超声冲击方法提高焊接接头疲劳强度(上)

HEATS

　　试验的统计结果表明，经过超声冲击处理的试样，其疲劳强度相对未冲击试样提高37。9%，其疲劳寿命是未冲击试样的1。85～11。00倍。与传统的改善结构疲劳性能的焊后处理措施相比，超声冲击处理是一种既高效又便捷的较为理想的工艺方法。

6 n8 k. E) [! S: P9 G, G

　　焊接接头是部件耐久性的薄弱环节，因此在开发高性能焊接构件时，提高焊接接头的疲劳强度是一个十分重要的课题。

2 N/ g0 i. C) A3 P

　　一般较重要的焊接构件都采用高强度钢制造，随着钢材抗拉强度的提高，其疲劳强度也相应增大。研究表明，对于焊后不做加工处理的高强度钢结构焊缝而言，由于在焊趾处应力集中等因素的作用下，其疲劳强度并不随抗拉强度的提高而增大，故无法体现出使用高强度钢的优越性[ 1 ]。因此，尽管超细晶粒结构钢等高强度钢材本身的强度和使用寿命大幅度提高，但在具体钢结构上焊接接头的质量和性能才是制约结构强度和寿命的主要因素。只有对焊缝进行加工处理，才能根本改善其性能。

- T1 N" f- }/ Q2 q) L2 d4 p + g9 b/ a3 j6 V' b) o9 O0 _7 z! s6 o

　　研究和实践表明，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。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。相关传统方法，如钨极亚弧焊( tung2sten inert2gas arc，TIG)熔修法、机械打磨法、爆炸法、喷丸法、过载法、局部压延法、局部加热法以及锤击法。这些方法有的仍停留在实验室阶段，有的劳动强度大，且生产效率不高。传统的焊后热处理对于超细晶粒结构钢钢材的现实意义不大。目前应用较多的是普通锤击法、TIG熔修法和喷丸法。普通锤击法噪声大、效率低、劳动强度大、可控性差且效果很不稳定。TIG熔修法施工工艺复杂，操作不当反而会造成副作用。喷丸法是实际应用较多的一种，但存在噪声大、设备庞大、耗电量大等不利于节能、不能方便地移动作业、野外施工困难等缺点。由于丸粒反弹，还存在安全防护问题，且丸粒需要回收清理[ 2 ]笔者采用超声冲击的方法提高焊接接头及结构疲劳强度。该方法在国内外已经采用，其提高疲劳强度的机理与锤击和喷丸基本一致。由于其执行机构轻巧、可控性好、使用灵活方便、噪音小、效率高、适用性强、成本低而且节能环保，超声冲击已初步显示出其对于改善接头疲劳性能的独特优势。

2 Q4 |; T* o% d" D& ?* J5 @. }! E6 A + G. B5 q9 N& x) O: T% Q0 i5 ^

　　1 　超声冲击效果试验

! K- A0 G6 c# h1 R6 B3 u2 |0 h$ ?

　　1. 1超声波冲击方法机理

: Q5 I7 T7 O" A

　　通过超声波发生器将电网上50 Hz工频交流电转变成20 kHz超声频交流电，用来激励声学系统的换能器。声学系统将电能转换成相同频率的机械振动，在自重及外界施加的一定压力作用下，将这部分超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使以焊趾为中心的一定区域的焊接接头表面产生足够深度的塑变层。从而有效地改善焊缝与母材过渡区(焊趾)的外表形状，使其平滑过渡，降低了焊接接头的应力集中程度，使焊接接头附近一定厚度的金属得以强化，重新调整了焊接残余应力场，并由超声冲击形成较大数值的有利于疲劳强度提高的表面压应力，同时改变了微观组织，改善了接头区域的组织，使冲击处理后的接头疲劳强度得以显著提高。

* n4 \5 f& J2 j( i1 Z

　　1.2试验材料

) O- Q" F$ k/ Z6 N% S

　　为证实超声冲击处理方法对提高焊接接头疲劳强度具有良好效果，进行了验证性对比疲劳试验。两组试件以取材自X65管线钢的作为验证的对象:第1组是未经任何处理的原始对接焊接头试样，第2组则是经过超声冲击处理后的对接接头试样，试件采用单面焊双面成型焊接工艺制造，接头采用对接接头形式。其制造加工的形式如图1所示。X65管线钢材料力学性能

( {7 M- N7 r6 y5 S9 h. V: ~

　　如表1所示。

- x2 k$ X: U5 ?+ k( c# H% B 8 B3 x7 [& B1 y' a: y8 J

　　1.3焊接接头的超声冲击处理的实施方法

/ h( D; i0 Z8 @ D1 ?* B 9 `% Q) v4 K7 Y. e8 p

　　使用天津大学研制的超声冲击装置对X65钢试件焊接接头进行冲击处理。具体操作方法为:将超声冲击枪对准试件焊趾部位，且基本垂直于焊缝;冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列;略施加一定的压力，使其

图1　焊接接头试件形状 ( ~0 Y) G4 {: ^) w P- t% M, B表1　材料力学性能