超聲沖擊處理

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(dòng)載嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)。因此，在焊接結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中或完成后，采取有效的工藝措施，提高它們的疲勞強(qiáng)度意義重大。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著車(chē)輛提速的要求，鋁合金被廣泛的用作車(chē)體材料。但是，焊接殘余應(yīng)力的存在會(huì)使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，是工件開(kāi)裂或變形的主要原因，也是影響構(gòu)件強(qiáng)度和壽命的主要因素。目前，主要采用氬弧焊的方法對(duì)合金進(jìn)行焊接，焊接工藝的固有特點(diǎn)，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(yīng)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(guò)程中熱輸入量較大，使焊接接頭焊后存在大量殘余應(yīng)力，且焊縫處容易出現(xiàn)氣孔、縮松等缺陷，影響了結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)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(fù)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(shè)計(jì)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(shí)用價(jià)值。大量研究和實(shí)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(yīng)力集中及消除焊趾表面的缺陷；調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，消除其消極影響，使之朝有利于疲勞強(qiáng)度提高的方向轉(zhuǎn)變，顯然能夠大幅度地改善焊接接頭及結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度。相關(guān)方法很多，如TIG熔修法、機(jī)械打磨焊趾法、爆炸法、噴丸法、過(guò)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(shí)驗(yàn)室階段。目前應(yīng)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(fù)雜，工藝不當(dāng)反而會(huì)造成副作用。這種方法需要保護(hù)氣體，因此露天采用氣體保護(hù)難以保證，應(yīng)用受到一定限制。噴丸法是實(shí)際應(yīng)用較多的一種。但這種方法也存在著噪聲大、設(shè)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(dòng)作業(yè)、野外施工困難。由于丸粒反彈，存在安全防護(hù)問(wèn)題，且丸粒需要回收清理。捶擊法效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、可控性差、效果不穩(wěn)定噪聲也大。試驗(yàn)證明E.S.Statnikov,V.O.Muktepavel,V.I.Trufyakov,P.P.Mikheev,A.Z.Kuzmenko,A.Blomqvist.EfficiencyEvaluationofUltrasonicImpactTreatment(UIT)ofWeldedJointsinWeldoxE.S.Statnikov,V.O.Muktepavel,V.I.Trufyakov,P.P.Mikheev,A.Z.Kuzmenko,A.Blomqvist.EfficiencyEvaluationofUltrasonicImpactTreatment(UIT)ofWeldedJointsinWeldox420SteelinaccordancewiththeIIWProgram[J].APPLIEDULTRASONICS,IIW/IIS-DOCUMENTXIII-1817-00用超聲波沖擊的方法來(lái)提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的研究，在國(guó)際上剛剛開(kāi)始。該方法提高疲勞強(qiáng)度的機(jī)理與錘擊和噴丸基本一致。但執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、應(yīng)用時(shí)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)疲勞性能得到顯著改善。超聲沖擊是目前國(guó)際上公認(rèn)最有效、最便捷的提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命，消除殘余應(yīng)力，抑制焊接裂紋，減小變形的新技術(shù)，適合無(wú)法進(jìn)行熱時(shí)效，材質(zhì)比較軟的各類(lèi)結(jié)構(gòu)。經(jīng)超聲沖擊處理后在焊趾處會(huì)產(chǎn)生圓滑過(guò)渡?？山档秃钢禾幍膽?yīng)力集中系數(shù)和疲勞缺口的敏感度。大大降低了應(yīng)力集中程度．降低了對(duì)材料的損壞作用，同時(shí)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。超聲波時(shí)效原理殘余應(yīng)力是物體發(fā)生塑性變形后微觀晶粒產(chǎn)生位錯(cuò)和畸變的結(jié)果，這時(shí)物體的內(nèi)能除位錯(cuò)能外，還有位錯(cuò)組態(tài)能、彈性性能，總能較高，從熱力學(xué)的角度看是不穩(wěn)定的。選擇合適的沖擊頻率對(duì)物體進(jìn)行沖擊。如果沖擊提供的能量不足以使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和打破原來(lái)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力自然不會(huì)發(fā)生變化。如果沖擊能夠驅(qū)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，迫使晶?