超聲波噴丸技術(shù)的研究進(jìn)展

劉 峰 ，魯世紅 ，張 煒

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南京 210016；2.常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，常州 213002；3. 中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089）

超聲波噴丸技術(shù)是以高頻（一般在20kHz以上）、功率高達(dá)數(shù)千瓦的超聲波為能量源，利用換能器轉(zhuǎn)換為同頻的機(jī)械振動(dòng)縱波，經(jīng)變幅桿放大，驅(qū)使彈丸或撞針將高能量密度的機(jī)械能沖擊波作用于工件表面，促使表層材料發(fā)生劇烈塑性變形，使其微觀組織得到極大細(xì)化（可至納米級），同時(shí)在材料內(nèi)部產(chǎn)生高幅的殘余壓應(yīng)力分布，從而實(shí)現(xiàn)工件表面強(qiáng)化或彎曲變形的一種先進(jìn)噴丸工藝[1-2]。

由于超聲振動(dòng)能夠提高材料內(nèi)部原子活性，降低其變形抗力，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和材料成形極限的目的[3]，近年來隨著大功率超聲波沖擊設(shè)備制造技術(shù)的日益成熟，超聲波噴丸技術(shù)得到了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注。該技術(shù)因其設(shè)備成本低、適用性廣、工藝環(huán)保性及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、汽車及武器裝備等制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，目前在歐美一些國家的航空航天部門已得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)

超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)主要是利用彈丸或撞針對金屬表面進(jìn)行重復(fù)撞擊，在金屬表層引發(fā)劇烈的彈塑性變形，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力、加工硬化和組織結(jié)構(gòu)細(xì)化等，進(jìn)而達(dá)到提高金屬零件強(qiáng)度、疲勞壽命等目的，包括超聲波噴丸強(qiáng)化和超聲波沖擊強(qiáng)化。該技術(shù)已比較成熟，在國內(nèi)外均有廣泛的研究報(bào)道及應(yīng)用，當(dāng)前超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是焊接接頭抗疲勞強(qiáng)化，二是材料表面改性，特別是材料表面納米化及成形機(jī)理等方面的研究。

1 焊接接頭抗疲勞強(qiáng)化

在焊接過程中，存在集中加熱、快速冷卻及添加不同焊材，這些因素均使焊接接頭成為構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，因此如何改善焊接接頭疲勞性能就成為許多學(xué)者的研究重點(diǎn)。而超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)能夠大幅提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，增加疲勞壽命，在國內(nèi)外焊接領(lǐng)域受到普遍重視。2003年的國際IIW焊接結(jié)構(gòu)疲勞委員會(huì)年度會(huì)議中，超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)就已成為研討熱點(diǎn)。國內(nèi)天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、華東船舶工業(yè)學(xué)院、裝甲兵工程學(xué)院和北京鋼鐵研究總院等多家高校及研究院所，分別就超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)在焊接接頭強(qiáng)化方面展開了應(yīng)用研究。

饒德林[7]等以Q345鋼結(jié)構(gòu)箱型柱為對象，研究了超聲波噴丸工藝對焊接接頭殘余應(yīng)力的影響，殘余應(yīng)力測量結(jié)果表明，在焊縫表面一定深度下產(chǎn)生壓應(yīng)力，最高可至-134MPa，在焊趾表面產(chǎn)生壓應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致焊縫殘余應(yīng)力的降低。張新華[8]等分別以7075-T651鋁合金母材及攪拌摩擦焊焊接接頭為對象，采用超聲波噴丸工藝進(jìn)行焊后處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，7075-T651鋁合金母材及攪拌摩擦焊焊接接頭試件的疲勞性能得到顯著改善，疲勞壽命最高可延長3～7倍。

為研究焊接接頭超聲波噴丸強(qiáng)化后疲勞壽命的計(jì)算方法，Shimanuki[9]等研究了UIT在不同應(yīng)力比下經(jīng)超聲波噴丸處理的焊接接頭疲勞壽命。Yildirim[10]等在文獻(xiàn)分析統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，對不同形式焊接接頭進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)在特定條件下，屈服強(qiáng)度每增加200MPa，超聲波噴丸強(qiáng)化處理后的疲勞強(qiáng)度提高12.5%。國內(nèi)尹丹青[11]等對Q235、Q345焊接接頭的超長壽命進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲沖擊處理后S-N曲線的斜率m由焊態(tài)的3（循環(huán)次數(shù)低于107）增至10（整個(gè)壽命范圍）。

綜合以上研究可知，超聲波噴丸處理后的焊接接頭主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）能夠改變焊趾幾何形狀，消除焊趾表面微裂紋等缺陷，從而抑制疲勞裂紋萌生；（2）能夠降低焊接殘余應(yīng)力，產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，從而改變焊縫附近應(yīng)力場，提高焊接接頭處的疲勞強(qiáng)度。但在以下兩個(gè)方面的研究較少：一是超聲噴丸強(qiáng)化后疲勞壽命的計(jì)算模型和方法研究；二是超聲噴丸強(qiáng)化對焊縫微觀組織的作用機(jī)理研究。

