[精選]超聲沖擊處理--資料

1、1.1鋁合金焊件UIT研究的意義疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式。尤其是一些受動載嚴重的重要結(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，提高它們的疲勞強度意義重 大。進入21世紀以來，隨著車輛提速的要求，鋁合金被廣泛的用作車體材料。但是， 焊接殘余應力的存在會使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，是工件開裂或變形的主要原因，也是 影響構(gòu)件強度和壽命的主要因素。目前，主要采用瀛弧焊的方法對合金進行焊接，焊 接工藝的固有特點，使得這些焊接接頭和焊接熱影響區(qū)多存在較大的殘余拉應力和較 多焊縫缺陷，在交變載荷的作用下極易萌生疲勞裂紋。由于焊接過程中熱輸入量較大， 使焊接接頭焊后存在大量殘余應力，且

2、焊縫處容易出現(xiàn)氣孔、縮松等缺陷，影響了結(jié) 構(gòu)的總體強度和使用壽命。有資料表明，鋁合金焊接結(jié)構(gòu)中 90%的斷裂是由承受重復 性載荷的焊接接頭引起的疲勞破壞。因此，鋁合金焊接接頭的疲勞性能已經(jīng)受到設計 及使用單位的普遍關(guān)注。研究鋁合金焊接接頭的疲勞斷裂特性，分析產(chǎn)生疲勞斷裂危害的因素，估算焊接 接頭的疲勞壽命，探索提高鋁合金焊接接頭疲勞性能的方法具有重要的實用價值。大 量研究和實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。如果在焊后 能夠采取一定的有效工藝措施，降低余高造成的應力集中及消除焊趾表面的缺陷；調(diào) 節(jié)焊接殘余應力場，消除其消極影響，使之朝有利于疲勞強度提高的方向轉(zhuǎn)變，顯然 能夠

3、大幅度地改善焊接接頭及結(jié)構(gòu)的疲勞強度。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)的疲勞強度。相關(guān)方法很多，如 TIG熔修法、機械打磨焊趾 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 仍停留在實驗室階段。目前應用較多的是普通捶擊法和 TIG熔修法和噴丸法。但TIG熔 修法施工工藝復雜，工藝不當反而會造成副作用。這種方法需要保護氣體，因此露天采用氣體保護難以保證，應用受到一定限制。噴丸法是實際應用較多的一種。但這種方法也存在著噪聲大、設備龐大，一次投資量大、耗電量大，不利于節(jié)能、不能方便地移動作業(yè)、野外施工困難。由于丸粒反彈，存在安全防護問題，且丸粒

4、需要回收清理。捶擊法效率低、勞動強度大、可控性差、效果不穩(wěn)定噪聲也大。試驗證明1 ，錘擊法、噴丸、TIG熔修法和聯(lián)合TIG熔修超聲沖擊法對焊接試件的疲勞極限的提高是有限 的，而且效果基本一致；超聲沖擊法能最大限度的提高試件的疲勞壽命，其效果很大程度取決于選定的工藝參數(shù)。用超聲波沖擊的方法來提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強度的研究，在國際上剛剛開始。該方法提高疲勞強度的機理與錘擊和噴丸基本一致。但執(zhí)行機構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、應用時受限少，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。大量研究結(jié)果表明，超聲沖擊處理后，焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞性能得到顯著

5、改善。超聲沖擊是目前國際上公認最有效、最便捷的提高焊接接頭疲勞強度，延長疲勞壽命，消除殘余應力，抑制焊接裂紋，減小變形的新技術(shù)，適合無法進行熱時效，材質(zhì)比較軟的各類結(jié)構(gòu)。經(jīng)超聲沖擊處理后在焊趾處會產(chǎn)生圓滑過渡。可降低焊趾處的應力集中系數(shù)和疲勞缺口的敏感度。大大降低了應力集中程度降低了對材料的損壞作用，同時也減少了疲勞破壞。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。1.4 超聲波時效原理殘余應力是物體發(fā)生塑性變形后微觀晶粒產(chǎn)生位錯和畸變的結(jié)果，這時物體的內(nèi)能除位錯能外，還有位錯組態(tài)能、彈性性能，總能較高，從熱力學的角度看是不穩(wěn)定的。選擇合適的沖擊頻率對物體進行沖擊。如果沖擊提供的

