，使用實體應力量測之攜帶式X-ray 儀器設備進行殘留應力量測，出現最高應力集中區為銲道處(weld)，且為拉伸應力最高達400MPa，V.S.R 振動應力消除製程之後同位置降至100 ~ 200MPa，而熱影響區(heat affected zone)銲後殘留應力屬於拉伸應力與壓縮應力交變地帶，介於80 ~ -200MPa 之間，但V.S.R 振動應力消除製程之後，可發現應力均往零殘留應力方向發展，至於基材區(substrate)，因不受銲接之影響，且原始殘留應力就不高，故也無殘留應力可消除。綜合結論可得知經VSR 振動應力消除製程後，由殘留應力曲線圖可發現消除效果最佳達86.15%，銲道的高度的應力集中區皆有被消除之效果。

 

同步振動應力消除與組織細化技術

 

在同步振動應力消除與組織優化技術方面，本團隊分別以304不銹鋼與690鎳基超合金為例，證明在金屬凝固過程中施加同步振動，確實有助於改善材料的晶相組織，降低材料應力、減少材料內部氣泡與空隙。