超聲沖擊技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘 要：焊接結(jié)構(gòu)件承受交變動(dòng)荷載時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生突然斷裂事故，其中90%為疲勞失效。將超聲波能量運(yùn)用到金屬材料焊接接頭的焊后處理，特別是在沒(méi)有熱處理?xiàng)l件的情況下，采用超聲沖擊的方法對(duì)焊縫進(jìn)行消應(yīng)力處理，以達(dá)到消除焊縫殘余應(yīng)力和提高疲勞性能的目的。

關(guān)鍵詞：超聲沖擊處理；焊縫；殘余應(yīng)力；疲勞性能。

1 前言

焊接作為金屬材料的主要連接方式被廣泛采用。一般設(shè)計(jì)人員主要考慮的是：焊接接頭的承受靜載能力一般不低于母材，而承受交變動(dòng)荷載時(shí)，其承受能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材。因此，對(duì)于承受交變動(dòng)荷載的焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生突然斷裂事故，其中90%為疲勞失效。將超聲波能量運(yùn)用到金屬材料焊接接頭的焊后處理，以達(dá)到消除焊縫殘余應(yīng)力和提高疲勞性能的目的。2000年美國(guó)國(guó)家焊接學(xué)會(huì)將超聲沖擊處理技術(shù)列入《焊接行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略技術(shù)指南》， 2003年超聲沖擊作為一項(xiàng)革命性的新技術(shù)已在航空航天、橋梁、起重機(jī)、船舶、機(jī)車(chē)車(chē)輛、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、軍工領(lǐng)域等動(dòng)載荷作用下的構(gòu)件中普及。在汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)組中，有許多承受交變動(dòng)荷載的焊接部件，特別是在沒(méi)有熱處理?xiàng)l件的地方。

2 主要內(nèi)容

2.1 超聲沖擊技術(shù)原理及設(shè)備

超聲波發(fā)生器產(chǎn)生頻率大于18KHz的振蕩電信號(hào)，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)傳導(dǎo)給換能器，將電能轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)能量；最后通過(guò)變截面設(shè)計(jì)的變幅桿將振幅放大至50μm。然后把振動(dòng)能量通過(guò)各種形式的工具頭傳到被處理焊縫區(qū)域的表面。圖1是超聲沖擊設(shè)備，圖2是幾種可更換的常規(guī)沖擊頭。

2.2 設(shè)備參數(shù)合理選擇

焊后采用過(guò)大的沖擊力反而很可能會(huì)引起新的裂紋，這就是使用風(fēng)鎬之類(lèi)的大沖擊力低頻設(shè)備的缺陷。設(shè)備參數(shù)包括頻率、振幅、功率。其中：頻率、振幅、是設(shè)備所固有的，唯獨(dú)功率是可調(diào)的。沖擊頭可根據(jù)不同接頭形式及熱影響區(qū)寬度合理設(shè)計(jì)，原則上直徑越小效果越好。換能器主要由壓電陶瓷片組成，由于近20年功能陶瓷技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷片的各項(xiàng)性能指標(biāo)與進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品幾乎沒(méi)有差別，完全能夠滿足設(shè)備的使用要求，目前國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷片占據(jù)90%市場(chǎng)份額。對(duì)于壓電陶瓷式設(shè)備功率在150 W-300W之間是最理想狀態(tài)。

2.3 超聲沖擊在典型焊縫的應(yīng)用

對(duì)焊趾沖擊，消除焊縫近表面的拉應(yīng)力，產(chǎn)生壓應(yīng)力層。以點(diǎn)沖擊接觸，使近表面的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力特征的“面效應(yīng)”型消應(yīng)力工藝。它是以提高焊縫近表面疲勞性能為主要技術(shù)定位的，適用于關(guān)鍵焊縫局部處理。

厚板分層焊接的分層沖擊，使整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)具有更好的疲勞性能，同時(shí)可消除因疲勞引起的裂紋。適用于沒(méi)有熱處理?xiàng)l件并承受交變動(dòng)荷載的焊接部件。

3 經(jīng)過(guò)超聲沖擊處理后的焊縫應(yīng)力測(cè)試

被焊母材為16Mn，保護(hù)氣體：80%Ar+20%CO2的混合氣體，焊接材料是ER50-6的φ1.2mm焊絲，焊接電流：220～260A，焊縫經(jīng)過(guò)充分的超聲沖擊處理后進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)試，圖3為焊態(tài)的應(yīng)力沿層深方向分布情況；圖4經(jīng)超聲沖擊處理后的應(yīng)力狀態(tài)沿層深方向分布情況。