6、能量不足以使位錯運動和打破原來的位錯結(jié)構(gòu)，殘余應力自然不會發(fā)生變化。如果沖擊能夠驅(qū)使位錯運動，迫使晶粒回復到平衡位置，原來的位錯結(jié)構(gòu)被打破，重新形成新的低組態(tài)能的結(jié)構(gòu)，則殘余應力重新分布，得到釋放。超聲波時效基本原理是利用大功率超聲波推動沖擊工具以2000歐/s以上的頻率沖擊金屬表面。由于超聲波的高頻、高效和聚焦下的能量，使金屬表面產(chǎn)生較大的塑性 變形；同時超聲波時效儀改變了原有的應力場，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應力，并使被沖擊 表面得以強化。超聲沖擊能夠顯著提高金屬焊接接頭及結(jié)構(gòu)的疲勞強度，大幅度延長其疲勞壽命； 消除殘余拉應力，并使被沖擊部位產(chǎn)生壓應力，從而提高工件的承載能力；有效改善 焊趾的幾何

7、形狀，大大降低焊趾處的應力集中系數(shù)，其效果大大優(yōu)于TIG工藝；消除焊趾表層微小裂紋和焊接缺陷，抑制裂紋提前萌生；強化金屬零件表面，提高表面質(zhì)量 和使用壽命。該設備高效、節(jié)能、無污染、使用方便，不受工件形狀、場地、環(huán)境的 限制，處理效果顯著。通過采用外場作用改善焊縫性能的方法有許多研究和應用，超聲沖擊（Ultrasonicimpact treatment UIT）就是一種很有效的方法之一。 通過焊后超聲沖擊可以大大提高焊 接接頭的疲勞強度，能提高接頭疲勞壽命幾倍甚至幾十倍以上。殘余應力的大小是影 響焊接結(jié)構(gòu)性能的重要指標，超聲沖擊后殘余應力的變化是導致焊縫疲勞性能改善的 主要原因之一。上海交通大

8、學的饒德林、陳立功、倪純珍和朱政強 2以Q345鋼結(jié)構(gòu)箱型柱為對象， 研究了超聲沖擊工藝對焊接殘余應力的影響。對電渣焊和埋弧焊兩種焊縫進行了超聲 沖擊試驗，其中埋弧焊焊縫采用了全覆蓋沖擊和焊趾沖擊兩種沖擊工藝。殘余應力測 量結(jié)果表明：1）采用超聲沖擊消除應力技術(shù)，可以在焊縫表面形成壓應力層。超聲沖 擊對一定深度的表層有消應力的效果，在采用對焊道全覆蓋沖擊時，對24mm濕度層消除應力效果可達34% 55%。2）采用焊趾沖擊法，可以修復焊趾的缺陷、降低應力 集史。并伴隨其壓應力區(qū)的作用可以在一定程度上降低未受沖擊焊縫的殘余應力，下 降率達20%。3）沖擊工藝是一種以點沖擊接觸、壓應力屈服為主要特征

9、的“面效應”型 消應力工藝，由于沖擊工藝處理的特點，其工作效超聲沖擊處理可以在焊縫表面形成 壓應力。16012080400-40Lcr 3；r 4：區(qū) 5；/匚口沖擊前函沖擊后2345圖3電渣焊焊韁沖擊前后的殘余應力 Fig. 3 Residual stress on ESW weld before and after UIT通常情況下，焊趾是疲勞的裂紋源區(qū)域之一，故焊趾沖擊可以改善焊趾應力集中, 提高焊接接頭的疲勞壽命。全覆蓋沖擊的消應力效果包括由于沖擊生成的表面壓應力 對原始應力分布的調(diào)整以及超聲振動時效的作用，具表現(xiàn)為生成壓應力的薄層。壓應 力層應該處于焊縫的淺表面（小于3mm）,它對近

10、表面的拉應力有較明顯的消除效果。1.4.1 超聲沖擊國內(nèi)外研究現(xiàn)狀具有較高創(chuàng)意的是1998年日本京都工學院提出的一種采用超聲振動激勵消除焊接 殘余應力的新方法。該方法是在焊接的同時，施加超聲振動激勵，測試結(jié)果表明，焊 接后殘余應力顯著減小。1999年，天津大學的王東坡，霍立興，張玉風3首次成功地將壓電陶瓷換能器引入超聲沖擊處理裝置中，實際沖擊處理試驗表明，所研制的沖擊處理執(zhí)行機構(gòu)（沖擊槍） 體積小，使用靈活。試驗發(fā)現(xiàn)，超聲沖擊處理方法能夠有效地消除焊趾處淺層微小裂 紋、夾雜等焊接缺陷，初步認定該作用能夠?qū)附咏宇^疲勞強度有較大改善。1.4.1.1 超聲沖擊的工藝研究在近十年中，對VSR進行較為