；貜?fù)到平衡位置，原來(lái)的位錯(cuò)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(yīng)力重新分布，得到釋放。超聲波時(shí)效基本原理是利用大功率超聲波推動(dòng)沖擊工具以20000次/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(shí)超聲波時(shí)效儀改變了原有的應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，并使被沖擊表面得以強(qiáng)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(qiáng)度，大幅度延長(zhǎng)其疲勞壽命；消除殘余拉應(yīng)力，并使被沖擊部位產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而提高工件的承載能力；有效改善焊趾的幾何形狀，大大降低焊趾處的應(yīng)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(qiáng)化金屬零件表面，提高表面質(zhì)量和使用壽命。該設(shè)備高效、節(jié)能、無(wú)污染、使用方便，不受工件形狀、場(chǎng)地、環(huán)境的限制，處理效果顯著。通過(guò)采用外場(chǎng)作用改善焊縫性能的方法有許多研究和應(yīng)用，超聲沖擊(Ultrasonicimpacttreatment，UIT)就是一種很有效的方法之一。通過(guò)焊后超聲沖擊可以大大提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，能提高接頭疲勞壽命幾倍甚至幾十倍以上。殘余應(yīng)力的大小是影響焊接結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)，超聲沖擊后殘余應(yīng)力的變化是導(dǎo)致焊縫疲勞性能改善的主要原因之一。上海交通大學(xué)的饒德林、陳立功、倪純珍和朱政強(qiáng)饒德林,陳立功,倪純珍,朱政強(qiáng).超聲沖擊對(duì)焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的影響[J].焊接學(xué)報(bào),2005,26(4):48-50以Q345鋼結(jié)構(gòu)箱型柱為對(duì)象，研究了超聲沖擊工藝對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。對(duì)電渣焊和埋弧焊兩種焊縫進(jìn)行了超聲沖擊試驗(yàn)，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(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明：1）采用超聲沖擊消除應(yīng)力技術(shù)，可以在焊縫表面形成壓應(yīng)力層。超聲沖擊對(duì)一定深度的表層有消應(yīng)力的效果，在采用對(duì)焊道全覆蓋沖擊時(shí)，對(duì)2~4mm深度層消除應(yīng)力效果可達(dá)34％~55％。2）饒德林,陳立功,倪純珍,朱政強(qiáng).超聲沖擊對(duì)焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的影響[J].焊接學(xué)報(bào),2005,26(4):48-50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(yīng)力集中，提高焊接接頭的疲勞壽命。全覆蓋沖擊的消應(yīng)力效果包括由于沖擊生成的表面壓應(yīng)力對(duì)原始應(yīng)力分布的調(diào)整以及超聲振動(dòng)時(shí)效的作用，其表現(xiàn)為生成壓應(yīng)力的薄層。壓應(yīng)力層應(yīng)該處于焊縫的淺表面(小于3mm)，它對(duì)近表面的拉應(yīng)力有較明顯的消除效果。超聲沖擊國(guó)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(xué)院提出的一種采用超聲振動(dòng)激勵(lì)消除焊接殘余應(yīng)力的新方法。該方法是在焊接的同時(shí)，施加超聲振動(dòng)激勵(lì)，測(cè)試結(jié)果表明，焊接后殘余應(yīng)力顯著減小。1999年，天津大學(xué)的王東坡，霍立興，張玉風(fēng)王東坡,霍立興,張玉鳳等.提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的超聲波沖擊法[J].焊接學(xué)報(bào),1999,20(3):158王東坡,霍立興,張玉鳳等.提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的超聲波沖擊法[J].焊接學(xué)報(bào),1999,20(3):158-163超聲沖擊的工藝研究在近十年中，對(duì)VSR進(jìn)行較為系統(tǒng)研究的莫過(guò)于英國(guó)斯特拉思克萊德大學(xué)的Munsi等，他們對(duì)焊接件殘余應(yīng)力進(jìn)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(yīng)力效果的結(jié)論Aoki,Sh.,Nishimura,T.Reductionofresidualstressforweldedjointsusedvibrationload[J].Proceedingsofthe1998ASME/JSMEJointPressureVesselsandPipingConference。然后對(duì)焊接后VSR技術(shù)進(jìn)行了分析，提出振動(dòng)幅值比振動(dòng)時(shí)間更決定VSR效果的結(jié)論，從而得到引入振動(dòng)能量并不是產(chǎn)生VSR的原因。接著研究了VSR對(duì)焊接材料殘余應(yīng)力、微結(jié)構(gòu)、硬度等的影響，得到VSR使殘余應(yīng)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。將焊接后試樣分別進(jìn)行熱時(shí)效和VSR處理，發(fā)現(xiàn)和熱時(shí)效相反，VSR可以提高材料疲勞壽命的結(jié)論。通過(guò)對(duì)焊接桿件施加扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，得出采用較小力矩就可以消除較大殘余應(yīng)力的結(jié)論。