超声波冲击和超声波喷丸强化技术的发展

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1、超声波冲击和超声波喷丸强化技术的发展轧刚刘海英路会龙太原理工大学机械工程学院太原030024摘要：将超声波能用于机械加工的研究已经有30多年历史，超声冲击强化技术是目前世界上已经成熟的技术，主要针对提高焊接结构疲劳强度，其设备执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用场所不受限，适用于各种接头、成本低而且节能。超声喷丸强化技术作为一种新技术，可进行机械零部件喷丸强化处理，其设备结构紧凑，可并入生产线上、方便操作、重复性好、无粉尘污染、噪音小。便携式的超声冲击和超声喷丸设备在薄壁件成形和校形领域有巨大优势。综述了超声冲击强化技术和超声喷丸强化技术的发

2、展简史和目前国内外现状，介绍了两种技术的基本原理、特点、以及工业应用，认为我国目前应用加强这两种技术的研究和应用。关键词：超声波冲击超声波强化超声喷丸疲劳寿命中图分类号：TG6630前言实际应用表明，机器零部件的主要的失效模式是磨损、腐蚀、断裂，其中以断裂失效带来的灾难与损失最大，而断裂失效中又以疲劳断裂模式所占比例最高。机械装备，如飞机、装甲车、船舶、机车、汽车、内燃机、汽轮机、冶金机械、石油机械、采煤机械、矿山机械等，其中凡是承受循环载荷的重要承力件随时可能出现疲劳断裂实效，其后果不仅造成财产损失还会导致人员伤亡，因此提高机械零部件的疲劳强度[1]具有重大意义。

3、而在一些由焊接结构完成的大型的机械装备中，如化工和石油设备，压力容器、巨型船体、重型机械、核容器及航天器等，设备的焊接接头则是机械结构中耐久性的薄弱环节。焊接接头的疲劳破坏一般起裂于焊接接头的焊趾部位.如果能改善焊趾处疲劳裂纹的起裂性能，将有效地提高焊接结构的疲劳强度。提高焊接件性能的办法目前应用较多的有普通锤击法、TIG熔修法和喷丸法，但普通锤击法噪声大、效率低、劳动强度大、可控性差且效果很不稳定。TIG熔修法施工工艺复杂，操作不当反而会造成副作用.喷丸法是实际应用较多的一种，但传统的喷丸强化方式主要以压缩空气和机械离心力作为动力源，设备占空间体积大，耗电量大，有

4、粉尘污染，不能方便地移动作业等缺点，而实际上最有效的办法是超声波冲击法，超声波强化技术去除残余应力，超声波冲击技术是利用大功率的超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表层产生较大的塑性变形；同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力；并使超声冲击部位得以强[3]化。就提高金属抗疲劳能力而言应用较多而且比较有效的办法是进行喷丸强化处理。喷丸处理属冷加工表面强化处理工艺，是利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生塑性变形，形成残余压应力层，并使表面形变强化，从而提高金属抗疲劳的能力(如图1示

5、)。传统的喷丸强化方式所使用的动力源决定了自身缺陷难以克服，科研人员们开始分析以其它能量作为喷丸动力源，而随着超声波技术的发展，使超声波能转换为机械振动能作为喷丸强化的动力源成为可能，超声喷丸技术是一种新的零部件强化的工艺手段，不[4-5]仅可以克服传统喷丸的不足，而且强化效果优于传统喷丸。由于其工艺过程和强化机理都与传统喷丸类似，因此这种新技术称超声喷丸技术。[2]图1工件喷丸产生残余应力简图1超声波能用于焊接件强化技术1.1基本原理超声波强化技术的基本原理如图2所示，磁致伸缩式或压电晶体式传感器1将高频电振动信号转换为42机械振动，传感器输出端部典型振动幅值约在

6、20～40ｕm范围内，运动加速度可达到3×10m/s以上，在振动过程中传感器输出端冲击冲击针，使冲击针以较大的力冲击工件焊接部位进行强化处理。为使输出振动幅值增大，实际应用中通常在传感器输出端和冲击针之间加装变幅杆和其他附属设备。[6]图2超声波冲击强化原理简图1.2技术特点超声波强化技术特点主要体现在提高焊接强度方面，其突出优点表现在：(1)根据世界各国的一些知名研究机构做出的测试结果表明超声波强化技术优于现有的其他任何抗磨损和提高疲劳寿命的技术[6]。图3显示材料为不锈钢的焊接结构模型进行超声强化前后沿厚度方向平均残余应力的分布。经超声强化处理后，焊接产生的板材

7、表层残余拉应力不但被去除，而且表层还引入了50MPa左右的残余[8]压应力。图4显示了不同工艺方法提高焊接结构疲劳强度效果的6对比，在屈服应力范围内，N=2×10循环周期下，UIT处理的焊接[7]接头疲劳强度最大可提高65%。(2)超声波强化设备结构相对简单紧凑。通常设备的执行机构只有几公斤，整机重量也不大，与现有其他处理技术比较，工作效率高，节能性好，处理速度快。(3)UIT应用范围广泛，不受应用场所，材料及焊接结构形状限制。例如，对桥梁、化工和石油设备，压力容器、巨型船体、重型机械、核容器及航天器、地面移动装备及其他在易疲劳环境中工作图3超声强化处理前后焊接