超声冲击处理

1.1铝合金焊件UIT研究的意义疲劳断裂是金属结构失效的主要形式。

尤其是一些受动载严重的重要结构。

因此，在焊接结构制造过程中或完成后，采取有效的工艺措施，提高它们的疲劳强度意义重大。

进入21世纪以来，随着车辆提速的要求，铝合金被广泛的用作车体材料。

但是，焊接残余应力的存在会使工件处于不稳定状态，是工件开裂或变形的主要原因，也是影响构件强度和寿命的主要因素。

目前，主要采用氩弧焊的方法对合金进行焊接，焊接工艺的固有特点，使得这些焊接接头和焊接热影响区多存在较大的残余拉应力和较多焊缝缺陷，在交变载荷的作用下极易萌生疲劳裂纹。

由于焊接过程中热输入量较大，使焊接接头焊后存在大量残余应力，且焊缝处容易出现气孔、缩松等缺陷，影响了结构的总体强度和使用寿命。

有资料表明，铝合金焊接结构中90％的断裂是由承受重复性载荷的焊接接头引起的疲劳破坏。

因此，铝合金焊接接头的疲劳性能已经受到设计及使用单位的普遍关注。

研究铝合金焊接接头的疲劳断裂特性，分析产生疲劳断裂危害的因素，估算焊接接头的疲劳寿命，探索提高铝合金焊接接头疲劳性能的方法具有重要的实用价值。

大量研究和实践表明焊接接头的疲劳破坏一般起裂于焊接接头的焊趾部位。

如果在焊后能够采取一定的有效工艺措施，降低余高造成的应力集中及消除焊趾表面的缺陷；调节焊接残余应力场，消除其消极影响，使之朝有利于疲劳强度提高的方向转变，显然能够大幅度地改善焊接接头及结构的疲劳强度。

如果能改善焊趾处疲劳裂纹的起裂性能，将有效地提高焊接结构的疲劳强度。

相关方法很多，如TIG熔修法、机械打磨焊趾法、爆炸法、喷丸法、过载法、局部压延法、局部加热法、锤击法。

但这些方法有的仍停留在实验室阶段。

目前应用较多的是普通捶击法和TIG熔修法和喷丸法。

但TIG熔修法施工工艺复杂，工艺不当反而会造成副作用。

这种方法需要保护气体，因此露天采用气体保护难以保证，应用受到一定限制。

喷丸法是实际应用较多的一种。

但这种方法也存在着噪声大、设备庞大，一次投资量大、耗电量大，不利于节能、不能方便地移动作业、野外施工困难。

由于丸粒反弹，存在安全防护问题，且丸粒需要回收清理。

捶击法效率低、劳动强度大、可控性差、效果不稳定噪声也大。

试验证明1，锤击法、喷丸、TIG熔修法和联合TIG熔修超声冲击法对焊接试件的疲劳极限的提高是有限的，而且效果基本一致；超声冲击法能最大限度的提高试件的疲劳寿命，其效果很大程度取决于选定的工艺参数。

用超声波冲击的方法来提高焊接接头及结构疲劳强度的研究，在国际上刚刚开始。

该方法提高疲劳强度的机理与锤击和喷丸基本一致。

但执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，适用于各种接头、成本低而且节能，是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的措施。

大量研究结果表明，超声冲击处理后，焊接接头和结构疲劳性能得到显著改善。

超声冲击是目前国际上公认最有效、最便捷的提高焊接接头疲劳强度，延长疲劳寿命，消除残余应力，抑制焊接裂纹，减小变形的新技术，适合无法进行热时效，材质比较软的各类结构。

经超声冲击处理后在焊趾处会产生圆滑过渡。

可降低焊趾处的应力集中系数和疲劳缺口的敏感度。

大大降低了应力集中程度．降低了对材料的损坏作用，同时也减少了疲劳破坏。

超声冲击处理能够有效地消除焊趾处浅层裂纹、夹渣等焊接缺陷。

1.4超声波时效原理残余应力是物体发生塑性变形后微观晶粒产生位错和畸变的结果，这时物体的内能除位错能外，还有位错组态能、弹性性能，总能较高，从热力学的角度看是不稳定的。