芬蘭坦佩雷工業(yè)大學(xué)Lindgren等的最新研究得到了非常有意義的結(jié)果，他們對(duì)軸向焊接的低碳鋼管的VSR問(wèn)題進(jìn)行了研究，同時(shí)殘余應(yīng)力分別采用巴克豪森噪聲法及X射線衍射法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明，雖然試樣的殘余應(yīng)力在VSR后得到減小，但是該Aoki,Sh.,Nishimura,T.Reductionofresidualstressforweldedjointsusedvibrationload[J].Proceedingsofthe1998ASME/JSMEJointPressureVesselsandPipingConference天津大學(xué)的王東坡，張玉風(fēng)，霍立興利王東坡,張玉風(fēng),霍立興.超聲沖擊處理焊接接頭焊趾區(qū)材料的疲勞性能[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2001,34(1):13-17用自行研制的超聲波沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)兩種典型焊接結(jié)構(gòu)用鋼Q235B和16Mn焊接接頭實(shí)施沖擊處理，然后進(jìn)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(duì)比試驗(yàn)，分別獲得了各種情況沖擊處理前后的△σ-N曲線及疲勞強(qiáng)度（2×106）。結(jié)果表明：1）對(duì)于Q235B對(duì)接接頭，有的試件斷于焊趾重合?？梢越频卣J(rèn)為處理后焊接接頭與母材疲勞強(qiáng)度是相當(dāng)?shù)摹?）對(duì)于超聲沖擊處理后的焊接接頭焊趾區(qū)部位表面殘余應(yīng)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(yīng)力。兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)疊加的結(jié)果使焊趾部位沿厚度方向的應(yīng)力分布的梯度變小，即整個(gè)厚度方向應(yīng)力分布趨于一致，而內(nèi)部最大拉應(yīng)力的數(shù)值與受拉伸情況相比小得多。殘余壓應(yīng)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(qiáng)度的效果更明顯。3）無(wú)論在高應(yīng)力幅區(qū)還是在低應(yīng)力幅區(qū)，超聲沖擊處理對(duì)l6Mn鋼對(duì)接接頭疲勞強(qiáng)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(qiáng)度的實(shí)際效果與母材類(lèi)別有關(guān)王東坡,張玉風(fēng),霍立興.超聲沖擊處理焊接接頭焊趾區(qū)材料的疲勞性能[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2001,34(1):13-17消除焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬（焊接+沖擊）清華大學(xué)的岳紅杰、趙海燕、蔡志鵬等人和中國(guó)航天科技集團(tuán)公司的王國(guó)慶、李德成岳紅杰,趙海燕,蔡志鵬.薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)岳紅杰,趙海燕,蔡志鵬.薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,41(2):223-227南京工業(yè)大學(xué)李進(jìn)一、凌祥、周建新李進(jìn)一,凌祥,周建新.超聲沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)的有限元模擬[J].航空材料學(xué)報(bào),2012,32(1):84-88應(yīng)用大型有限元軟件ABAQUS建立模擬超聲沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)的三維有限元模型，預(yù)測(cè)AISl304奧氏體不銹鋼靶材經(jīng)超聲沖擊后的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布。模擬過(guò)程中，分析沖擊速度、針頭直徑、沖擊時(shí)間、摩擦力、沖擊次數(shù)以及不同覆蓋率等因素對(duì)超聲沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)分布影響的規(guī)律。結(jié)果表明，沖擊速度、針頭大小、沖擊時(shí)間及摩擦力都會(huì)影響到最終沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)。沖擊速度和針頭直徑對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)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(yīng)力值，且增加殘余壓應(yīng)力層深度，但摩擦系數(shù)對(duì)沖擊效果的影響不大。隨著沖擊次數(shù)的增加，超聲沖擊強(qiáng)化特征明顯，殘余壓應(yīng)力層深度增加。隨著覆蓋率的增加，殘余壓應(yīng)力層增厚，但形成的最大殘余壓應(yīng)力值減小。為理解超聲沖擊強(qiáng)化機(jī)理，優(yōu)化工藝參數(shù)提供一定的依據(jù)。超聲沖擊強(qiáng)化過(guò)程涉及高度瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)接觸問(wèn)題的求解，需采用顯式動(dòng)力有限元算法，以獲得最終形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)。在超聲沖擊過(guò)程中，AISI304不銹鋼試樣表層發(fā)生高速塑性變形，李進(jìn)一,凌祥,周建新.超聲沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)的有限元模擬[J].航空材料學(xué)報(bào),2012,32(1):84-88焊接接頭微觀組織的改善裝甲兵工程學(xué)院的朱有利，李占明，韓志鑫朱有利,李占明,韓志鑫等.