我國超聲沖擊設備的發(fā)展和應用

近幾年隨著我國經(jīng)濟建設的加快，焊接作為金屬材料的主要連接方式被廣泛采用。本世紀之初在超聲沖擊設備發(fā)明之初就已經(jīng)引進國內(nèi)，經(jīng)過近二十余年的發(fā)展變革，終于縮短了與發(fā)達國家間的差距，已在航空航天、橋梁、起重機、船舶、機車車輛、工程機械、礦山機械、軍工領域廣泛應用。

一般設計人員主要考慮的是:焊接接頭的承受靜載能力一般不低于母材，而承受交.變動荷載時，其承受能力卻遠遠低于母材。因此，對于承受交變動荷載的焊接結構，經(jīng)常會發(fā)生突然斷裂事故，其中90%為疲勞失效。.將超聲波能量運用到金屬材料焊接接頭的焊后處理，以達到消除焊縫殘余應力和提高疲勞性能的目的。

1、超聲沖擊技術原理及設備

超聲波發(fā)生器產(chǎn)生頻率大于18KHz的振蕩電信號，通過適當?shù)慕Y構傳導給換能器將電能轉換為同頻率的機械振動能量;最后通過變截面設計的變幅桿將振幅放大至50μm。然后把振動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、設備參數(shù)合理選擇

焊后采用過大的沖擊力反而很可能會引起新的裂紋，這就是使用風鎬之類的大沖擊力低頻設備的缺陷。設備參數(shù)包括頻率、振幅、功率。其中:頻率振幅.是設備所固有的,唯獨功率是可調(diào)的。沖擊頭可根據(jù)不同接頭形式及熱影響區(qū)寬度合理設計,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年功能陶瓷技術的發(fā)展，國產(chǎn)壓電陶瓷片的各項性能指標與進口同類產(chǎn)品幾乎沒有差別,完全能夠滿足設備的使用要求,目前國產(chǎn)壓電陶瓷片占據(jù)90%市場份額。對于壓電陶瓷式設備功率在150 W-300W之間是最理想狀態(tài)。

3、超聲沖擊在典型焊縫的應用

對焊趾沖擊,消除焊縫近表面的拉應力,產(chǎn)生壓應力層。以點沖擊接觸,使近表面的拉應力變?yōu)閴簯�力特征的“面效應”型消應力工藝。它是以提高焊縫近表面疲勞性能為主要技術定位的，適用于關鍵焊縫局部處理。厚板分層焊接的分層沖擊，使整個焊接結構具有更好的疲勞性能,同時可消除因疲勞引起的裂紋。適用于沒有熱處理條件并承受交變動荷載的焊接部件。

4、經(jīng)過超聲沖擊處理后的焊縫應力測試被焊母材為16Mn,保護氣體: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行表面殘余應力測試，圖3為焊態(tài)的應力沿層深方向分布情況;圖4經(jīng)超聲沖擊處理后的應力狀態(tài)沿層深方向分布情況。

5、超聲沖擊效果分析

根據(jù)焊縫殘余應力的測試結果和應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力,并預制了壓應力層;表面下3~5mm的深度范圍內(nèi)消除殘余應力70%;表面下6~ 10mm的深度范圍內(nèi)消除殘余應力50%。尤其值得關注的是，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)表層晶粒細化，硬度和耐蝕性提高了。

6、提高疲勞強度的機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化、消除焊趾表面缺陷以及消除拉應力和預制壓應力的綜合作用,提高了焊接接頭的疲勞強度,延長疲勞壽命,防止焊縫開裂。

試驗結果和實際應用效果表明，焊縫表面采用超聲沖擊消應力處理，對焊縫表面和表面下10mm 的深度范圍內(nèi)消應力效果明顯;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的表層晶粒細化并預制壓應力、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度，延長疲勞壽命,防止焊縫開裂。所以,超聲沖擊屬于“面效應"型消應力工藝，可提高焊縫疲勞性能，也適用于關鍵焊縫的局部處理。