选择合适的冲击频率对物体进行冲击。

如果冲击提供的能量不足以使位错运动和打破原来的位错结构，残余应力自然不会发生变化。

如果冲击能够驱使位错运动，迫使晶粒回复到平衡位置，原来的位错结构被打破，重新形成新的低组态能的结构，则残余应力重新分布，得到释放。

超声波时效基本原理是利用大功率超声波推动冲击工具以20000次/s以上的频率冲击金属表面。

由于超声波的高频、高效和聚焦下的能量，使金属表面产生较大的塑性变形；同时超声波时效仪改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击表面得以强化。

超声冲击能够显著提高金属焊接接头及结构的疲劳强度，大幅度延长其疲劳寿命；消除残余拉应力，并使被冲击部位产生压应力，从而提高工件的承载能力；有效改善焊趾的几何形状，大大降低焊趾处的应力集中系数，其效果大大优于TIG工艺；消除焊趾表层微小裂纹和焊接缺陷，抑制裂纹提前萌生；强化金属零件表面，提高表面质量和使用寿命。

该设备高效、节能、无污染、使用方便，不受工件形状、场地、环境的限制，处理效果显著。

通过采用外场作用改善焊缝性能的方法有许多研究和应用，超声冲击(Ultrasonic impact treatment，UIT)就是一种很有效的方法之一。

通过焊后超声冲击可以大大提高焊接接头的疲劳强度，能提高接头疲劳寿命几倍甚至几十倍以上。

残余应力的大小是影响焊接结构性能的重要指标，超声冲击后残余应力的变化是导致焊缝疲劳性能改善的主要原因之一。

上海交通大学的饶德林、陈立功、倪纯珍和朱政强2以Q345钢结构箱型柱为对象，研究了超声冲击工艺对焊接残余应力的影响。

对电渣焊和埋弧焊两种焊缝进行了超声冲击试验，其中埋弧焊焊缝采用了全覆盖冲击和焊趾冲击两种冲击工艺。

残余应力测量结果表明：1）采用超声冲击消除应力技术，可以在焊缝表面形成压应力层。

超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，对2~4mm深度层消除应力效果可达34％~55％。

2）采用焊趾冲击法，可以修复焊趾的缺陷，降低应力集中。

并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低未受冲击焊缝的残余应力，下降率达20％。

3）冲击工艺是一种以点冲击接触、压应力屈服为主要特征的“面效应“型消应力工艺，由于冲击工艺处理的特点，其工作效超声冲击处理可以在焊缝表面形成压应力。

通常情况下，焊趾是疲劳的裂纹源区域之一，故焊趾冲击可以改善焊趾应力集中，提高焊接接头的疲劳寿命。

全覆盖冲击的消应力效果包括由于冲击生成的表面压应力对原始应力分布的调整以及超声振动时效的作用，其表现为生成压应力的薄层。

压应力层应该处于焊缝的浅表面(小于3mm)，它对近表面的拉应力有较明显的消除效果。

1.4.1超声冲击国内外研究现状具有较高创意的是1998年日本京都工学院提出的一种采用超声振动激励消除焊接残余应力的新方法。

该方法是在焊接的同时，施加超声振动激励，测试结果表明，焊接后残余应力显著减小。

1999年，天津大学的王东坡，霍立兴，张玉风3首次成功地将压电陶瓷换能器引入超声冲击处理装置中，实际冲击处理试验表明，所研制的冲击处理执行机构（冲击枪）体积小，使用灵活。

试验发现，超声冲击处理方法能够有效地消除焊趾处浅层微小裂纹、夹杂等焊接缺陷, 初步认定该作用能够对焊接接头疲劳强度有较大改善。

1.4.1.1超声冲击的工艺研究在近十年中，对VSR进行较为系统研究的莫过于英国斯特拉思克莱德大学的Munsi 等，他们对焊接件残余应力进行了大量的研究工作，首先研究了试样在焊接冷却中VSR 的作用，提出冷却中VSR并不一定可以得到消除残余应力效果的结论4。