超聲沖擊處理對(duì)2A12鋁合金焊接接頭表層組織性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2010,39(z1):130-133等人手工氬弧焊(TIG)、朱有利,李占明,韓志鑫等.超聲沖擊處理對(duì)2A12鋁合金焊接接頭表層組織性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2010,39(z1):130-133焊接接頭疲勞特性的改善目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲沖擊機(jī)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(xué)者都側(cè)重于從具體疲勞試驗(yàn)人手，通過(guò)分析疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)揭示材料的疲勞行為。主要從S-N曲線、裂紋起源、裂紋擴(kuò)展等方面研究疲勞特性。裝甲兵工程學(xué)院的朱有利，李占明，辛毅李占明,朱有利,辛毅.超聲沖擊處理對(duì)2A12鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J].航空材料學(xué)報(bào),2011,31(2):28-32對(duì)超聲沖擊處理前后2A12高強(qiáng)度鋁合金TIG焊對(duì)接接頭的疲勞性能進(jìn)行了測(cè)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行沖擊強(qiáng)化處理的2A12鋁臺(tái)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，容易形成應(yīng)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80~100μm的強(qiáng)化層，該層是接頭試樣表面經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化處理所形成的表面組李占明,朱有利,辛毅.超聲沖擊處理對(duì)2A12鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J].航空材料學(xué)報(bào),2011,31(2):28-32中國(guó)兵器科學(xué)研究院的王冬生、陳東高、譚兵王冬生,陳東高,譚兵等.超聲沖擊對(duì)7A05鋁合金焊接接頭性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程,2009,32(5):69-72等人對(duì)7A05鋁合金采用雙絲M1G焊接工藝得到的焊接接頭進(jìn)行超聲沖擊處理，并從焊趾處應(yīng)變與應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度、疲勞壽命和疲勞斷口掃描等方面對(duì)經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理和未經(jīng)超聲沖擊處理的試樣進(jìn)行對(duì)比研究。研究結(jié)果顯示：經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理的試樣，焊趾處拉應(yīng)力減小，抗拉強(qiáng)度增大，平均疲勞壽命變長(zhǎng)。疲勞斷口掃描顯示沖擊后，王冬生,陳東高,譚兵等.超聲沖擊對(duì)7A05鋁合金焊接接頭性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程,2009,32(5):69-72張倩,陳東高,王克鴻等.超聲沖擊對(duì)7A52鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程,2011,34(2):67-69天津大學(xué)的王東坡，霍立興，張玉鳳王東坡,王東坡,霍立興,張玉鳳等.超聲沖擊法改善LF21鋁合金焊接接頭的疲勞性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2001,11(5):754-759天津大學(xué)王東坡、霍立興、張玉鳳王東坡,霍立興,張玉鳳等.變幅載荷下超聲沖擊處理焊接接頭的疲勞行為[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(9):87-92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，采用非承載縱向角接接頭，進(jìn)行了Q235B及16Mn原始焊態(tài)與超聲沖擊處理態(tài)的對(duì)比疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)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(qiáng)度提高69％左右，疲勞壽命延長(zhǎng)5.7~19.0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(qiáng)度提高80％左右，疲勞壽命延長(zhǎng)2.5～17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(shí)的1/3，原始焊態(tài)的疲勞壽命約為恒幅載荷作用時(shí)的70％；王東坡,霍立興,張玉鳳等.變幅載荷下超聲沖擊處理焊接接頭的疲勞行為[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(9):87-92為了獲取超聲沖擊焊接接頭疲勞S-N曲線，通過(guò)對(duì)原始焊接接頭疲勞S-N曲線進(jìn)行修正。天津大學(xué)王東坡、田瑞瑩、霍立興王東坡,田瑞瑩,霍立興等.超聲沖擊處理焊接接頭疲勞設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的探討[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42(11):173-178等對(duì)大量超聲沖擊處理16Mn\SS800\Q235B焊接接頭的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，探討超聲沖擊焊接接頭疲勞設(shè)計(jì)與原始焊接接頭的差異，并得到下述結(jié)論：①材料強(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度的提高改善效果也越好，因此采用低強(qiáng)鋼超聲沖擊處理焊接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果得到疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線是安全的。