金属构件内部残余应力是影响尺寸稳定性、疲劳寿命与服役安全的关键因素。高铁车轮、薄规格高强钢等高端制造领域，因残余应力分布不均导致的变形、开裂问题尤为突出，亟需精准检测与智能调控技术。

当前瓶颈有三：一是无损检测维度单一、精度不足，超声检测有潜力但国内外设备难以同步获取应力梯度与微观结构；二是薄规格高强钢内应力调控依赖热时效、振动法等能耗高、效果不稳的方式，缺乏闭环反馈模型；三是高铁车轮等复杂构件仍依赖进口检测设备与经验性调控，未形成一体化智能闭环系统。

本项目以超声无损检测与高能声束调控为核心，研制多维度协同超声检测系统，实现应力梯度与微观结构原位同步检测，精度优于国外同类；开发薄规格高强钢内应力闭环调控技术，建立全流程关联模型；构建高铁车轮残余应力智能闭环调控系统，实现定向均化与全过程可追溯管控。技术在武钢、马钢交材规模化应用，显著提升成形精度与应力均化度，打破国外垄断，推动行业向数据驱动、智能调控转型。

本项目构建了集检测、控制与消减于一体的超声内应力闭环技术体系，以下分述各子系统。

残余应力检测系统由超声检测单元、高速数据采集与处理单元、智能评级单元及辅助配套单元构成。切向应力检测采用0.5~15MHz变频临界折射纵波技术，通过柔性探头以第一临界角激发LCR波，依据声时差反演切向应力，检测深度1~20mm，不确定度优于3%。法向应力检测采用纵波（0.5~5MHz）与横波耦合的体波方案，联立方程消除厚度影响，独立求解法向应力，检测深度20~500mm，不确定度优于5%。

核心算法层面，系统突破传统依赖单一"声时差"参数的应力反演模式，创新引入"时域能量—峰度—飞行时间"三重特征协同感知与智能融合机制。实验表明三者对应力变化的敏感性排序为：时域能量＞峰度＞声时差，分别从能量强度、统计分布与传播速度等不同物理维度表征应力状态。系统基于Kolmogorov–Arnold网络构建多特征非线性融合模型，能够从复杂混合波形中精准分离并反演出应力及多种微观参量，显著提升检测准确性与鲁棒性。

系统集成方面，探头激励由可调高压脉冲电路驱动，接收信号由高速采集卡同步采集。内置温度、晶粒度、曲率及表面状态补偿模型，最终输出应力分布信息。单点检测≤2秒，分辨力为5Mpa，不确定度优于3%，适配0℃~45℃工业环境，可通过接口与MES实时联动，技术性能达到国际领先水平。

内应力控制系统针对针对薄规格高强钢加工变形难题，本系统是深度集成于轧制产线的“在线检测-工艺优化”智能闭环反馈体系。由在线超声检测模块、智能决策模块、工艺执行模块及验证模块构成。系统对轧后或退火钢板进行全幅面应力扫描，智能决策中心根据应力分布图及用户精度需求，调用“应力-变形-工艺”关联模型，计算最优工艺参数集，实时调整压下量、冷却路径、卷取张力或退火温度等参数，形成“检测-分析-调控-再检测”闭环。该模型建立了残余应力特征与加工变形量的定量映射，实现靶向调控。应用后，直线度极差≤1mm，圆弧半径极差≤1mm，翘曲变形量≤0.5mm，达国际先进水平，已在武钢产线部署。

针对高铁车轮等复杂构件，在常温下实现残余应力定向消减与均化，通过频率10~30kHz聚焦声波促进位错运动释放应力。对规则构件单次应力改变率≥30%，应力均化度≥60%，材料力学性能保留率≥95%，达国际先进水平。

3.1项目主要研究工作

本项目的研究工作紧密结合行业龙头企业的实际生产瓶颈，通过产学研深度融合，将原创的超声检测与调控技术进行工程化、场景化落地。其中，最具代表性的两项应用实践分别围绕武汉钢铁有限公司的薄板内应力控制，以及宝武集团马钢轨交材料科技股份有限公司（马钢交材）的高铁车轮残余应力调控展开。这两项工作均实现了从实验室技术到规模化工业应用的跨越，并推动了企业质量控制模式的根本性变革。

1. 武汉钢铁有限公司

针对薄规格高强钢内应力致加工变形难题，将多维超声检测系统集成于轧后/退火产线，实现全幅面在线应力扫描。基于海量应力数据与用户失效案例，建立国内首个“残余应力特征—加工变形量—全流程工艺参数”定量关联模型，实现根据实时应力“体检报告”逆向推导并动态调整轧制规程、冷却策略或退火窗口，从源头靶向调控内应力，将管控模式从离线抽检变革为在线全检、模型优化。

2. 宝武集团马钢轨交材料科技股份有限公司

针对高铁车轮复杂曲面“测不全、控不精”难题，研发柔性自适应超声耦合探头与多通道高能声束定向聚焦调控器，攻克信号稳定获取与能量均匀导入瓶颈。集成检测、评级、调控、复验四大模块，开发基于实时应力图谱的智能决策算法，自动识别超标区域、匹配参数、执行均化并复验，形成“感知-决策-执行-验证”数字闭环。经长期验证，系统稳定运行，实现高铁车轮残余应力管理从人工经验到全自动在线闭环的根本性跨越。

3.2 项目应用效果

1. 武汉钢铁有限公司薄板内应力控制应用效果

2023年系统在武钢薄规格高强钢（厚度≤2mm）产线投用，实现切向与法向应力、弹性模量、位错密度同步检测，按“优质—合格—待调控—报废”智能分级，超标板卷自动触发工艺优化与调控，形成闭环管理。加工精度达国际顶尖：直线度极差≤1mm、挠度极差≤2mm、翘曲变形量≤0.5mm，与SSAB相当。通过应力数据与工艺实时联动，实现模型驱动优化，提升成材率，降低质量损失，为新能源、高端装备提供高精度材料。

2. 马钢交材高铁车轮残余应力调控应用效果

2022年起系统在高速车轮产线集成应用，对轮辋、辐板等实现切向（1~20mm）与法向（20~500mm）同步检测，不确定度分别优于3%与5%。自动评级后对“待调控”车轮进行多通道高能声束定向自适应调控，应力均化度≥60%，力学性能保留率≥95%。车轮应力均匀性达国际领先，产品已安全服役超60万公里，时速350公里。闭环管控使内部质量报废率降低超40%，售后异议成本下降约65%，有力支撑“复兴号”自主化，形成可推广范式。

3.3 经济效益分析

本项目在武钢与马钢交材产生显著直接效益。武钢方面，2023-2025年累计降本7,884.55万元，2024-2025年新增销售额9,897.65万元、利润1,121.99万元、税收1,286.69万元。马钢交材方面，报废率降低超40%，异议成本降低约65%，2023-2025年新增销售额33,969.3万元、利润11,744.4万元、税收1,526.7万元。近三年累计新增销售额约4.39亿元，投资回报卓越。

3.4 社会效益

项目打破国外技术垄断，推动钢铁行业智能化精准化转型。在武钢，解决了长期加工变形难题，实现从“制造”向“制造-服务”融合，为国内钢企提供可复制路径。在马钢交材，高铁车轮残余应力闭环管控自主化，保障国家高铁产业链战略安全，产品应用于“复兴号”动车组，助力高铁“走出去”。项目标志着我国重大装备关键构件精准智造与全生命周期管控达到国际先进水平，社会效益重大。