梁秋鴻

摘 要：焊接結(jié)構(gòu)在實(shí)際操作中如果出現(xiàn)失效等情況，主要表現(xiàn)為疲勞斷裂。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在實(shí)際操作中具有關(guān)鍵性的作用，在較大程度上決定焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。由此來(lái)看，提高焊接接頭疲勞性能，可以從根本上提高焊接結(jié)構(gòu)性能。本文主要對(duì)超聲沖擊處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，說(shuō)明提高焊接接頭疲勞性的必要性，并對(duì)超聲波沖擊法提高焊接接頭疲勞性做出進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：超聲沖擊法；焊接接頭；疲勞特性；研究

超聲沖擊處理主要依靠提高表面硬化程度，達(dá)到加強(qiáng)金屬零件性能的目的。在這一過(guò)程中，利用細(xì)化金屬表層晶粒，降低材料缺陷，并在表面填加有益殘余壓應(yīng)力達(dá)到目的。主要以超聲波為動(dòng)力源，對(duì)金屬表面進(jìn)行沖擊，使金屬表面受到強(qiáng)力沖擊而塑性變形，最終提高金屬的性能。下面對(duì)超聲波處理技術(shù)的原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，進(jìn)一步提高焊接接頭疲勞特性。

1 超聲沖擊處理技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

表面機(jī)械加工處理法以及非平衡熱力學(xué)法都屬于傳統(tǒng)的方法，主要是依靠納米技術(shù)，對(duì)金屬表面進(jìn)行加工處理。近年來(lái)使用的新技術(shù)主要有，超音速微粒沖擊技術(shù)以及超聲噴丸技術(shù)。從根本上來(lái)說(shuō)，超聲沖擊表面納米化技術(shù)主要是通過(guò)將傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)相結(jié)合，利用兩種技術(shù)的原理和優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法的進(jìn)一步優(yōu)化。該方法主要是以超聲波為動(dòng)力源，利用超聲波高能的特點(diǎn)，對(duì)金屬表面進(jìn)行加工處理。主要原理是，通過(guò)超聲沖擊，利用沖擊槍的沖擊頭，按照材料表面發(fā)展軌跡，對(duì)工件實(shí)施相適應(yīng)幅度的超聲頻機(jī)械振動(dòng)。并在速度、靜壓力及沖擊條件良好的情況下，將超聲振動(dòng)施加于材料表面，并傳遞適當(dāng)壓力。通過(guò)高能的機(jī)械振動(dòng)，使表層晶粒發(fā)生塑性變形，形成表層納米化。最終達(dá)到提高金屬表面抗疲勞及磨損性能的目的。

1.2 基本裝置

超聲波沖擊設(shè)備主要由兩部分組成，其中一部分是超聲波電源，另一部分是超聲沖擊槍。利用超聲波電源能夠成功將50Hz的工頻交流電信號(hào)成功轉(zhuǎn)換為超聲頻20kHz的交流信號(hào)。其中超聲沖擊槍主要由三部分組成，分別是換能器、變幅桿以及沖擊針。換能器的作用主要是將超聲波電源提供的超聲頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c超聲波同頻率的機(jī)械伸縮振動(dòng)。其中伸縮振動(dòng)幅值要達(dá)到規(guī)定要求。在符合條件的情況下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零件表面產(chǎn)生的塑性變形，在這一過(guò)程中，振動(dòng)幅度以及變幅桿都起到了關(guān)鍵性作用。在變幅桿的作用下振奮能夠達(dá)到50μm，并且當(dāng)振幅放大以后，例如沖擊針可以對(duì)工件表面進(jìn)一步強(qiáng)化。超聲波沖擊技術(shù)由于效果較好，且具有操作方便，噪音小的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，各企業(yè)將成本低且節(jié)能環(huán)保作為工作目標(biāo)的情況下，該技術(shù)已經(jīng)成為一種較為理想的焊接接頭疲勞性能技術(shù)。目前從我國(guó)焊接技術(shù)發(fā)展來(lái)看，我國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)出第三代HJ-Ⅲ型超聲沖擊設(shè)備，并在不斷實(shí)踐發(fā)展中對(duì)該設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使我國(guó)超聲沖擊技術(shù)能夠得到不斷的發(fā)展與推廣。不僅如此，在這一過(guò)程中，也有利于推動(dòng)超聲沖擊表面納米化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