接頭強(qiáng)度對(duì)超聲沖擊改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的處理效果有一定影響，隨著接頭靜強(qiáng)度的提高超聲沖擊處理改善接頭疲勞性能的效果也越好。②超聲沖擊處理焊接接頭試件S-N曲線的斜率m遠(yuǎn)大于3(6～23)，不能將試驗(yàn)結(jié)果硬性規(guī)定按m=3.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，推薦取m=10。③經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后其疲勞強(qiáng)度不再與所外加的平均應(yīng)力無(wú)關(guān)，而是隨著應(yīng)力比R的增加，接頭所能夠承受的疲勞應(yīng)力幅度有所降低。因此建議采用最大應(yīng)力對(duì)超聲沖擊處理焊接接頭進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。④當(dāng)采用最大應(yīng)力對(duì)超聲沖擊處理焊接接頭進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，外載荷中所含平均應(yīng)力與超聲沖擊處理焊接接頭在FAT（200萬(wàn)次循環(huán)次數(shù)下的特定疲勞強(qiáng)度，將其定為疲勞級(jí)FAT）下的疲勞強(qiáng)度（應(yīng)力范圍）之間的關(guān)系為：F(R)王東坡,田瑞瑩,霍立興等.超聲沖擊處理焊接接頭疲勞設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的探討[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42(11):173-178天津大學(xué)王東坡、田瑞瑩、霍立興采用HJ2一Ⅱ型超聲沖擊槍，對(duì)轉(zhuǎn)向架用16MnR鋼的焊接接頭表面進(jìn)行超聲沖擊處理。利用EHF_EM200K2-070-1A疲勞試驗(yàn)機(jī)，采用較低載荷頻率(低于10Hz)對(duì)16MnR鋼焊接接頭超聲沖擊前后的疲勞性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在疲勞壽命為2×106時(shí)，焊接接頭試樣在超聲沖擊處理前后的疲勞強(qiáng)度分別為265和325MPa，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51～59倍。經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后，焊接接頭焊趾處的應(yīng)力集中程度和焊接殘余應(yīng)力降低，表明超聲沖擊處理對(duì)提高16MnR鋼焊接接頭疲勞性能具有顯著的效果。天津大學(xué)王東坡、霍立興、張玉鳳王東坡,霍立興,王東坡,霍立興,張玉鳳.超聲沖擊法對(duì)鈦合金焊接接頭疲勞性能的改善[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2003,13(6):1456-1460LappeenrantaUniversity的Veli-MattiLihavainen和GaryMarquisVMLihavainen,GMarquis,ESStatnikov.FATIGUESTRENGTHOFALONGITUDINALATTACHMENTIMPROVEDBYULTRASONICIMPACTTREATMENT[J],WeldingintheWorld,2004對(duì)5mm和8mm的S355J0鋼焊接接頭進(jìn)行焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，1）相對(duì)國(guó)際焊接組織技術(shù)改善意見(jiàn)所推薦的斜率為3的SN曲線，超聲沖擊可以將疲勞強(qiáng)度提高46%。通過(guò)斜率回歸分析，超聲沖擊可以使試件的疲勞強(qiáng)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(duì)應(yīng)2*106次疲勞極限VMLihavainen,GMarquis,ESStatnikov.FATIGUESTRENGTHOFALONGITUDINALATTACHMENTIMPROVEDBYULTRASONICIMPACTTREATMENT[J],WeldingintheWorld,2004傳統(tǒng)焊后消除殘余應(yīng)力的方法改善焊接形貌的方法：磨削：毛刺磨，圓盤(pán)研磨，射流侵蝕。再熔化：TIG熔化，等離子熔化。特殊方法：焊接輪廓控制，特殊電極。殘余應(yīng)力方法：機(jī)械方法：沖擊（噴丸、錘擊法、針噴丸、超聲沖擊），過(guò)載（初始過(guò)載、局部加壓）。應(yīng)力消除方法：熱失效、振動(dòng)時(shí)效、局部加熱、切槽法、爆炸法?？赡艿难芯奎c(diǎn)鋁合結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬利用數(shù)值模擬技術(shù)較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力場(chǎng)、變形已成為可能。但是目前焊接過(guò)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(yán)重；焊接過(guò)程高度瞬態(tài)，溫度梯度極大等。超聲場(chǎng)沖擊處理焊縫過(guò)程數(shù)值模擬建立模擬超聲沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)的三維有限元模型，預(yù)測(cè)鋁合金焊縫及其母材經(jīng)超聲沖擊后的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布。模擬過(guò)程中，分析沖擊速度、針頭直徑、沖擊時(shí)間、摩擦力、沖擊次數(shù)以及不同覆蓋率等因素對(duì)超聲沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)分布影響的規(guī)律。