我国超声冲击设备的发展和应用

点击数:582020-07-11来源: 振动时效

近几年随着我国经济建设的加快,焊接作为金属材料的主要连接方式被广泛采用。本世纪之初在超声冲击设备发明之初就已经引进国内,经过近二十余年的发展变革,终于缩短了与发达国家间的差距,已在航空航天、桥梁、起重机、船舶、机车车辆、工程机械、矿山机械、军工领域广泛应用。

一般设计人员主要考虑的是:焊接接头的承受静载能力一般不低于母材,而承受交.变动荷载时,其承受能力却远远低于母材。因此,对于承受交变动荷载的焊接结构,经常会发生突然断裂事故,其中90%为疲劳失效。.将超声波能量运用到金属材料焊接接头的焊后处理,以达到消除焊缝残余应力和提高疲劳性能的目的。


1、超声冲击技术原理及设备

超声波发生器产生频率大于18KHz的振荡电信号,通过适当的结构传导给换能器将电能转换为同频率的机械振动能量;最后通过变截面设计的变幅杆将振幅放大至50μm。然后把振动能量通过各种形式的工具头传到被处理焊缝区域的表面。


2、设备参数合理选择


焊后采用过大的冲击力反而很可能会引起新的裂纹,这就是使用风镐之类的大冲击力低频设备的缺陷。设备参数包括频率、振幅、功率。其中:频率振幅.是设备所固有的,唯独功率是可调的。冲击头可根据不同接头形式及热影响区宽度合理设计,原则上直径越小效果越好。换能器主要由压电陶瓷片组成,由于近20年功能陶瓷技术的发展,国产压电陶瓷片的各项性能指标与进口同类产品几乎没有差别,完全能够满足设备的使用要求,目前国产压电陶瓷片占据90%市场份额。对于压电陶瓷式设备功率在150 W-300W之间是最理想状态。


3、超声冲击在典型焊缝的应用


对焊趾冲击,消除焊缝近表面的拉应力,产生压应力层。以点冲击接触,使近表面的拉应力变为压应力特征的“面效应”型消应力工艺。它是以提高焊缝近表面疲劳性能为主要技术定位的,适用于关键焊縫局部处理。厚板分层焊接的分层冲击,使整个焊接结构具有更好的疲劳性能,同时可消除因疲劳引起的裂纹。适用于没有热处理条件并承受交变动荷载的焊接部件。


4、经过超声冲击处理后的焊缝应力测试被焊母材为16Mn,保护气体:80% Ar+20%C02的混合气体,焊接材料是ER50- 6的中1.2mm焊丝,焊接电流:220-260A,焊缝经过充分

的超声冲击处理后进行表面残余应力测试,图3为焊态的应力沿层深方向分布情况;图4经超声冲击处理后的应力状态沿层深方向分布情况。


5、超声冲击效果分析


根据焊缝残余应力的测试结果和应力沿层深方向的分布状态,可以得到以下效果:焊缝表面下1~2mm的深度范围内产生压缩性的塑性形变完全消除拉应力,并预制了压应力层;表面下3~5mm的深度范围内消除残余应力70%;表面下6~ 10mm的深度范围内消除残余应力50%。尤其值得关注的是,经超声冲击处理后的焊缝表层0.02~0.1mm的深度范围内表层晶粒细化,硬度和耐蚀性提高了。


6、提高疲劳强度的机理超声冲击是通过改善焊趾几何形状,使焊缝表面形成光滑过渡圆弧表层晶粒细化、消除焊趾表面缺陷以及消除拉应力和预制压应力的综合作用,提高了焊接接头的疲劳强度,延长疲劳寿命,防止焊缝开裂。


试验结果和实际应用效果表明,焊缝表面采用超声冲击消应力处理,对焊缝表面和表面下10mm 的深度范围内消应力效果明显;超声冲击可以改善焊趾几何形状,使焊缝表面形成光滑的过渡圆弧、1 ~2mm的表层晶粒细化并预制压应力、消除焊趾表面微小缺陷。其综合作用是提高了焊接接头的疲劳强度,延长疲劳寿命,防止焊缝开裂。所以,超声冲击属于“面效应"型消应力工艺,可提高焊缝疲劳性能,也适用于关键焊缝的局部处理。




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