4 超聲沖擊效果分析

根據(jù)焊縫殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果和應(yīng)力沿層深方向的分布狀態(tài)，可以得到以下效果：焊縫表面下1～2mm的深度范圍內(nèi)產(chǎn)生壓縮性的塑性形變、完全消除拉應(yīng)力，并預(yù)制了壓應(yīng)力層；表面下3～5mm的深度范圍內(nèi)消除殘余應(yīng)力70%；表面下6～10mm的深度范圍內(nèi)消除殘余應(yīng)力50% 。尤其值得關(guān)注的是，經(jīng)超聲沖擊處理后的焊縫表層0.02～0.1mm的深度范圍內(nèi)表層晶粒細(xì)化，硬度和耐蝕性提高了。

5 提高疲勞強(qiáng)度的機(jī)理

超聲沖擊是通過(guò)改善焊趾幾何形狀，使焊縫表面形成光滑過(guò)渡圓弧、表層晶粒細(xì)化、消除焊趾表面缺陷以及消除拉應(yīng)力和預(yù)制壓應(yīng)力的綜合作用，提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命，防止焊縫開(kāi)裂。

6 實(shí)際應(yīng)用

洪江水電廠安裝6臺(tái)單機(jī)45MW燈泡貫流式機(jī)組， 2004年底，電廠定期檢測(cè)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)#3-#5機(jī)組轉(zhuǎn)子支臂存在裂紋缺陷，裂紋多出現(xiàn)在輪轂圓盤(pán)和支臂筋板之間的焊縫處，呈斷續(xù)狀分布。機(jī)組裂紋最多時(shí)有196條，總長(zhǎng)度14.6m，單條裂紋最長(zhǎng)135mm、最深10mm，嚴(yán)重影響了電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。2006年，進(jìn)行了#3-#5機(jī)組轉(zhuǎn)子支臂裂紋焊接處理，機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，探傷復(fù)查又發(fā)現(xiàn)新的裂紋，并有擴(kuò)展趨勢(shì)，效果不理想。由于在發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，且對(duì)同一位置的反復(fù)焊接，會(huì)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和引起磁軛變形，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報(bào)廢。因此，經(jīng)過(guò)深入研究轉(zhuǎn)子支臂產(chǎn)生裂紋的原因，改進(jìn)了處理方案并實(shí)施。

通過(guò)對(duì)電廠轉(zhuǎn)子中心體輪轂圓盤(pán)（材質(zhì)18MnMoNb）和斜支臂（材質(zhì)16Mn）取樣進(jìn)行分析，運(yùn)用碳當(dāng)量法計(jì)算兩種材質(zhì)的冷裂傾向，系統(tǒng)地比較18MnMoNb和16Mn鋼材焊接性能的差異，分析裂紋的性質(zhì)是冷裂紋；采用有限元方法計(jì)算出轉(zhuǎn)子支架應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位；經(jīng)綜合分析，裂紋產(chǎn)生的原因是由于輪轂圓盤(pán)和支臂不同材質(zhì)鋼種焊接工藝控制不佳，鋼材淬硬性較高，易受氫侵蝕而脆化，在拘束應(yīng)力和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的交變應(yīng)力的作用下，發(fā)展成為微觀裂紋源，進(jìn)而擴(kuò)展成為宏觀裂紋，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致焊縫的疲勞斷裂。

根據(jù)轉(zhuǎn)子支臂裂紋產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)處理措施：除了調(diào)整焊接工藝，選擇低氫焊材等；焊縫采用超聲沖擊技術(shù)消除焊縫殘余應(yīng)力，使焊縫圓滑過(guò)渡，消除局部區(qū)域尖銳突出、未熔合、咬邊等缺陷，提高焊縫的抗疲勞強(qiáng)度，有效地控制了焊縫冷裂紋產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)行檢驗(yàn)，轉(zhuǎn)子支臂裂紋由處理前平均150余條減少到近10條淺表裂紋，經(jīng)打磨后消失。轉(zhuǎn)子支臂裂紋處理達(dá)到預(yù)期目的。

7 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用效果表明，焊縫表面采用超聲沖擊消應(yīng)力處理，對(duì)焊縫表面和表面下10mm的深度范圍內(nèi)消應(yīng)力效果明顯；超聲沖擊可以改善焊趾幾何形狀，使焊縫表面形成光滑的過(guò)渡圓弧、1～2mm的表層晶粒細(xì)化并預(yù)制壓應(yīng)力、消除焊趾表面微小缺陷。其綜合作用是提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命，防止焊縫開(kāi)裂。所以，超聲沖擊屬于“面效應(yīng)”型消應(yīng)力工藝，可提高焊縫疲勞性能，也適用于關(guān)鍵焊縫的局部處理。

參考文獻(xiàn)

[1]劉強(qiáng).洪江水電廠轉(zhuǎn)子支臂裂紋原因分析及處理方法研究，洪江水電廠，2010年.