探讨超声冲击法提高焊接接头疲劳特性研究进展

梁秋鸿

摘 要：焊接结构在实际操作中如果出现失效等情况，主要表现为疲劳断裂。焊接结构强度在实际操作中具有关键性的作用，在较大程度上决定焊接接头的疲劳强度。由此来看，提高焊接接头疲劳性能，可以从根本上提高焊接结构性能。本文主要对超声冲击处理技术进行简要介绍，说明提高焊接接头疲劳性的必要性，并对超声波冲击法提高焊接接头疲劳性做出进一步研究。

关键词：超声冲击法；焊接接头；疲劳特性；研究

超声冲击处理主要依靠提高表面硬化程度，达到加强金属零件性能的目的。在这一过程中，利用细化金属表层晶粒，降低材料缺陷，并在表面填加有益残余压应力达到目的。主要以超声波为动力源，对金属表面进行冲击，使金属表面受到强力冲击而塑性变形，最终提高金属的性能。下面对超声波处理技术的原理进行简要介绍，进一步提高焊接接头疲劳特性。

1 超声冲击处理技术

1.1 技术原理

表面机械加工处理法以及非平衡热力学法都属于传统的方法，主要是依靠纳米技术，对金属表面进行加工处理。近年来使用的新技术主要有，超音速微粒冲击技术以及超声喷丸技术。从根本上来说，超声冲击表面纳米化技术主要是通过将传统技术与新技术相结合，利用两种技术的原理和优点，实现传统方法的进一步优化。该方法主要是以超声波为动力源，利用超声波高能的特点，对金属表面进行加工处理。主要原理是，通过超声冲击，利用冲击枪的冲击头，按照材料表面发展轨迹，对工件实施相适应幅度的超声频机械振动。并在速度、静压力及冲击条件良好的情况下，将超声振动施加于材料表面，并传递适当压力。通过高能的机械振动，使表层晶粒发生塑性变形，形成表层纳米化。最终达到提高金属表面抗疲劳及磨损性能的目的。

1.2 基本装置

超声波冲击设备主要由两部分组成，其中一部分是超声波电源，另一部分是超声冲击枪。利用超声波电源能够成功将50Hz的工频交流电信号成功转换为超声频20kHz的交流信号。其中超声冲击枪主要由三部分组成，分别是换能器、变幅杆以及冲击针。换能器的作用主要是将超声波电源提供的超声频交流信号转变为与超声波同频率的机械伸缩振动。其中伸缩振动幅值要达到规定要求。在符合条件的情况下实现目标零件表面产生的塑性变形，在这一过程中，振动幅度以及变幅杆都起到了关键性作用。在变幅杆的作用下振奋能够达到50μm，并且当振幅放大以后，例如冲击针可以对工件表面进一步强化。超声波冲击技术由于效果较好，且具有操作方便，噪音小的特点。现阶段，各企业将成本低且节能环保作为工作目标的情况下，该技术已经成为一种较为理想的焊接接头疲劳性能技术。目前从我国焊接技术发展来看，我国已经生产出第三代HJ-Ⅲ型超声冲击设备，并在不断实践发展中对该设备进行改进，使我国超声冲击技术能够得到不断的发展与推广。不仅如此，在这一过程中，也有利于推动超声冲击表面纳米化技术的发展进程。

