探討超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞特性研究進展

梁秋鴻

摘 要：焊接結構在實際操作中如果出現失效等情況，主要表現為疲勞斷裂。焊接結構強度在實際操作中具有關鍵性的作用，在較大程度上決定焊接接頭的疲勞強度。由此來看，提高焊接接頭疲勞性能，可以從根本上提高焊接結構性能。本文主要對超聲沖擊處理技術進行簡要介紹，說明提高焊接接頭疲勞性的必要性，并對超聲波沖擊法提高焊接接頭疲勞性做出進一步研究。

關鍵詞：超聲沖擊法；焊接接頭；疲勞特性；研究

超聲沖擊處理主要依靠提高表面硬化程度，達到加強金屬零件性能的目的。在這一過程中，利用細化金屬表層晶粒，降低材料缺陷，并在表面填加有益殘余壓應力達到目的。主要以超聲波為動力源，對金屬表面進行沖擊，使金屬表面受到強力沖擊而塑性變形，最終提高金屬的性能。下面對超聲波處理技術的原理進行簡要介紹，進一步提高焊接接頭疲勞特性。

1 超聲沖擊處理技術

1.1 技術原理

表面機械加工處理法以及非平衡熱力學法都屬于傳統的方法，主要是依靠納米技術，對金屬表面進行加工處理。近年來使用的新技術主要有，超音速微粒沖擊技術以及超聲噴丸技術。從根本上來說，超聲沖擊表面納米化技術主要是通過將傳統技術與新技術相結合，利用兩種技術的原理和優點，實現傳統方法的進一步優化。該方法主要是以超聲波為動力源，利用超聲波高能的特點，對金屬表面進行加工處理。主要原理是，通過超聲沖擊，利用沖擊槍的沖擊頭，按照材料表面發展軌跡，對工件實施相適應幅度的超聲頻機械振動。并在速度、靜壓力及沖擊條件良好的情況下，將超聲振動施加于材料表面，并傳遞適當壓力。通過高能的機械振動，使表層晶粒發生塑性變形，形成表層納米化。最終達到提高金屬表面抗疲勞及磨損性能的目的。

1.2 基本裝置

超聲波沖擊設備主要由兩部分組成，其中一部分是超聲波電源，另一部分是超聲沖擊槍。利用超聲波電源能夠成功將50Hz的工頻交流電信號成功轉換為超聲頻20kHz的交流信號。其中超聲沖擊槍主要由三部分組成，分別是換能器、變幅桿以及沖擊針。換能器的作用主要是將超聲波電源提供的超聲頻交流信號轉變為與超聲波同頻率的機械伸縮振動。其中伸縮振動幅值要達到規定要求。在符合條件的情況下實現目標零件表面產生的塑性變形，在這一過程中，振動幅度以及變幅桿都起到了關鍵性作用。在變幅桿的作用下振奮能夠達到50μm，并且當振幅放大以后，例如沖擊針可以對工件表面進一步強化。超聲波沖擊技術由于效果較好，且具有操作方便，噪音小的特點。現階段，各企業將成本低且節能環保作為工作目標的情況下，該技術已經成為一種較為理想的焊接接頭疲勞性能技術。目前從我國焊接技術發展來看，我國已經生產出第三代HJ-Ⅲ型超聲沖擊設備，并在不斷實踐發展中對該設備進行改進，使我國超聲沖擊技術能夠得到不斷的發展與推廣。不僅如此，在這一過程中，也有利于推動超聲沖擊表面納米化技術的發展進程。