11、系統(tǒng)研究的莫過于英國斯特拉思克萊德大學的 Munsi 等，他們對焊接件殘余應力進行了大量的研究工作， 首先研究了試樣在焊接冷卻中VSR 的作用，提出冷卻中VSR并不一定可以得到消除殘余應力效果的結(jié)論 4。然后對焊接后 VSR技術(shù)進行了分析，提出振動幅值比振動時間更決定 VSR效果的結(jié)論，從而得到引 入振動能量并不是產(chǎn)生VSR的原因。接著研究了 VSR對焊接材料殘余應力、微結(jié)構(gòu)、 硬度等的影響，得到VSR使殘余應力減小、改變了材料微觀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的硬 度的結(jié)論。將焊接后試1封別進行熱時效和 VSR處理，發(fā)現(xiàn)和熱時效相反，VSR可以 提高材料疲勞壽命的結(jié)論。通過對焊接桿件施加扭轉(zhuǎn)振動,得出采

12、用較小力矩就可以 消除較大殘余應力的結(jié)論。芬蘭坦佩雷工業(yè)大學Lindgren等的最新研究得到了非常有意 義的結(jié)果，他們對軸向焊接的低碳鋼管的 VSR問題進行了研究，同時殘余應力分別采 用巴克豪森噪聲法及X射線衍射法進行測量，測試結(jié)果表明，雖然試樣的殘余應力在 VSR后得到減小，但是該試樣在加工后的變形量卻舊。天津大學的王東坡，張玉風，霍立興利5用自行研制的超聲波沖擊實驗裝置，對兩 種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼Q235B和16Mn焊接接頭實施沖擊處理，然后進行焊態(tài)與沖擊處理 態(tài)的彎曲與拉伸兩種加載方式的疲勞對比試驗，分別獲得了各種情況沖擊處理前后的 bN曲線及疲勞強度（2M06）。結(jié)果表明：1）對于Q23

13、5B對接接頭，有的試件斷于 焊趾重合?？梢越频卣J為處理后焊接接頭與母材疲勞強度是相當?shù)摹?）對于超聲沖擊處理后的焊接接頭焊趾區(qū)部位表面殘余應力很大，隨著深度的增加急劇下降，而后 在中心附近變成拉應力。兩個應力場疊加的結(jié)果使焊趾部位沿厚度方向的應力分布的 梯度變小，即整個厚度方向應力分布趨于一致，而內(nèi)部最大拉應力的數(shù)值與受拉伸情 況相比小得多。殘余壓應力在外載作用下、更不易被釋放、有利作用得以發(fā)揮、因而 改善疲勞強度的效果更明顯。3）無論在高應力幅區(qū)還是在低應力幅區(qū)，超聲沖擊處理 對l6Mn鋼對接接頭疲勞強度與壽命的改善程度均高于 Q235B。超聲沖擊處理提高焊接接頭疲勞強度的實際效果與母材類

14、別有關(guān)。由強度級別較高的母材組成焊接接頭，超聲沖擊后接頭疲勞強度能夠獲得更多的改善量。4）經(jīng)過超聲沖擊處理后，焊接接頭疲勞性能不再與母材無關(guān)，在一定的范圍內(nèi)（r <0.25）應力比r對超聲沖擊處理法改善焊接 接頭疲勞性能的效果影響不大。5）超聲沖擊處理法改善焊接接頭疲勞性能的實際效果 與所施加的載荷類型有一定的關(guān)系。1.4.1.2 消除焊接殘余應力的數(shù)值模擬（焊接+沖擊）清華大學的岳紅杰、趙海燕、蔡志鵬等人和中國航天科技集團公司的王國慶、李德成6為了采用三維熱彈塑性有限元方法對薄壁 LF6鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接過程進行數(shù)值模 擬，提出了粘貼單元和混和單元兩種網(wǎng)格劃分技術(shù)相結(jié)合的單元劃分方案進行