2 材料表面改性

金屬材料的主要失效原因是疲勞、腐蝕和磨損，均始于材料表面，超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)可以細(xì)化組織結(jié)構(gòu)，在金屬表面產(chǎn)生更大、更深的殘余壓應(yīng)力層，從而抑制金屬表面裂紋的萌生并減緩裂紋擴(kuò)展，能顯著提高金屬表層疲勞極限與防腐能力，在材料表面改性領(lǐng)域得到了國內(nèi)外高度關(guān)注，特別是在利用超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料表面納米化、晶粒細(xì)化機(jī)理及納米化對材料性能的影響等方面，開展了大量的研究工作[12-16]。目前已在鐵、低碳鋼、不銹鋼及純鈦等金屬表面實(shí)現(xiàn)納米尺寸晶體的制備。

Mordyuk[17-18]等采用超聲波噴丸強(qiáng)化AISI321 不銹鋼，對噴丸后表層金屬的微觀組織、金相、硬度等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，表層金屬的納米組織應(yīng)變?yōu)?.42時(shí)為ε馬氏體，高應(yīng)變時(shí)為奧氏體和α馬氏體組織的組合；距表層30μm深處發(fā)現(xiàn)大小約60nm的奧氏體和馬氏體的混合組織；超聲噴丸強(qiáng)化能大幅提高其硬度和硬化層深度。Tao[19]等對退火處理后的純鐵進(jìn)行超聲波噴丸處理，在純鐵表面納米層獲得了10nm的最小晶粒。Dai[20]等發(fā)現(xiàn)純鈦經(jīng)高能噴丸處理后，其極限拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了27%和40%，而延展性降低了64%。馮淦[21]等在普通20 鋼表面成功制備出厚度約10μm的納米結(jié)構(gòu)層和10nm的最小晶粒。曹小建[22]等在A6061-T6鋁合金超聲納米化處理后，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度、表面硬度及表面殘余壓應(yīng)力均有顯著提高，并獲得了等軸狀取向隨機(jī)分布的納米晶組織。

圖1 試樣不同腐蝕時(shí)間下的表面硬度和表面粗糙度Fig.1 Surface hardness and roughness of samples under different corrosion time

關(guān)于表面納米化對材料疲勞性能、抗腐蝕能力等的影響是當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)。Toshifumi[23]等研究了在高周期循環(huán)疲勞下超聲波噴丸對304不銹鋼的影響，結(jié)果表明，溫度為537K時(shí)，初始裂紋的萌生主要源于表面硬化和溫度升高造成的材料軟化。Závodská[24]等研究了噴丸處理后40NiCrMo7合金鋼的疲勞強(qiáng)度，試驗(yàn)表明，噴丸處理提高了該合金鋼在高頻疲勞情況下的疲勞強(qiáng)度。Gibson[25]等研究了噴丸處理對鎳基超耐熱不銹鋼720高溫腐蝕和疲勞腐蝕的影響。張聰慧[26]等對表面納米化TC4的疲勞性能做了研究，結(jié)果表明，超聲波噴丸處理試樣疲勞極限有所提高，疲勞極限最大提高了10.64%；試樣表面易萌生裂紋源，且發(fā)現(xiàn)疲勞斷口由未處理的河流狀變?yōu)樘幚砗蟮牟ɡ藸?。陸曉峰[27]等研究了表面納米化對Cr5Mo鋼流動(dòng)加速腐蝕性能的影響，試驗(yàn)表明，表面納米化能夠明顯提高試樣表層顯微硬度，并隨處理時(shí)間，顯微硬度越大，變形層厚度越大，抗流動(dòng)加速腐蝕性能也增強(qiáng)。繆偉[28]采用超聲波噴丸對2024鋁合金表面進(jìn)行強(qiáng)化，結(jié)果表明超聲波噴丸顯著提高材料抗腐蝕能力，腐蝕后材料硬度下降，粗糙度增大，如圖1所示。相對較短的腐蝕時(shí)間對試樣疲勞壽命影響不大；腐蝕時(shí)間較長時(shí)，殘余應(yīng)力無法抑制裂紋的極速擴(kuò)展，試樣迅速斷裂。

以上研究工作表明，超聲波噴丸強(qiáng)化對材料抗疲勞性能強(qiáng)化受多重因素的影響，這些因素又與材料本身、超聲波噴丸強(qiáng)化工藝及使用環(huán)境等有關(guān)，應(yīng)具體問題具體分析。另外，針對腐蝕和低頻疲勞及高頻疲勞等方面國內(nèi)研究較少，同時(shí)還應(yīng)開展超聲波噴丸實(shí)現(xiàn)材料納米化后，對材料性能影響的進(jìn)一步研究[29-30]。

超聲波噴丸成形與校形技術(shù)

在大功率超聲波設(shè)備制造技術(shù)日益完善的今天，超聲波噴丸成形與校形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是利用高能超聲波沖擊撞針或彈丸，沖擊金屬材料表面，使材料表面發(fā)生劇烈的塑性變形，同時(shí)在其內(nèi)部產(chǎn)生高幅殘余應(yīng)力分布，為平衡材料內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)板料彎曲變形。相比于超聲波噴丸強(qiáng)化技術(shù)，超聲波噴丸成形與校形技術(shù)相關(guān)研究較少。