超聲沖擊處理對(duì)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(guó)MTS公司生產(chǎn)的NanoIndenterXP型納米壓痕儀．該通過(guò)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(gè)最常見(jiàn)的力學(xué)參量ALEXEIBOLSHAKOV.ALEXEIBOLSHAKOV.AFINITEELEMENTSTUDYOFTHEEFFECTSOFRESIDUALSTRESSONCONICALINDENTATION[J],RiceUniversity,1993研究鋁合金焊接接頭的疲勞斷裂特性。（疲勞試驗(yàn)）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(shí)用價(jià)值。理論模型預(yù)測(cè)UIT可以提高焊縫接頭的疲勞壽命的程度。（理論模型）Veli-MattiLihavainen在其博士論文中得出如下結(jié)論Veli-MattiLihavainen.ANOVELAPPROACHFORASSESSINGTHEFATIGUESTRENGTHOFULTRASONICIMPACTTREATEDWELDEDSTRUCTURESVeli-MattiLihavainen.ANOVELAPPROACHFORASSESSINGTHEFATIGUESTRENGTHOFULTRASONICIMPACTTREATEDWELDEDSTRUCTURES[D].LappeenrantaUniversityofTechnology,2006ThegoalofthisworkhasbeentopresentsomenewexperimentaldataillustratingthesignificantfatiguestrengthimprovementobtainedusingUITandtoinvestigateonemethodforexplainingthisdegreeoffatigueimprovement.ThenovelmethodforpredictingdegreeoffatigueimprovementassumesthatUITisabletoinduceasignificantperiodofcrackinitiationwhichcanbeassessedusingstaticallymeasurablequantities,e.g.residualstressstate,hardnessandUITgroovegeometry.Thefatiguestrengthimprovementisbasedontheassumptionthattotallifeisthesumofcrackinitiationandcrackpropagationlives.Becausetheultrasonicimpacttreatmenteffectivelyremovesanyinitialcrack-likeflawcausedbytheweldingprocess,thelocalstrainapproachisusedforcomputingthecrackinitiationportionoffatiguelife(Bannantineetal.1990,Dowling1999).Fatiguestrengthandfatigueductilitycoefficientsalongwiththeassociatedexponents,whichareneededforthelocalstrainapproach,cansometimesbefoundfrompublishedliterature(BollerandSeeger1987),butformanymaterialsthesequantitiesareunavailableandmustbeestimated.Inacaseofultrasonicimpacttreatment,thematerialishighlycoldformedandthustherequiredcoefficientsandexponentsarenotavailable.Inthisstudy,coefficientsandexponentsattheweldtoeareestimatedbasedontheconceptoftheuniformmateriallaw,UML,developedbyB?umelandSeeger(1990).Predictedtotalfatiguelives,i.e.,thesumofcrackinitiationlivesandcrackpropagationlives,havebeencomparedtoexperimentalfatiguelives.ExperimentaldatawasobtainedonfatiguetestsperformedattheLappeenrantaUniversityofTechnology.Testspecimenswithlongitudinalnon-load-carryingattachmentwerefabricatedfromS355J0structuralsteelwithplatethicknessof5or8mm.Constantamplitudefatiguetestingwasexecutedwithaxialtension.Thepurposeoffatiguetestingwastodefinetheas-weldedandtheUITimprovedfatiguestrengthfortheweldednon-loadcarryinglongitudinalattachments.Otherobjectivesweretoevaluatetheeffectofthicknessbetween5and8mmspecimensandtheeffectofmeanstress.Forsometestsbeachmarkingtechniqueswereusedtohelpexperimentallyestablishtheportionoftotalfatiguelifeinvolvedincrackinitiation.Stressmagnificationsfactors,Mkfactors,werecomputedusingtheweightfunctionmethod.FracturemechanicpredictionswerebasedontherangeofstressintensityfactorandPariscrackgrowthlaw.Estimatingthefatiguestrengthcoefficient,ductilitycoefficient,fatiguestrengthexponentandfatigueductilityexponentisanimportantelementof