然后对焊接后VSR技术进行了分析，提出振动幅值比振动时间更决定VSR效果的结论，从而得到引入振动能量并不是产生VSR的原因。

接着研究了VSR对焊接材料残余应力、微结构、硬度等的影响，得到VSR使残余应力减小、改变了材料微观结构，从而提高材料的硬度的结论。

将焊接后试样分别进行热时效和VSR处理，发现和热时效相反，VSR可以提高材料疲劳寿命的结论。

通过对焊接杆件施加扭转振动，得出采用较小力矩就可以消除较大残余应力的结论。

芬兰坦佩雷工业大学Lindgren等的最新研究得到了非常有意义的结果，他们对轴向焊接的低碳钢管的VSR问题进行了研究，同时残余应力分别采用巴克豪森噪声法及X射线衍射法进行测量，测试结果表明，虽然试样的残余应力在VSR后得到减小，但是该试样在加工后的变形量却旧。

天津大学的王东坡，张玉风，霍立兴利5用自行研制的超声波冲击实验装置，对两种典型焊接结构用钢Q235B和16Mn焊接接头实施冲击处理，然后进行焊态与冲击处理态的弯曲与拉伸两种加载方式的疲劳对比试验，分别获得了各种情况冲击处理前后的△σ-N曲线及疲劳强度（2×106）。

结果表明：1）对于Q235B对接接头，有的试件断于焊趾重合。

可以近似地认为处理后焊接接头与母材疲劳强度是相当的。

2）对于超声冲击处理后的焊接接头焊趾区部位表面残余应力很大，随着深度的增加急剧下降，而后在中心附近变成拉应力。

两个应力场叠加的结果使焊趾部位沿厚度方向的应力分布的梯度变小，即整个厚度方向应力分布趋于一致，而内部最大拉应力的数值与受拉伸情况相比小得多。

残余压应力在外载作用下，更不易被释放，有利作用得以发挥，因而改善疲劳强度的效果更明显。

3）无论在高应力幅区还是在低应力幅区，超声冲击处理对l6Mn钢对接接头疲劳强度与寿命的改善程度均高于Q235B。

超声冲击处理提高焊接接头疲劳强度的实际效果与母材类别有关。

由强度级别较高的母材组成焊接接头，超声冲击后接头疲劳强度能够获得更多的改善量。

4）经过超声冲击处理后，焊接接头疲劳性能不再与母材无关，在一定的范围内(r≤0.25)，应力比r对超声冲击处理法改善焊接接头疲劳性能的效果影响不大。

5）超声冲击处理法改善焊接接头疲劳性能的实际效果与所施加的载荷类型有一定的关系。

1.4.1.2消除焊接残余应力的数值模拟（焊接+冲击）清华大学的岳红杰、赵海燕、蔡志鹏等人和中国航天科技集团公司的王国庆、李德成6为了采用三维热弹塑性有限元方法对薄壁LF6铝合金结构的焊接过程进行数值模拟，提出了粘贴单元和混和单元两种网格划分技术相结合的单元划分方案进行有限元建模，通过薄板对接模型试验验证了此方案的可行性，并研究了不同建模方案对计算效率的影响。

对实际薄壁简体结构纵缝的焊接过程进行了模拟仿真，得到了筒体在焊接过程中产生的残余应力及变形规律，为实际生产减小应力、控制变形提供了一定的指导。

在数值计算中，应用了大型非线性有限元分析软件MSC．MARC。

南京工业大学李进一、凌祥、周建新7应用大型有限元软件ABAQUS建立模拟超声冲击残余应力场的三维有限元模型，预测AISl 304奥氏体不锈钢靶材经超声冲击后的残余应力场分布。

模拟过程中，分析冲击速度、针头直径、冲击时间、摩擦力、冲击次数以及不同覆盖率等因素对超声冲击残余应力场分布影响的规律。

结果表明，冲击速度、针头大小、冲击时间及摩擦力都会影响到最终冲击残余应力场。

冲击速度和针头直径对残余应力场分布影响显著，速度提高或直径变大，均可明显提高残余压应力值，且增加残余压应力层深度，但摩擦系数对冲击效果的影响不大。