法國SONATS公司自開始超聲波噴丸技術(shù)研究，在超聲波噴丸自動(dòng)化方面做了大量研究，并將之應(yīng)用于自動(dòng)化超聲波噴丸校形,對機(jī)翼蒙皮局部變形進(jìn)行了矯形處理，如圖2所示，空客公司采用超聲波噴丸對焊接機(jī)身整體壁板進(jìn)行噴丸校形[31]。Polytechnique[32]等采用超聲波噴丸校形技術(shù)對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)空心軸進(jìn)行校形研究，結(jié)果表明，采用超聲波噴丸校形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空心軸校形，但同時(shí)也會(huì)使其表面粗糙度和圓度增大；超聲波噴丸校形技術(shù)能顯著降低空心軸的徑向跳動(dòng)，使其從0.007mm降低到0.001mm。

圖2 SONATS公司超聲波噴丸校形零件前后對照Fig.2 Comparison of part before and after ultrasonic shot peening straightening by SONATS

目前國內(nèi)機(jī)械校形技術(shù)仍然是校形方面的首選，超聲波噴丸成形與校形方面的研究則相對較少。北京航空制造工程研究所針對超聲波噴丸校形開展了相關(guān)研究，利用超聲波噴丸實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)身整體壁板的校形。南京航空航天大學(xué)超聲波噴丸技術(shù)課題組近年來開展了超聲波噴丸成形與校形技術(shù)的研究工作。魯世紅[33]等利用有限元方法分析了飛機(jī)帶孔壁板超聲波噴丸成形時(shí)產(chǎn)生的孔區(qū)異性及應(yīng)力集中等問題。史學(xué)剛[34-35]等研究了超聲波噴丸成形工藝，分析了噴丸成形軌跡、成形軌跡間距、電流強(qiáng)度、撞針直徑以及進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對鋁合金板料成形曲率半徑的影響，并對超聲波噴丸成形的鋁合金制件表面完整性做了分析研究。劉存[36]等研究了噴丸處理對加筋壁板的壓損強(qiáng)度和局部屈曲載荷的影響，并提出了一種定量評估噴丸處理影響的方法。以上都是針對鋁合金板材而言，超聲噴丸工藝參數(shù)對其他金屬的影響方面尚需進(jìn)一步研究。陳星[37]等研究了利用有限元法分析超聲波噴丸工藝參數(shù)對沖擊坑形狀和尺寸的影響，與Nobuyuki等人用ANSYS軟件所模擬出的結(jié)果比較吻合。但超聲噴丸的物理過程有著高度非線性，在高頻狀態(tài)下精確建立有限元模型非常困難，為提高有限元的模擬精度，還需進(jìn)一步研究。

自1999年SONATS開發(fā)出第一套超聲波噴丸設(shè)備及其相應(yīng)的超聲波噴丸工藝以來，該技術(shù)已被推廣應(yīng)用于航空航天、造船及汽車等制造領(lǐng)域。SONATS公司與Integrity Testing Laboratory公司同時(shí)提出為數(shù)控超聲波噴丸成形的技術(shù)引入機(jī)械手臂，率先推進(jìn)了超聲波噴丸成形和校形設(shè)備的數(shù)控化。南京航空航天大學(xué)也自主研發(fā)了超聲波噴丸成形與校形數(shù)控設(shè)備，如圖3所示[38-39]。

圖3 超聲波數(shù)控成形與校形裝置Fig.3 Ultrasonic CNC forming and straightening device

結(jié)束語

同國外發(fā)達(dá)國家相比，我國在超聲噴丸技術(shù)領(lǐng)域的起步比較晚，總結(jié)起來主要有以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步研究：

（1）繼續(xù)深入研究不同金屬材料的納米化微觀成形機(jī)理、納米晶粒的高溫穩(wěn)定性及超聲波表面處理對材料抗應(yīng)力腐蝕、電化學(xué)腐蝕等性能的影響。

（2）考慮材料表面完整性和殘余應(yīng)力等多因素的情況下，深入研究不同條件下表面納米層疲勞裂紋萌生和延長壽命的計(jì)算模型和方法。

（3）繼續(xù)深入研究超聲波噴丸工藝參數(shù)如噴丸成形軌跡、成形軌跡間距、電流強(qiáng)度等參數(shù)，對不同金屬的影響，為早日建立超聲波噴丸技術(shù)工藝規(guī)劃方法和準(zhǔn)則做準(zhǔn)備。

（4）在彈丸或撞針和材料高應(yīng)變率下的材料屬性、接觸和摩擦條件等因素的情況下，繼續(xù)研究有限元模型如何精確建立超聲波噴丸的有限元模型，以提高有限元模擬準(zhǔn)確性。

超聲波噴丸技術(shù)已得到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，取得了令人矚目的研究成果，隨著超聲波噴丸技術(shù)的理論和應(yīng)用研究的不斷深入，在航空、航天、船舶等領(lǐng)域必將得到廣泛應(yīng)用。

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