15、有限元 建模，通過薄板對接模型試驗驗證了此方案的可行性，并研究了不同建模方案對計算 效率的影響。對實際薄壁簡體結(jié)構(gòu)縱縫的焊接過程進行了模擬仿真，得到了筒體在焊 接過程中產(chǎn)生的殘余應力及變形規(guī)律，為實際生產(chǎn)減小應力、控制變形提供了一定的 指導。在數(shù)值計算中，應用了大型非線性有限元分析軟件 MSC. MARC。南京工業(yè)大學李進一、凌祥、周建新7應用大型有限元軟件ABAQUS建立模擬超聲 沖擊殘余應力場的三維有限元模型，預測AISl 304奧氏體不銹鋼靶材經(jīng)超聲沖擊后的殘 余應力場分布。模擬過程中，分析沖擊速度、針頭直徑、沖擊時間、摩擦力、沖擊次 數(shù)以及不同覆蓋率等因素對超聲沖擊殘余應力場分布影響的

16、規(guī)律。結(jié)果表明，沖擊速 度、針頭大小、沖擊時間及摩擦力都會影響到最終沖擊殘余應力場。沖擊速度和針頭 直徑對殘余應力場分布影響顯著，速度提高或直徑變大，均可明顯提高殘余壓應力值， 且增加殘余壓應力層深度，但摩擦系數(shù)對沖擊效果的影響不大。隨著沖擊次數(shù)的增加， 超聲沖擊強化特征明顯，殘余壓應力層深度增加。隨著覆蓋率的增加，殘余壓應力層 增厚，但形成的最大殘余壓應力值減小。為理解超聲沖擊強化機理，優(yōu)化工藝參數(shù)提 供一定的依據(jù)。超聲沖擊強化過程涉及高度瞬態(tài)沖擊動力學接觸問題的求解.需采用顯式動力有限元算法,以獲得最終形成的殘余應力場。在超聲沖擊過程中，AISI 304不銹鋼試樣表層發(fā)生高速塑性變形，材料

17、的屈服應力和屈服極限在不同的應變速率下 將發(fā)生改變,因而本文采用Johnson-Cook更型，該模型適用于大多數(shù)發(fā)生高應變速率變 形的材料。1.4.1.3 焊接接頭微觀組織的改善裝甲兵工程學院的朱有利，李占明，韓志鑫 8等人手工鼠弧焊（TIG）、ER5356焊絲 X寸2A12鋁合金板進行了焊接,用超聲沖擊處理技術(shù)對焊接接頭進行了全覆蓋強化處理； 借助金相顯微鏡、x射線衍射儀、透射電鏡和顯微硬度計對超聲沖擊強化處理前后接頭 表層的組織和性能進行了分析。結(jié)果表明，超聲沖擊處理可在接頭表層形成尺寸均勻、 取向隨機分布的細晶組織，大幅消除了氣孔、縮松等焊接缺陷，接頭顯微硬度顯著提 高。超聲沖擊處理后，

18、2A12鋁合金焊接接頭表面發(fā)生了劇烈的塑性變形，形成了一個 組織致密的表面層，表層晶粒得以大幅度細化，并產(chǎn)生了隨機的晶體學取向，取向隨 機性主要是由于高密度位錯增值所造成的。超聲沖擊處理后，焊縫、焊趾以及與其相 連的母材的硬度均有了明顯的提高。高密度位錯和晶粒細化是超聲沖擊處理提高焊接 接頭強度和硬度的主要因素，這對提高焊接接頭的綜合力學性能有著重要的作用。1.4.1.4 焊接接頭疲勞特性的改善目前，國內(nèi)外對超聲沖擊機理的研究主要集中在超聲沖擊處理后，疲勞性能改變 上。很多學者都側(cè)重于從具體疲勞試驗人手，通過分析疲勞試驗的數(shù)據(jù)來揭示材料的 疲勞行為。主要從S-N曲線、裂紋起源、裂紋擴展等方面研

19、究疲勞特性。裝甲兵工程學院的朱有利，李占明，辛毅9對超聲沖擊處理前后2A12高強度鋁合金 TIG焊對接接頭的疲勞性能進行了測試。發(fā)現(xiàn)：1）未處理焊接接頭試樣疲勞裂紋大多 起源于焊趾部位，最后幾乎全部沿熔合線斷裂。超聲沖擊處理后焊接接頭疲勞裂紋大 多數(shù)在焊縫部位萌生擴展，最后斷裂在焊縫部位。超聲沖擊處理使薄弱的焊趾處得到了有效的強化，但由于接頭余高的存在。超聲沖擊處理后焊縫芯部未得到充分強化,仍有較大比例的焊接缺陷存在，這是造成處理后試樣在焊縫中部斷裂的主要原因。2）未進行沖擊強化處理的2A12鋁臺金焊接接頭疲勞試樣，疲勞破壞大部分始于試樣表面， 并表現(xiàn)為多源特征。表面缺陷起著尖缺口的作用，容易

