超聲沖擊技術的研究與應用

摘 要：焊接結構件承受交變動荷載時，經常會發生突然斷裂事故，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，特別是在沒有熱處理條件的情況下，采用超聲沖擊的方法對焊縫進行消應力處理，以達到消除焊縫殘余應力和提高疲勞性能的目的。

關鍵詞：超聲沖擊處理；焊縫；殘余應力；疲勞性能。

1 前言

焊接作為金屬材料的主要連接方式被廣泛采用。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，而承受交變動荷載時，其承受能力卻遠遠低于母材。因此，對于承受交變動荷載的焊接結構，經常會發生突然斷裂事故，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。2000年美國國家焊接學會將超聲沖擊處理技術列入《焊接行業發展戰略技術指南》， 2003年超聲沖擊作為一項革命性的新技術已在航空航天、橋梁、起重機、船舶、機車車輛、工程機械、礦山機械、軍工領域等動載荷作用下的構件中普及。在汽輪發電機和水輪發電機組中，有許多承受交變動荷載的焊接部件，特別是在沒有熱處理條件的地方。

2 主要內容

2.1 超聲沖擊技術原理及設備

超聲波發生器產生頻率大于18KHz的振蕩電信號，通過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能量；最后通過變截面設計的變幅桿將振幅放大至50μm。然后把振動能量通過各種形式的工具頭傳到被處理焊縫區域的表面。圖1是超聲沖擊設備，圖2是幾種可更換的常規沖擊頭。

2.2 設備參數合理選擇

焊后采用過大的沖擊力反而很可能會引起新的裂紋，這就是使用風鎬之類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年功能陶瓷技術的發展，國產壓電陶瓷片的各項性能指標與進口同類產品幾乎沒有差別，完全能夠滿足設備的使用要求，目前國產壓電陶瓷片占據90%市場份額。對于壓電陶瓷式設備功率在150 W-300W之間是最理想狀態。

2.3 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，產生壓應力層。以點沖擊接觸，使近表面的拉應力變為壓應力特征的“面效應”型消應力工藝。它是以提高焊縫近表面疲勞性能為主要技術定位的，適用于關鍵焊縫局部處理。

厚板分層焊接的分層沖擊，使整個焊接結構具有更好的疲勞性能，同時可消除因疲勞引起的裂紋。適用于沒有熱處理條件并承受交變動荷載的焊接部件。

3 經過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%CO2的混合氣體，焊接材料是ER50-6的φ1.2mm焊絲，焊接電流：220～260A，焊縫經過充分的超聲沖擊處理后進行表面殘余應力測試，圖3為焊態的應力沿層深方向分布情況；圖4經超聲沖擊處理后的應力狀態沿層深方向分布情況。

4 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，可以得到以下效果：焊縫表面下1～2mm的深度范圍內產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% 。尤其值得關注的是，經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。

5 提高疲勞強度的機理

超聲沖擊是通過改善焊趾幾何形狀，使焊縫表面形成光滑過渡圓弧、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，延長疲勞壽命，防止焊縫開裂。

6 實際應用

洪江水電廠安裝6臺單機45MW燈泡貫流式機組， 2004年底，電廠定期檢測陸續發現#3-#5機組轉子支臂存在裂紋缺陷，裂紋多出現在輪轂圓盤和支臂筋板之間的焊縫處，呈斷續狀分布。機組裂紋最多時有196條，總長度14.6m，單條裂紋最長135mm、最深10mm，嚴重影響了電廠安全穩定運行。2006年，進行了#3-#5機組轉子支臂裂紋焊接處理，機組運行一段時間后，探傷復查又發現新的裂紋，并有擴展趨勢，效果不理想。由于在發電機風洞內施工安全風險大，且對同一位置的反復焊接，會影響結構強度和引起磁軛變形，嚴重時可能導致轉子報廢。因此，經過深入研究轉子支臂產生裂紋的原因，改進了處理方案并實施。

通過對電廠轉子中心體輪轂圓盤（材質18MnMoNb）和斜支臂（材質16Mn）取樣進行分析，運用碳當量法計算兩種材質的冷裂傾向，系統地比較18MnMoNb和16Mn鋼材焊接性能的差異，分析裂紋的性質是冷裂紋；采用有限元方法計算出轉子支架應力分布及應力集中部位；經綜合分析，裂紋產生的原因是由于輪轂圓盤和支臂不同材質鋼種焊接工藝控制不佳，鋼材淬硬性較高，易受氫侵蝕而脆化，在拘束應力和運行過程中產生的交變應力的作用下，發展成為微觀裂紋源，進而擴展成為宏觀裂紋，嚴重時可導致焊縫的疲勞斷裂。

根據轉子支臂裂紋產生的原因，提出改進處理措施：除了調整焊接工藝，選擇低氫焊材等；焊縫采用超聲沖擊技術消除焊縫殘余應力，使焊縫圓滑過渡，消除局部區域尖銳突出、未熔合、咬邊等缺陷，提高焊縫的抗疲勞強度，有效地控制了焊縫冷裂紋產生。經過兩年多的運行檢驗，轉子支臂裂紋由處理前平均150余條減少到近10條淺表裂紋，經打磨后消失。轉子支臂裂紋處理達到預期目的。

7 結論

試驗結果和實際應用效果表明，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，延長疲勞壽命，防止焊縫開裂。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，也適用于關鍵焊縫的局部處理。

參考文獻

[1]劉強.洪江水電廠轉子支臂裂紋原因分析及處理方法研究，洪江水電廠，2010年.