我國(guó)超聲沖擊設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用

近幾年隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，焊接作為金屬材料的主要連接方式被廣泛采用。本世紀(jì)之初在超聲沖擊設(shè)備發(fā)明之初就已經(jīng)引進(jìn)國(guó)內(nèi)，經(jīng)過近二十余年的發(fā)展變革，終于縮短了與發(fā)達(dá)國(guó)家間的差距，已在航空航天、橋梁、起重機(jī)、船舶、機(jī)車車輛、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、軍工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

一般設(shè)計(jì)人員主要考慮的是:焊接接頭的承受靜載能力一般不低于母材，而承受交.變動(dòng)荷載時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材。因此，對(duì)于承受交變動(dòng)荷載的焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生突然斷裂事故，其中90%為疲勞失效。.將超聲波能量運(yùn)用到金屬材料焊接接頭的焊后處理，以達(dá)到消除焊縫殘余應(yīng)力和提高疲勞性能的目的。

1、超聲沖擊技術(shù)原理及設(shè)備

超聲波發(fā)生器產(chǎn)生頻率大于18KHz的振蕩電信號(hào)，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)傳導(dǎo)給換能器將電能轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)能量;最后通過變截面設(shè)計(jì)的變幅桿將振幅放大至50μm。然后把振動(dòng)能量通過各種形式的工具頭傳到被處理焊縫區(qū)域的表面。

2、設(shè)備參數(shù)合理選擇

焊后采用過大的沖擊力反而很可能會(huì)引起新的裂紋，這就是使用風(fēng)鎬之類的大沖擊力低頻設(shè)備的缺陷。設(shè)備參數(shù)包括頻率、振幅、功率。其中:頻率振幅.是設(shè)備所固有的,唯獨(dú)功率是可調(diào)的。沖擊頭可根據(jù)不同接頭形式及熱影響區(qū)寬度合理設(shè)計(jì),原則上直徑越小效果越好。換能器主要由壓電陶瓷片組成,由于近20年功能陶瓷技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷片的各項(xiàng)性能指標(biāo)與進(jìn)口同類產(chǎn)品幾乎沒有差別,完全能夠滿足設(shè)備的使用要求,目前國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷片占據(jù)90%市場(chǎng)份額。對(duì)于壓電陶瓷式設(shè)備功率在150 W-300W之間是最理想狀態(tài)。

3、超聲沖擊在典型焊縫的應(yīng)用

對(duì)焊趾沖擊,消除焊縫近表面的拉應(yīng)力,產(chǎn)生壓應(yīng)力層。以點(diǎn)沖擊接觸,使近表面的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力特征的“面效應(yīng)”型消應(yīng)力工藝。它是以提高焊縫近表面疲勞性能為主要技術(shù)定位的，適用于關(guān)鍵焊縫局部處理。厚板分層焊接的分層沖擊，使整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)具有更好的疲勞性能,同時(shí)可消除因疲勞引起的裂紋。適用于沒有熱處理?xiàng)l件并承受交變動(dòng)荷載的焊接部件。

4、經(jīng)過超聲沖擊處理后的焊縫應(yīng)力測(cè)試被焊母材為16Mn,保護(hù)氣體:80% Ar+20%C02的混合氣體,焊接材料是ER50- 6的中1.2mm焊絲，焊接電流:220-260A,焊縫經(jīng)過充分

的超聲沖擊處理后進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)試，圖3為焊態(tài)的應(yīng)力沿層深方向分布情況;圖4經(jīng)超聲沖擊處理后的應(yīng)力狀態(tài)沿層深方向分布情況。

5、超聲沖擊效果分析

根據(jù)焊縫殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果和應(yīng)力沿層深方向的分布狀態(tài)，可以得到以下效果:焊縫表面下1~2mm的深度范圍內(nèi)產(chǎn)生壓縮性的塑性形變完全消除拉應(yīng)力,并預(yù)制了壓應(yīng)力層;表面下3~5mm的深度范圍內(nèi)消除殘余應(yīng)力70%;表面下6~ 10mm的深度范圍內(nèi)消除殘余應(yīng)力50%。尤其值得關(guān)注的是，經(jīng)超聲沖擊處理后的焊縫表層0.02~0.1mm的深度范圍內(nèi)表層晶粒細(xì)化，硬度和耐蝕性提高了。

6、提高疲勞強(qiáng)度的機(jī)理超聲沖擊是通過改善焊趾幾何形狀，使焊縫表面形成光滑過渡圓弧表層晶粒細(xì)化、消除焊趾表面缺陷以及消除拉應(yīng)力和預(yù)制壓應(yīng)力的綜合作用,提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度,延長(zhǎng)疲勞壽命,防止焊縫開裂。

試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用效果表明，焊縫表面采用超聲沖擊消應(yīng)力處理，對(duì)焊縫表面和表面下10mm 的深度范圍內(nèi)消應(yīng)力效果明顯;超聲沖擊可以改善焊趾幾何形狀,使焊縫表面形成光滑的過渡圓弧、1 ~2mm的表層晶粒細(xì)化并預(yù)制壓應(yīng)力、消除焊趾表面微小缺陷。其綜合作用是提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命,防止焊縫開裂。所以,超聲沖擊屬于“面效應(yīng)"型消應(yīng)力工藝，可提高焊縫疲勞性能，也適用于關(guān)鍵焊縫的局部處理。