2 提高焊接接头疲劳性的必要性

2.1 改善几何外形

从根本上来说，影响焊接接头疲劳性能的主要因素可以分为几个方面。其中之一是焊接接头的几何形状。在实践操作中常见的焊接接头形状主要有，T型接头、十字接头、角接接头等。但是任何一种接头在经过焊接以后都需要进一步加工处理。我国焊接方面相关研究人员王东坡对超声冲击法提高焊接接头疲劳强度的机理问题进行了有效分析。该研究学者将超声冲击处理前后接接头焊趾进行了有效对比，并测量几何外形与过渡半径。实践发现超声冲击处理后，焊趾区过渡半径发生增大，并且应力集中程度有所降低。另外一位研究人员赵晓辉，针对钛合金焊接接头的疲劳性能做出研究。在研究过程中认为，焊接接头焊趾区半径在经过加工处理后，由之前的0.2～0.95mm变为1.4～3.5mm。由此可以看出，在经过焊接技术后，接头焊趾区的几何外形能够得到有效改善。除此之外，在应力集中指数方面也能得到大幅度改善。通过对其他研究结果来看，焊趾几何外形对应力集中的影响主要表现在，对金属进行超声波处理后，焊趾几何外形不仅可以变得更加平滑，也能在减小缺陷的基础上，降低应力集中程度。从以上研究来看，超声波冲击处理技术的整体加强，可以改善焊接接头的结构外形。通过改善几何外形，提高焊趾过渡半径，降低集中应力，最终到达提高焊接接头疲劳性能的目的。图1和图2为原始焊态与冲击处理态：

2.2 改善组织形态

焊接接头的抗疲劳性能可以通过改善组织形态与晶粒细化实现。通常在超声冲击处理表面时，由于受到外加载荷重复的影响，能够使表面晶粒组织发生较为强烈的塑性变形。并且在时间的积累下，塑性变形量会不断增大，并且会逐渐扩展。实践证明，经过处理后的晶粒尺寸通常由表面向内部分布。这种组织结构要根据显微组织，获得根本的微观变形促织规律。通过研究发现，表层细晶组织在一定程度上可以防止裂纹的出现。由于通常情况下，内部的粗晶组织可以阻碍裂纹的扩展。某研究学者主要针对超声冲击处理对2A12铝合金焊接接头表层组织进行研究，并对晶粒细化的因素与其它研究学者讨论。认为超声冲击处理会使金属表面发生剧烈变形，从而导致晶粒尺寸减小。由此来看，超声冲击处理可以改善焊接接头组织形态，通过细晶组织提高裂纹抗力，最终提高焊接接头抗疲劳性能。

2.3 引入残余应力

实践表面，在焊接中通常会出现焊接缺陷。例如气孔、夹渣等。这些缺陷会造成集中应力的出现，从而影响材料的疲劳性能。由此來看，可以通过降低疲劳应力，提高金属疲劳性能。相关研究学者对2A12铝合金进行超声冲击处理疲劳性能研究，发现在引入残余应力后，金属表面残余压应力的大小会在冲击温度不断提高的情况下逐渐增加。

3 超声冲击法提高焊接接头疲劳特性研究

近年来，超声冲击表面的纳米化对焊接接头性疲劳性能的提高具有关键性作用，并且受到相关研究人员的广泛关注。部分研究人员针对此问题进行深入研究，对比低相变点焊条与超声冲击两种方法对焊接接头疲劳性的影响。并通过大量实践认为，焊条焊接的对接接头在疲劳强度方面提高11%，角接接头疲劳强度提高41%。在经过超声冲击处理后，两种类型的抗疲劳强度分别提高50%与71%。通过实验数据可以发现，超声冲击处理能够有效提高焊接接头的疲劳强度，并且与其它方法相比更好一些。除此之外，利用超声冲击处理技术改变微观结构也可以使疲劳性得到提高。通过重复超声冲击指初次，实现对焊接接头的处理，并在循环实验后，检测疲劳寿命。由此得到超声冲击效果比激光冲击效果更好的结论。

4 总结

综上所述，超声冲击纳米表面技术在焊接接头方面已经得到显著成效。为进一步提高焊接接头疲劳特性，首先研究人员要对超声冲击处理技术的基本原理有所掌握。并了解由于改善焊接接头疲劳性的因素，例如通过改善几何外形、组织结构与引入残余应力等。超声冲击处理能够在大幅度上提高焊接接头的疲劳性能，是目前为止较为良好的工艺方法。并且在提高焊接接头疲劳强度与疲劳寿命方面，发挥较大作用。也可以说，超声冲击表面纳米技术具有较大的发展前景。

参考文献：

[1]王桂阳，王海斗，张玉波，李国禄，范博楠.超声冲击法提高焊接接头疲劳特性研究进展[J].材料导报，2017 （09）：87-94.

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