20、形成應力集中，促使疲勞裂紋 的形成。經(jīng)超聲沖擊處理后，疲勞裂紋萌生于接頭試樣的次表面，裂紋源較少。試樣 外表面存在厚度約為80700P m的強化層,該層是接頭試樣表面經(jīng)超聲沖擊強化處理所 形成的表面組織致密層，該強化層能延緩或阻止滑移在表面的形成，使疲勞裂紋源下 移；沖擊強化在試樣表面形成壓應力，也使得裂紋源下移，萌生在次表層的冶金缺陷處。3）超聲沖擊處理后，焊接接頭試樣疲勞裂紋擴展速率變?。⊿EM照片顯示經(jīng)超聲沖擊后疲勞條紋間距變小）.這從微觀上證明了超聲沖擊處理延緩了疲勞裂紋擴展速 率。中國兵器科學研究院的王冬生、陳東高、譚兵 10等人對7A05鋁合金采用雙絲M1G 焊接工藝得到的焊接接頭

21、進行超聲沖擊處理，并從焊趾處應變與應力、抗拉強度、疲 勞壽命和疲勞斷口掃描等方面對經(jīng)過超聲沖擊處理和未經(jīng)超聲沖擊處理的試樣進行對 比研究。研究結(jié)果顯示：經(jīng)過超聲沖擊處理的試樣，焊趾處拉應力減小，抗拉強度增 大，平均疲勞壽命變長。疲勞斷口掃描顯示沖擊后，材料在斷裂前發(fā)生明顯的塑性變 必 中國兵器科學研究院的張倩，陳東高，王克鴻 11等人對7A52鋁合進行了同樣的處 理和分析。天津大學的王東坡，霍立興，張玉鳳12等人利用自行研制的超聲沖擊實驗裝置， 對提高LF21鋁合金焊接接頭的疲勞強度進行了研究，進行了 TIG焊LF21鋁合金非承載 十字與T型接頭的焊態(tài)及沖擊處理態(tài)對比疲勞試驗。結(jié)果表明：1）使

22、用TIG焊LF21鋁合金原始焊接接頭的疲勞強度與其它焊接方法得到的同樣接頭的疲勞強度基本相當，試圖采用更高強度級別的S-N曲線對其進行設計時應持慎重態(tài)度。2）在應力比R=0.5時, 超聲沖擊處理使LF21鋁合金非承載十字焊接接頭（拉伸載荷）的疲勞強度提高了 26%,接頭壽命延長了 24倍。在應力比R=0.1時，超聲沖擊處理使T型接頭（三點彎曲載荷）的疲勞強度提高了 37%,接頭壽命延長了 48倍。在應力比R=-1時，超聲沖擊處理使-型接頭（三點彎曲載荷）疲勞強度提高了 44%,接頭壽命延長了 510倍。天津大學王東坡、霍立興、張玉鳳13等為研究變幅載荷作用下超聲沖擊處理焊接 接頭的疲勞行為，采

23、用非承載縱向角接接頭，進行了Q235B及16Mn原始焊態(tài)與超聲沖擊處理態(tài)的對比疲勞試驗。試驗結(jié)果表明：1）在變幅載荷作用下，Q235B超聲沖擊處 理試件與原始焊態(tài)試件相比，疲勞強度提高 69%左右，疲勞壽命延長5.719.0倍。2） 在變幅載荷作用下，16Mn超聲沖擊處理試件與原始焊態(tài)試件相比，疲勞強度提高 80% 左右，疲勞壽命延長2.517倍。3）在變幅載荷作用卜，超聲沖擊處理焊接接頭與原始 焊態(tài)試件的疲勞性能均有所下降：Q235B超聲沖擊處理焊接接頭的疲勞壽命約為恒幅 載荷作用時的1/3,原始焊態(tài)的疲勞壽命約為恒幅載荷作用時的 70%; 16Mn超聲沖擊處 理焊接接頭的疲勞壽命約為恒幅載