2 提高焊接接頭疲勞性的必要性

2.1 改善幾何外形

從根本上來(lái)說(shuō)，影響焊接接頭疲勞性能的主要因素可以分為幾個(gè)方面。其中之一是焊接接頭的幾何形狀。在實(shí)踐操作中常見(jiàn)的焊接接頭形狀主要有，T型接頭、十字接頭、角接接頭等。但是任何一種接頭在經(jīng)過(guò)焊接以后都需要進(jìn)一步加工處理。我國(guó)焊接方面相關(guān)研究人員王東坡對(duì)超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的機(jī)理問(wèn)題進(jìn)行了有效分析。該研究學(xué)者將超聲沖擊處理前后接接頭焊趾進(jìn)行了有效對(duì)比，并測(cè)量幾何外形與過(guò)渡半徑。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)超聲沖擊處理后，焊趾區(qū)過(guò)渡半徑發(fā)生增大，并且應(yīng)力集中程度有所降低。另外一位研究人員趙曉輝，針對(duì)鈦合金焊接接頭的疲勞性能做出研究。在研究過(guò)程中認(rèn)為，焊接接頭焊趾區(qū)半徑在經(jīng)過(guò)加工處理后，由之前的0.2～0.95mm變?yōu)?.4～3.5mm。由此可以看出，在經(jīng)過(guò)焊接技術(shù)后，接頭焊趾區(qū)的幾何外形能夠得到有效改善。除此之外，在應(yīng)力集中指數(shù)方面也能得到大幅度改善。通過(guò)對(duì)其他研究結(jié)果來(lái)看，焊趾幾何外形對(duì)應(yīng)力集中的影響主要表現(xiàn)在，對(duì)金屬進(jìn)行超聲波處理后，焊趾幾何外形不僅可以變得更加平滑，也能在減小缺陷的基礎(chǔ)上，降低應(yīng)力集中程度。從以上研究來(lái)看，超聲波沖擊處理技術(shù)的整體加強(qiáng)，可以改善焊接接頭的結(jié)構(gòu)外形。通過(guò)改善幾何外形，提高焊趾過(guò)渡半徑，降低集中應(yīng)力，最終到達(dá)提高焊接接頭疲勞性能的目的。圖1和圖2為原始焊態(tài)與沖擊處理態(tài)：

2.2 改善組織形態(tài)

焊接接頭的抗疲勞性能可以通過(guò)改善組織形態(tài)與晶粒細(xì)化實(shí)現(xiàn)。通常在超聲沖擊處理表面時(shí)，由于受到外加載荷重復(fù)的影響，能夠使表面晶粒組織發(fā)生較為強(qiáng)烈的塑性變形。并且在時(shí)間的積累下，塑性變形量會(huì)不斷增大，并且會(huì)逐漸擴(kuò)展。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)處理后的晶粒尺寸通常由表面向內(nèi)部分布。這種組織結(jié)構(gòu)要根據(jù)顯微組織，獲得根本的微觀(guān)變形促織規(guī)律。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，表層細(xì)晶組織在一定程度上可以防止裂紋的出現(xiàn)。由于通常情況下，內(nèi)部的粗晶組織可以阻礙裂紋的擴(kuò)展。某研究學(xué)者主要針對(duì)超聲沖擊處理對(duì)2A12鋁合金焊接接頭表層組織進(jìn)行研究，并對(duì)晶粒細(xì)化的因素與其它研究學(xué)者討論。認(rèn)為超聲沖擊處理會(huì)使金屬表面發(fā)生劇烈變形，從而導(dǎo)致晶粒尺寸減小。由此來(lái)看，超聲沖擊處理可以改善焊接接頭組織形態(tài)，通過(guò)細(xì)晶組織提高裂紋抗力，最終提高焊接接頭抗疲勞性能。

2.3 引入殘余應(yīng)力

實(shí)踐表面，在焊接中通常會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷。例如氣孔、夾渣等。這些缺陷會(huì)造成集中應(yīng)力的出現(xiàn)，從而影響材料的疲勞性能。由此來(lái)看，可以通過(guò)降低疲勞應(yīng)力，提高金屬疲勞性能。相關(guān)研究學(xué)者對(duì)2A12鋁合金進(jìn)行超聲沖擊處理疲勞性能研究，發(fā)現(xiàn)在引入殘余應(yīng)力后，金屬表面殘余壓應(yīng)力的大小會(huì)在沖擊溫度不斷提高的情況下逐漸增加。

3 超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞特性研究

近年來(lái)，超聲沖擊表面的納米化對(duì)焊接接頭性疲勞性能的提高具有關(guān)鍵性作用，并且受到相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。部分研究人員針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入研究，對(duì)比低相變點(diǎn)焊條與超聲沖擊兩種方法對(duì)焊接接頭疲勞性的影響。并通過(guò)大量實(shí)踐認(rèn)為，焊條焊接的對(duì)接接頭在疲勞強(qiáng)度方面提高11%，角接接頭疲勞強(qiáng)度提高41%。在經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，兩種類(lèi)型的抗疲勞強(qiáng)度分別提高50%與71%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，超聲沖擊處理能夠有效提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，并且與其它方法相比更好一些。除此之外，利用超聲沖擊處理技術(shù)改變微觀(guān)結(jié)構(gòu)也可以使疲勞性得到提高。通過(guò)重復(fù)超聲沖擊指初次，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭的處理，并在循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，檢測(cè)疲勞壽命。由此得到超聲沖擊效果比激光沖擊效果更好的結(jié)論。

4 總結(jié)

綜上所述，超聲沖擊納米表面技術(shù)在焊接接頭方面已經(jīng)得到顯著成效。為進(jìn)一步提高焊接接頭疲勞特性，首先研究人員要對(duì)超聲沖擊處理技術(shù)的基本原理有所掌握。并了解由于改善焊接接頭疲勞性的因素，例如通過(guò)改善幾何外形、組織結(jié)構(gòu)與引入殘余應(yīng)力等。超聲沖擊處理能夠在大幅度上提高焊接接頭的疲勞性能，是目前為止較為良好的工藝方法。并且在提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命方面，發(fā)揮較大作用。也可以說(shuō)，超聲沖擊表面納米技術(shù)具有較大的發(fā)展前景。

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