高速列车铝合金关键焊接接头残余应力的控制技术之超声冲击文献综述

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1、高速列车铝合金关键焊接接头残余应力的控制技术之超声冲击文献综述高速列车铝合金关键焊接接头残余应力的控制技术之超声冲击姜晓周成型二班选题背景随着科技的发展和工业需求的增加，焊接在工业生产和国民经济建设中所占的比重也越来越大。尤其是近年来我国高速铁路的快速而集中的发展，高速列车也随着发展。为了达到高速列车轻量化的要求，铝合金是目前我国应用最多的材料，广泛的应用于CRH2、CRH3、CRH53种车型。而焊接是铝合金车体的主要连接方式，由于焊接过程是一个局部不均匀加热和冷却过程，因此不均匀的温度场会导致残余应力和变形的产生。薄板构件焊接的残余

2、应力与变形问题尤为突出，会纵向和横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形等结构变形，影响结构尺寸的精确和外形美观，带来了焊接构件的尺寸和结构的不稳定、降低装配精度等问题，甚至会产生应力集中，而导致构件的疲劳和脆断而降低结构的承载能力而引起事故。为了解决焊接构件残余应力的问题，世界各国焊接专家做了大量的研究工作，并提出了多种方法。目前降低残余应力的方法有机械拉伸法、温差拉伸法、热处理和振动时效等。这些方法的不断完善和进步对于焊接结构的正常使用和安全运行起到了积极作用，尤其是加载和热处理的方法得到了广泛的应用。这些方法都有着自身的优点和缺

3、点，例如热处理加工消除应力效果较好但是需要大量电能和加工时间，而振动时效方法能耗小、周期短，却不适用于模具和厚板等高刚性部件。这些方法应该通过互补来使用，以达到最佳的效果，同时这也要求我们不断地寻找新的消应力方法。超声冲击处理(UIT)技术就是近年来迅速发展起来的一门全新的消应力技术。据证实，应用此方法可使作用在焊道上的峰值残余应力大大降低。超声冲击技术由于其执行机构轻巧、噪声小、效率高、成本低且节能等诸多优势而成为一种理想的焊后处理措施。因此它具备了广泛的适用面，例如既在制造焊接结构车间可以应用，也可对施工工程现场使用；既在处理对接

4、接头时可以使用，又适用于角接管接等其它形式接头的处理；还有在处理材料上对低碳钢以及高强钢通用性等优势。并已经应用于包括机械制造、核电设备及航空航海等广泛领域领域。因此，鉴于这种技术以上的诸多优点和发展潜力，以及目前理论的不成熟、不完备性，非常有必要对这种方法进行系统而深入的研究，以便为超声波冲击技术早日应用于生产实际提供理论基础和技术支持。超声冲击的发展超声冲击方法可被归类于直接利用超声振动使表面产生变形的技术，这些方法的发展可以追溯到20世纪50年代，从Mukhanov[1]，Mordvintseva[2]等人的研究工作开始。他们利

5、用超声换能器输出端连续输出超声波振动与被处理的硬质材料表面直接接触进行加工，这样做的结果使被处理的材料表层产生了一层较薄的塑性变形层，并使这层变形层的微观形态和其中的残余应力分布情况发生了改变。随后在20世纪60年代，Krylov等在超声换能器输出端和待处理材料之间放置了一枚自由运动的小球体[3]，在该项研究中，激振系统激励的振动冲击激励代替了换能器对工件的直接振动处理。处理过程伴着由小球随机运动带来的冲击，该冲击频率低于系统的激振频率。该方法在一定程度上增加了塑性层的变形量，然而，过多的自由撞击过程并不能确保塑性变形层深度的一致性。

6、在70年代初期，Statnikov提出了超声冲击方法[4]，该方法正在包括制造业、焊接结构处理以及机械加工行业在内的许多工业领域得到广泛的应用。该方法作为一种焊后处理手段开始应用已经有三十多年时间，其产生起初主要是为了消除焊接结构残余应力，从八十年代起由乌克兰巴顿研究所提出向提高焊接接头疲劳强度方向发展，并取得了一系列的成果。从九十年代初期开始由IIW中的巴顿研究员进行的了超声冲击处理结构的疲劳行为的预测[5]，而Lobanov和Garf也探讨了超声冲击处理后管接头疲劳强度与疲劳寿命的预测问题[6]。近年来，大量关于大功率超声技术在工

7、业中的应用尤其是超声冲击技术的应用的研究在乌克兰、俄罗斯和美国等地开展起来[7-13]。超声冲击在工业中的各种应用已慢慢被大家所重视，在相关领域的研究成果越来越多。超声冲击在工程上的初步应用也获得了很好的效果，美国、乌克兰的研究人员利用超声冲击处理修复出现疲劳裂纹的公路桥梁，结果表明[14-16]超声冲击处理是一种新型且高效率的复和修理焊接构件和结构的方法，承载后处理构件对提高其疲劳强度能够取得与建造过程中处理达到同样好的效果。大尺寸构件的试验表明超声冲击处理后的结构疲劳强度与其他焊后处理方法相比是最高的，现有的超声冲击设计可以用于对

8、高速公路和铁路桥梁的恢复和维修处理。超声冲击处理方法在国内的研究最初由天津大学焊接工程技术研究所的王东坡博士等人进行，到现在相关工作在我国已经开展了十余年时间，现在其应用也已经发展至海洋工程、车辆制造、船舶制造等应用领域