24、荷作用時的1/3,原始焊態(tài)的疲勞壽命約為恒幅載荷 作用時的75%。4）超聲沖擊處理焊接接頭在承受強烈的變幅載荷時依然具有很高的疲 勞強度。為了獲取超聲沖擊焊接接頭疲勞 S-N曲線，通過對原始焊接接頭疲勞 S-N曲線進行 修正。天津大學王東坡、田瑞瑩、霍立興 14等對大量超聲沖擊處理16MnSS800Q235B 焊接接頭的試驗結(jié)果進行分析總結(jié)，探討超聲沖擊焊接接頭疲勞設計與原始焊接接頭 的差異，并得到下述結(jié)論：材料強度對超聲沖擊方法改善焊接接頭疲勞性能的處理 效果有一定影響，隨著接頭材料強度的提高改善效果也越好，因此采用低強鋼超聲沖 擊處理焊接接頭的疲勞試驗結(jié)果得到疲勞設計 S-N曲線是安全的。

25、接頭強度對超聲沖擊 改善焊接接頭疲勞強度的處理效果有一定影響，隨著接頭靜強度的提高超聲沖擊處理 改善接頭疲勞性能的效果也越好。超聲沖擊處理焊接接頭試件S-N曲線的斜率m遠大于3（623）,不能將試驗結(jié)果硬性規(guī)定按m=3.0進行統(tǒng)計處理，推薦取m=10。經(jīng)過超 聲沖擊處理后其疲勞強度不再與所外加的平均應力無關(guān)，而是隨著應力比R的增加，接 頭所能夠承受的疲勞應力幅度有所降低。因此建議采用最大應力對超聲沖擊處理焊接接頭進行疲勞設計。當采用最大應力對超聲沖擊處理焊接接頭進行疲勞設計時，外 載荷中所含平均應力與超聲沖擊處理焊接接頭在FAT （200萬次循環(huán)次數(shù)下的特定疲勞強度，將其定為疲勞級FAT）下的

26、疲勞強度（應力范圍）之間的關(guān)系為：F（R）=1.25-0.5R,-1<R<0.5o天津大學王東坡、田瑞瑩、霍立興采用 HJ2 II型超聲沖擊槍，對轉(zhuǎn)向架用16MnR 鋼的焊接接頭表面進行超聲沖擊處理。利用 EHF_EM200K2-070-1A疲勞試驗機，采用 較低載荷頻率（低于10 Hz）對16MnR鋼焊接接頭超聲沖擊前后的疲勞性能進行對比試 驗。試驗結(jié)果表明：在疲勞壽命為2X106時，焊接接頭試樣在超聲沖擊處理前后的疲 勞強度分別為265和325 MPa,提高了 22. 6%;超聲沖擊處理后焊接接頭的疲勞壽命是 處理前的5159音。經(jīng)過超聲沖擊處理后，焊接接頭焊趾處的應力集中程度

27、和焊接殘 余應力降低，表明超聲沖擊處理對提高16MnR鋼焊接接頭疲勞性能具有顯著的效果。天津大學王東坡、霍立興、張玉鳳15利用自行研制的HJ-II型超聲沖擊裝置，研究 了超聲沖擊處理對BT20鈦合金焊接接頭的疲勞性能的影響，并對 TIG焊與電子束焊接 接頭的焊態(tài)及沖擊處理態(tài)進行了對比疲勞試驗。結(jié)果表明：超聲沖擊處理使BT20鈦合金TIG焊接接頭（拉伸載荷）的疲勞強度提高了 27%,壽命延長了 310倍；而電子束焊 接接頭的疲勞強度提高了 38%,壽命延長了 2940倍。Lappeenranta University白Weli-Matti Lihavainen 和Gary Marquis16對5

28、mm和 8mm的 S355 J0I岡焊接接頭進行焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)處理。試驗數(shù)據(jù)表明，1）相對國際焊接組織技術(shù)改善意見所推薦的斜率為3的SN曲線，超聲沖擊可以將疲勞強度提高46%。通過斜 率回歸分析，超聲沖擊可以使試件的疲勞強度明顯增加，超聲沖擊處理的焊接接頭SN曲線斜率為3.8,而對應2*106次疲勞極限可以提高66%。2）試件厚度對疲勞強度的影 響很小。厚度為8mm試件的疲勞強度比5mm的高出5-8%。3）低平均應力試驗（R=0.1） 獲取的疲勞弓5度比采用Ohta方法（omax =Fy）的高平均應力試驗高出19%。1.4.2 傳統(tǒng)焊后消除殘余應力的方法改善焊接形貌的方法：1） 磨削：毛刺磨

