超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備

超聲沖擊應(yīng)力消除設(shè)備，主要是利用高頻針對(duì)工件的局部消除殘余應(yīng)力，其效果立竿見影，90\%以上都達(dá)到了拉應(yīng)力到壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，也就是應(yīng)力消除率超過了100\%，此類產(chǎn)品在橋梁、造船、航空等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的超聲波沖擊的方法

通常采用打磨焊趾的方法來改善焊接接頭的疲勞強(qiáng)度,而使用超聲波沖擊焊趾來提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,是一種國際上剛剛出現(xiàn)的新方法.本文研制成功了一種基于壓電陶瓷換能器的新型超聲沖擊試驗(yàn)裝置.實(shí)際使用過程表明:其執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積小,重量輕,噪音極小,耗能低,使用靈活方便,易于實(shí)施.利用該設(shè)備,采用Q235鋼進(jìn)行了沖擊處理效果的驗(yàn)證性對(duì)比疲勞試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明:超聲沖擊方法對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的改善效果十分明顯,能夠提高疲勞壽命20～30倍以上,極具實(shí)用價(jià)值.同時(shí)發(fā)現(xiàn),超聲沖擊處理能夠有效地消除焊趾處淺層裂紋,夾渣等焊接缺陷,該作用也是其提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的原因之一.

Ultrasonic Peening Method to Improve Fatigue Strength of Welded Joint

Wang Dongpo,Huo Lixing,Zhang Yufeng,Jing Hongyang,Yang Xinqi

(TianjinUniversity)

Abstract:As known to all,to improve the fatigue strength of welded joints,it is necessary to polish the weld toe.Recently it has been found that the fatigue life of welded joint can be increased dramatically by ultrasonic peening the weld toe.In this paper,a ultrasonic peening device based on piezoelectric ceramic transducer is firstly developed successfully.This equipment is convenient because of its small size,light weight,low power consumption as well as other merits.In order to study the effectiveness of peening treatment with the equipment,the fatigue tests has been carried out in Q235 steel.The results show that the fatigue life of the peened joint is 20～30 times as long as the as-welded joints .Therefore,the improvement of the fatigue strength of welded joints by ultrasonic peening is remarkable.It is seen that the weld defects such as shallow cracks ~and slags at the welded toes can be removed effectively during the ultrasonic peening process.That is a reason for improving the fatigue strength of welded joints with this technique.

Key words fatigue strengthz,ultrasonic wave,welded joint,weld toe

疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式.尤其是一些受動(dòng)載嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu).因此,在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中或完成后,采取有效的工藝措施,提高它們的疲勞強(qiáng)度意義重大.

大量研究和實(shí)踐表明,焊接接頭的疲勞破壞一般起裂于焊接接頭的焊趾部位.如果能改善焊趾處疲勞裂紋的起裂性能,將有效地提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度.相關(guān)方法很多,如TIG熔修法,機(jī)械打磨焊趾法,爆炸法,噴丸法,過載法,局部壓延法,局部加熱法,錘擊法.但這些方法有的仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段.

目前應(yīng)用較多的是普通捶擊法和TIG熔修法和噴丸法.但TIG熔修法施工工藝復(fù)雜,工藝不當(dāng)反而會(huì)造成副作用.這種方法需要保護(hù)氣體,因此露天采用氣體保護(hù)難以保證,應(yīng)用受到一定限制.噴丸法是實(shí)際應(yīng)用較多的一種.但這種方法也存在著噪聲大,設(shè)備龐大,一次投資量大,耗電量大,不利于節(jié)能,不能方便地移動(dòng)作業(yè),野外施工困難.由于丸粒反彈,存在安全防護(hù)問題,且丸粒需要回收清理[3].捶擊法效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,可控性差,效果不穩(wěn)定;噪聲也大,故而,如何改善焊接接頭疲勞性能仍需大量研究.

用超聲波沖擊的方法來提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的研究,在國際上剛剛開始.該方法提高疲勞強(qiáng)度的機(jī)理與錘擊和噴丸基本一致.但執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧,可控性好,使用靈活方便,噪音極小,效率高,應(yīng)用時(shí)受限少,適用于各種接頭,成本低而且節(jié)能,是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的措施[3].因此,本文對(duì)該方法進(jìn)行了詳細(xì)研究.

超聲波沖擊方法的基本原理

制造普通焊接結(jié)構(gòu)時(shí),一般采用熔化焊接的方法,大多數(shù)情況下需要一定的填充金屬,故而在接頭部位留有余高,凹坑及各種焊接缺陷,造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中.同時(shí),還產(chǎn)生一定數(shù)值的焊接殘余拉應(yīng)力.絕大多數(shù)情況下,殘余拉應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響是不利的.大量研究表明,在焊趾部位距離表面0.5 mm左右處一般存有熔渣等缺陷,該缺陷較尖銳,相當(dāng)于疲勞裂紋提前萌生.焊接接頭在應(yīng)力集中,焊趾熔渣缺陷及焊接殘余拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下,導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重降低.

如果在焊后能夠采取一定的有效工藝措施,降低余高造成的應(yīng)力集中及消除焊趾表面的缺陷;調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng),消除其消極影響,使之朝有利于疲勞強(qiáng)度提高的方向轉(zhuǎn)變.顯然能夠大幅度地改善焊接接頭及結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度.而超聲波沖擊方法提高焊接接頭與結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的機(jī)理就在于此.

提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度超聲波沖擊法的試驗(yàn)裝置主要由三部分組成:即功率超聲波發(fā)生器,聲學(xué)系統(tǒng)與機(jī)架.

通過超聲波發(fā)生器將電網(wǎng)上50Hz工頻交流電轉(zhuǎn)變成超聲頻的20kHz交流,用以激勵(lì)聲學(xué)系統(tǒng)的換能器.聲學(xué)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成相同頻率的機(jī)械振動(dòng),在自重及外界所施加的一定壓力作用下,將這部分超聲頻的機(jī)械振動(dòng)傳遞給工件上的焊縫,使以焊趾為中心的一定區(qū)域的焊接接頭表面產(chǎn)生足夠深度的塑變層.從而有效地改善焊縫與母材過渡區(qū)(焊趾)的外表形狀,使其平滑過渡,降低了焊接接頭的應(yīng)力集中程度,使焊接接頭附近一定厚度的金屬得以強(qiáng)化,重新調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場(chǎng),并由超聲沖擊形成較大數(shù)值的有利于疲勞強(qiáng)度提高的表面壓應(yīng)力,致使沖擊處理后的接頭疲勞強(qiáng)度得以提高.

2 超聲波沖擊處理方法的試驗(yàn)裝置

功率超聲波電源是激勵(lì)源,提供沖擊處理所需的能量.要求當(dāng)聲學(xué)系統(tǒng)固有諧振頻率有變化時(shí),功率發(fā)生器具有跟蹤其頻率改變自動(dòng)調(diào)整輸出頻率與之保持一致的功能.另外還要求能夠控制聲學(xué)系統(tǒng)的輸出振幅使之恒定,控制沖擊處理質(zhì)量,保證系統(tǒng)安全,并且能夠使聲學(xué)系統(tǒng)與發(fā)生器在工作過程中良好匹配.