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第 20 卷 　第 3 期 焊 接 学 报 Vol. 20 　　 　No. 3 1 9 9 9 年 9 月 HANJ IE XUEBAO September 　　1 9 9 9 提高焊接接头疲劳强度的超声波冲击法 王东坡 　霍立兴 　张玉凤 　荆洪阳 　杨新歧 (天津大学) 摘 　要 　通常采用打磨焊趾的方法来改善焊接接头的疲劳强度 ,而使用超声波冲击焊趾来提高焊接接 头及结构的疲劳强度 ,是一种国际上刚刚出现的新方法。本文研制成功了一种基于压电陶瓷换能器的 新型超声冲击试验装置。实际使用过程表明 :其执行机构体积小、重量轻、噪音极小、耗能低、使用灵活 方便 ,易于实施。利用该设备 ,采用 Q235 钢进行了冲击处理效果的验证性对比疲劳试验。试验结果表 明:超声冲击方法对焊接接头疲劳强度的改善效果十分明显 ,能够提高疲劳寿命 20～30 倍以上 ,极具实 用价值。同时发现 ,超声冲击处理能够有效地消除焊趾处浅层裂纹、夹渣等焊接缺陷 ,该作用也是其提 高焊接接头疲劳强度的原因之一。 关键词 : 　疲劳强度 　超声波 　焊接接头 　焊趾 0 　序　　言 疲劳断裂是金属结构失效的主要形式。尤其是一些受动载严重的重要结构。因此 ,在焊接结 构制造过程中或完成后 ,采取有效的工艺措施 ,提高它们的疲劳强度意义重大。 大量研究和实践表明[1 ,2 ] ,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。相关方法很多 ,如 TIG 熔修 法、机械打磨焊趾法、爆炸法、喷丸法、过载法、局部压延法、局部加热法、锤击法。但这些方法有的 仍停留在实验室阶段。 目前应用较多的是普通捶击法和TIG 熔修法和喷丸法。但 TIG 熔修法施工工艺复杂 ,工艺不 当反而会造成副作用。这种方法需要保护气体 ,因此露天采用气体保护难以保证 ,应用受到一定限 制[1 ] 。喷丸法是实际应用较多的一种。但这种方法也存在着噪声大、设备庞大 ,一次投资量大、耗 电量大,不利于节能、不能方便地移动作业、野外施工困难。由于丸粒反弹 ,存在安全防护问题 ,且 丸粒需要回收清理[3 ] 。捶击法效率低、劳动强度大、可控性差、效果不稳定[2 ] ;噪声也大 ,故而 ,如何 改善焊接接头疲劳性能仍需大量研究。 用超声波冲击的方法来提高焊接接头及结构疲劳强度的研究 ,在国际上刚刚开始。该方法提 高疲劳强度的机理与锤击和喷丸基本一致。但执行机构轻巧 ,可控性好 ,使用灵活方便、噪音极小、 效率高、应用时受限少 ,适用于各种接头、成本低而且节能 ,是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性 能的措施[3 ] 。因此 ,本文对该方法进行了详细研究。 1 　超声波冲击方法的基本原理 制造普通焊接结构时 ,一般采用熔化焊接的方法 ,大多数情况下需要一定的填充金属 ,故而在 接头部位留有余高、凹坑及各种焊接缺陷 ,造成严重的应力集中。同时 ,还产生一定数值的焊接残 国家自然科学基金资助项目,编号 。 3 期 提高焊接接头疲劳强度的超声波冲击法 　　159 余拉应力。绝大多数情况下 ,残余拉应力对焊接结构疲劳强度的影响是不利的。大量研究表明[2 ] , 在焊趾部位距离表面 0. 5 mm 左右处一般存有熔渣等缺陷 ,该缺陷较尖锐 ,相当于疲劳裂纹提前萌 生。焊接接头在应力集中、焊趾熔渣缺陷及焊接残余拉应力的联合作用下 ,导致疲劳强度严重降 低。 如果在焊后能够采取一定的有效工艺措施 ,降低余高造成的应力集中及消除焊趾表面的缺陷; 调节焊接残余应力场 ,消除其消极影响 ,使之朝有利于疲劳强度提高的方向转变。显然能够大幅度 地改善焊接接头及结构的疲劳强度。而超声波冲击方法提高焊接接头与结构疲劳强度的机理就在 于此。 提高焊接接头疲劳强度超声波冲击法的试验装置主要由三部分组成 :即功率超声波发生器