29、，圓盤研磨，射流侵蝕。2）再熔化：TIG熔化，等離子熔化。3） 特殊方法：焊接輪廓控制，特殊電極。殘余應力方法：1）機械方法：沖擊（噴丸、錘擊法、針噴丸、超聲沖擊），過載（初始過載、局部加壓）。2） 應力消除方法：熱失效、振動時效、局部加熱、切槽法、爆炸法。1.5可能的研究點1）鋁合結(jié)構(gòu)焊接應力變形數(shù)值模擬利用數(shù)值模擬技術(shù)較準確地預測焊接結(jié)構(gòu)的溫度場及殘余應力場、變形已成為可 能。但是目前焊接過程的數(shù)值模擬仍然存在很多難以解決的困難，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的 自由度規(guī)模龐大；材料高溫性能參數(shù)缺乏，非線性嚴重；焊接過程高度瞬態(tài)，溫度梯 度極大等。2）超聲場沖擊處理焊縫過程數(shù)值模擬建立模擬超聲沖擊殘余應力

30、場的三維有限元模型，預測鋁合金焊縫及其母材經(jīng)超聲沖擊后的殘余應力場分布。模擬過程中，分析沖擊速度、針頭直徑、沖擊時間、摩 擦力、沖擊次數(shù)以及不同覆蓋率等因素對超聲沖擊殘余應力場分布影響的規(guī)律。3）超聲沖擊處理對鋁合金焊接接頭表層組織性能的影響。（端口觀察）不通工藝參數(shù)下試件的表面粗糙度、表面硬度、彈性模量。例，采用美國MTS公司生產(chǎn)的Nano Indenter XP型納米壓痕儀.該通過納米壓痕的載荷-位移曲線可以推算 出納米硬度H和彈性模量E這2個最常見的力學參量17。4）研究鋁合金焊接接頭的疲勞斷裂特性。（疲勞試驗）分析產(chǎn)生疲勞斷裂危害的因素，估算焊接接頭的疲勞壽命，探索提高鋁合金焊接 接頭

31、疲勞性能的方法具有重要的實用價值。5）理論模型預測UIT可以提高焊縫接頭的疲勞壽命的程度。（理論模型）Veli-Matti Lihavainen在其博士論文中得出如下結(jié)論18:通常假定，UIT方法延長了 焊接接頭全程疲勞壽命中的裂紋萌生期。局部應力應變法可以估計裂紋萌生期壽命。依據(jù)歐洲制定的修正統(tǒng)一材料法則，可以確定材料的參數(shù)。利用有限單元法和X射線衍射法分別獲取集中應力和平均應力。通過以上方法得到的理論疲勞壽命與試驗獲取的 疲勞壽命精確一致。通過局部應力應變法和統(tǒng)一的材料法則可以很好的預測焊接接頭 的疲勞壽命。The goal of this work has been to present

32、 some new experimental data illustrating the significant fatigue strength improvement obtained using UIT and to investigate one method for explaining this degree of fatigue improvement The novel method for predicting degree of fatigue improvement assumesthat UIT is able to induce a significant perio

33、d of crack initiation which can be assessedjsing statically measurablequantities, e.g. residual stress state, hardness and UIT groove geometry.The fatigue strength improvement is based on the assumption that total life is the sum of crack initiation and crack propagation lives. Because the ultrasoni

34、c impact treatment effectively removes any initial crack-like flaw caused by the welding process, the local strain approach is used for computing the crack initiation portion of fatigue life (Bannantine et al. 1990, Dowling 1999). Fatigue strength and fatigue ductility coefficients along with the as

35、sociatedexponents, which are needed for the local strain approach, can sometimes be found from published literature (Boller and Seeger 1987), but for many materials these quantities are unavailable and must be estimated. In a case of ultrasonic impact treatment, the material is highly cold formed an

36、d thus the required coefficients and exponents are not available. In this study, coefficients and exponents at the weld toe are estimated based on the concept of the uniform material law, UML, developed by B?umel and Seeger (1990).Predicted total fatigue lives, i.e., the sum of crack initiation live