2 提高焊接接頭疲勞性的必要性

2.1 改善幾何外形

從根本上來說，影響焊接接頭疲勞性能的主要因素可以分為幾個方面。其中之一是焊接接頭的幾何形狀。在實踐操作中常見的焊接接頭形狀主要有，T型接頭、十字接頭、角接接頭等。但是任何一種接頭在經過焊接以后都需要進一步加工處理。我國焊接方面相關研究人員王東坡對超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞強度的機理問題進行了有效分析。該研究學者將超聲沖擊處理前后接接頭焊趾進行了有效對比，并測量幾何外形與過渡半徑。實踐發現超聲沖擊處理后，焊趾區過渡半徑發生增大，并且應力集中程度有所降低。另外一位研究人員趙曉輝，針對鈦合金焊接接頭的疲勞性能做出研究。在研究過程中認為，焊接接頭焊趾區半徑在經過加工處理后，由之前的0.2～0.95mm變為1.4～3.5mm。由此可以看出，在經過焊接技術后，接頭焊趾區的幾何外形能夠得到有效改善。除此之外，在應力集中指數方面也能得到大幅度改善。通過對其他研究結果來看，焊趾幾何外形對應力集中的影響主要表現在，對金屬進行超聲波處理后，焊趾幾何外形不僅可以變得更加平滑，也能在減小缺陷的基礎上，降低應力集中程度。從以上研究來看，超聲波沖擊處理技術的整體加強，可以改善焊接接頭的結構外形。通過改善幾何外形，提高焊趾過渡半徑，降低集中應力，最終到達提高焊接接頭疲勞性能的目的。圖1和圖2為原始焊態與沖擊處理態：

2.2 改善組織形態

焊接接頭的抗疲勞性能可以通過改善組織形態與晶粒細化實現。通常在超聲沖擊處理表面時，由于受到外加載荷重復的影響，能夠使表面晶粒組織發生較為強烈的塑性變形。并且在時間的積累下，塑性變形量會不斷增大，并且會逐漸擴展。實踐證明，經過處理后的晶粒尺寸通常由表面向內部分布。這種組織結構要根據顯微組織，獲得根本的微觀變形促織規律。通過研究發現，表層細晶組織在一定程度上可以防止裂紋的出現。由于通常情況下，內部的粗晶組織可以阻礙裂紋的擴展。某研究學者主要針對超聲沖擊處理對2A12鋁合金焊接接頭表層組織進行研究，并對晶粒細化的因素與其它研究學者討論。認為超聲沖擊處理會使金屬表面發生劇烈變形，從而導致晶粒尺寸減小。由此來看，超聲沖擊處理可以改善焊接接頭組織形態，通過細晶組織提高裂紋抗力，最終提高焊接接頭抗疲勞性能。

2.3 引入殘余應力

實踐表面，在焊接中通常會出現焊接缺陷。例如氣孔、夾渣等。這些缺陷會造成集中應力的出現，從而影響材料的疲勞性能。由此來看，可以通過降低疲勞應力，提高金屬疲勞性能。相關研究學者對2A12鋁合金進行超聲沖擊處理疲勞性能研究，發現在引入殘余應力后，金屬表面殘余壓應力的大小會在沖擊溫度不斷提高的情況下逐漸增加。

3 超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞特性研究

近年來，超聲沖擊表面的納米化對焊接接頭性疲勞性能的提高具有關鍵性作用，并且受到相關研究人員的廣泛關注。部分研究人員針對此問題進行深入研究，對比低相變點焊條與超聲沖擊兩種方法對焊接接頭疲勞性的影響。并通過大量實踐認為，焊條焊接的對接接頭在疲勞強度方面提高11%，角接接頭疲勞強度提高41%。在經過超聲沖擊處理后，兩種類型的抗疲勞強度分別提高50%與71%。通過實驗數據可以發現，超聲沖擊處理能夠有效提高焊接接頭的疲勞強度，并且與其它方法相比更好一些。除此之外，利用超聲沖擊處理技術改變微觀結構也可以使疲勞性得到提高。通過重復超聲沖擊指初次，實現對焊接接頭的處理，并在循環實驗后，檢測疲勞壽命。由此得到超聲沖擊效果比激光沖擊效果更好的結論。

4 總結

綜上所述，超聲沖擊納米表面技術在焊接接頭方面已經得到顯著成效。為進一步提高焊接接頭疲勞特性，首先研究人員要對超聲沖擊處理技術的基本原理有所掌握。并了解由于改善焊接接頭疲勞性的因素，例如通過改善幾何外形、組織結構與引入殘余應力等。超聲沖擊處理能夠在大幅度上提高焊接接頭的疲勞性能，是目前為止較為良好的工藝方法。并且在提高焊接接頭疲勞強度與疲勞壽命方面，發揮較大作用。也可以說，超聲沖擊表面納米技術具有較大的發展前景。

參考文獻：

[1]王桂陽，王海斗，張玉波，李國祿，范博楠.超聲沖擊法提高焊接接頭疲勞特性研究進展[J].材料導報，2017 （09）：87-94.

[2]周尚諭.超聲沖擊改善16MnR焊接接頭疲勞壽命的原因細分研究[D].南昌：華東交通大學，2017.