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我國超聲沖擊設備的發(fā)展和應用

近幾年隨著(zhù)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(jìn)國內,經(jīng)過(guò)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(chē)車(chē)輛、工程機械、礦山機械、軍工領(lǐng)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(dòng)荷載時(shí),其承受能力卻遠遠低于母材。因此,對于承受交變動(dòng)荷載的焊接結構,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(shù)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(guò)適當的結構傳導給換能器將電能轉換為同頻率的機械振動(dòng)能量;最后通過(guò)變截面設計的變幅桿將振幅放大至50μm。然后把振動(dòng)能量通過(guò)各種形式的工具頭傳到被處理焊縫區域的表面。

2、設備參數合理選擇

焊后采用過(guò)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(lèi)的大沖擊力低頻設備的缺陷。設備參數包括頻率、振幅、功率。其中:頻率振幅.是設備所固有的,唯獨功率是可調的。沖擊頭可根據不同接頭形式及熱影響區寬度合理設計,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(shù)的發(fā)展,國產(chǎn)壓電陶瓷片的各項性能指標與進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品幾乎沒(méi)有差別,完全能夠滿(mǎn)足設備的使用要求,目前國產(chǎn)壓電陶瓷片占據90%市場(chǎng)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(diǎn)沖擊接觸,使近表面的拉應力變?yōu)閴簯μ卣鞯摹懊嫘毙拖麘に。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)焊接結構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(méi)有熱處理條件并承受交變動(dòng)荷載的焊接部件。

4、經(jīng)過(guò)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(guò)充分

的超聲沖擊處理后進(jìn)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的深度范圍內消除殘余應力70%;表面下6~ 10mm的深度范圍內消除殘余應力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(guò)改善焊趾幾何形狀,使焊縫表面形成光滑過(guò)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(cháng)疲勞壽命,防止焊縫開(kāi)裂。

試驗結果和實(shí)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(guò)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(cháng)疲勞壽命,防止焊縫開(kāi)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(guān)鍵焊縫的局部處理。


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