37、s and crack propagation lives, have been compared to experimental fatigue lives. Experimental data was obtained on fatigue tests performed at the Lappeenranta University of Technology. Test specimens with longitudinal non-load-carrying attachment were fabricated from S355J0 structural steel with pla

38、te thickness of 5 or 8 mm. Constant amplitude fatigue testing was executed with axial tension. The purpose of fatigue testing was to define the as-welded and the UIT improved fatigue strength for the welded non-load carrying longitudinal attachments. Other objectives were to evaluate the effect of t

39、hickness between 5 and 8 mm specimensand the effect of mean stress. For some tests beach marking techniques were used to help experimentally establish the portion of total fatigue life involved in crack initiation.Stress magnifications factors, Mk factors, were computed using the weight function met

40、hod. Fracture mechanic predictions were based on the range of stress intensity factor and Paris crack growth law.Estimating the fatigue strength coefficient, ductility coefficient, fatigue strength exponent and fatigue ductility exponent is an important element of this thesis. So, a brief descriptio

41、n of eight published methods for estimating these coefficients and exponents are summarized. These eight methods are: the uniform material law, four-point correlation method, universal slopes method, Mitchell , modfiedethor-point correlation method, a modified universal slopes method, the hardness m

42、ethod and a method involving statistical evaluation.It is assumed that the fatigue strength improvement is due primarily to the introduction of a significant crack initiation period that can be modeled using a local model of the weld toe.6） VSR、UIT聯(lián)合時效處理焊接接頭。VSR可以使內(nèi)部殘余應力消除或均化，UIT可以形成表面壓應力層，使晶粒細化， 提高

43、表層硬度。7）如何強化焊絳芯部的強度。超聲沖擊處理使薄弱的焊趾處得到了有效的強化，但由于接頭余高的存在。超聲 沖擊處理后焊縫芯部未得到充分強化，仍有較大比例的焊接缺陷存在，這是造成處理 后試樣在焊縫中部斷裂的主要原因。8）根據(jù)鋁合金構(gòu)件的承載特性，選取相應的超聲沖擊工藝。（應用場合）超聲沖擊處理法改善焊接接頭疲勞性能的實際效果與所施加的載荷類型有一定的 關(guān)系。1.6超聲沖擊的發(fā)展趨勢1.6.1 表面自納米化技術(shù)一超聲表面滾壓加工( USRPP表面納米化技術(shù)能夠在材料表面制備出一定厚度的納米晶層，從而將納米材料的 優(yōu)異性能與傳統(tǒng)工程材料相結(jié)合，其中以表面納米化技術(shù)應用最為廣泛，如表面機撼 研磨、

44、高能噴丸、超聲噴丸和超音速微粒轟擊等,然而，不恰當?shù)奶幚砉に嚂斐刹?料表面狀態(tài)的惡化，產(chǎn)生壓痕交疊、微裂紋等表面缺陷,引起應力集中，降低結(jié)構(gòu)的 疲勞強度，加快腐蝕和磨損。超聲表面滾壓加工(USRP)作為一種新興的超聲輔助表 面改性方法可以兼顧晶粒細化、加工硬化與表面粗糙度等問題。天津大學的劉宇、王立君、王東坡等19研究了超聲表面滾壓加工40Cr表層的力學 性能，采用納米壓痕實驗測定了表層的彈性模量、納米硬度和殘余應力，實驗結(jié)果表 明：經(jīng)過超聲表面滾壓后，40Cr表層的彈性模量和硬度都得到顯著提高，最大值均位 于表面，往復加工3遍的表面彈性模量和硬度分別為217.16 GP親口3.588 GP

45、a,加工6遍 的表面彈性模量和硬度分別為224.8 GPaF口3.857 GPa;同時表層獲得一定數(shù)值的殘余壓 應力，最大值位于表面并隨著加工遍數(shù)的增加而增大，對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)往復加工次 數(shù)對表層的力學性能有重要的影響。理論和實驗均證實納米硬度H不受任何預存的殘余 應力影響，據(jù)此可以由納米壓痕實驗曲線確定材料的殘余應力。1E.S. Statnikov, V.O. Muktepavel, V.I. Trufyakov, P.P. Mikheev, A.Z. Kuzmenko, A. Blomqvist. Efficiency Evaluation of Ultrasonic Impact Treatment (UIT) of Welded Joints in Weldox 420 Steel in accordance with the IIW ProgramJ.APPLIED ULTRASONICS, IIW/IIS - DOCUMENT XII