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第 4 卷
2016 年
6 月刊
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第 4 卷- 2016 年 6 月刊
超声冲击技术



Sam Abston与Beth Matlock在TEC-USA材料测试实验室展开合作,向一名客户证实UIT效果


UIT设备使用磁致伸缩换能器并以27kHZ频率将超声频率传递给基底金属





磁致伸缩换能器驱动冲击头,即在连接超声波换能器和基底金属发射的超声波的同时,根据基底金属/焊接热影响区(HAZ)的厚度,冲击基底金属表面,从而引起部件金属表面的塑形变形

简介

  长期以来人们普遍了解,增加金属部件表面和次表面的残余压应力可提高部件疲劳寿命。1870年,B.C. Tilghman获得美国与此现象相关的首个专利,即使用丸粒冲击部件表面的工艺过程(即喷丸工艺)。

  很长一段时间内,人们一直使用喷丸工艺在部件表面引入残余压应力。在工业中使用喷丸工艺来提高部件疲劳寿命、消除表面应力并缓和应力腐蚀开裂(SCC)。

  尽管长期以来人们了解抛喷丸工艺可在部件表面引入残余压应力的的益处,但是抛喷丸工艺产生的压缩应力最大深度限值只有0.020"。

  过去15年内,人们评估了大量试图在增加残余压应力深度的同时无需进行过多冷加工的技术。其中只有少数技术可成功实现了这一目标,其中应用超声学的超声冲击技术(UIT)就是这少数技术之一。

什么是UIT?其工作原理是什么?

  早在上世纪七十年代,前苏联就将超声冲击技术(UIT)开发应用于处理海军核潜艇体结构上。超声冲击技术具备强化基底金属和焊缝强度的诸多特质,可提高材料与焊接结构的疲劳寿命。超声冲击技术结合超声波和机械冲击特质,通过表面型面改变和表面塑形变形、热影响区(HAZ)的颗粒结构改变以及残余压应力的形成来提高部件焊接结构的疲劳强度和疲劳寿命。

  九十年代中期,阿拉巴马州伯明翰市应用超声学将此技术引入美国制造产业。通过重点大学研究小组的第三方验证和研究,证实了前苏联科学家做出的论断。研究证实,超声冲击技术的金属材料残余压应力深度可达0.200"(5.0mm);研究同时还证实了超声冲击技术提高疲劳寿命和消除应力的能力。

  UIT工艺原理是基于将超过25kHz的超声频率传递至基底金属中。该技术所用磁致伸缩换能器的振荡频率为27kHz,振幅小于28µ。磁致伸缩换能器驱动冲击头,在连接超声波换能器和基底金属发射的超声波的同时,根据基底金属/焊接热影响区(HAZ)的厚度,冲击基底金属表面,从而引起部件金属表面的塑形变形。冲击头冲击材料表面,进而在材料表面引起塑性变形、传递超声波、改变HAZ的颗粒结构并引入残余压应力。选择不同的参数,UIT工艺提供的残余压应力深度也不同。目前,UIT所具备的这些特质独一无二,任何其他提高部件疲劳寿命的技术(抛喷丸、TIG熔修、焊趾打磨、针锤击、锤击处理等)均不具备这些特质。

X射线衍射验证

  测量残余应力的X射线衍射技术是测量UIT产生的深度压型应力的绝佳工具。单波长X射线可精确测量原子面之间的距离。材料中存在应力时,原子间距改变。通过测量原子间距可计算出存在于样本表面附近的应力大小。X射线衍射技术同样适用于测量压应力、中性应力和拉应力。该技术可直接测量应变,无需任何校准试样。

  残余应力是指当外部荷载去掉以后,仍残留在工件内部的应力。其产生于制造工艺和每次维修中。残余应力可通过材料中的弹性应变计算得出,并且一定小于材料的屈服强度。

  当材料承受的应力超过屈服点时,塑形应变产生。随着材料中塑形应变的增加,衍射峰宽度扩大;因此,衍射峰宽度是工件的塑形应变特征。

  由于UIT在较深处产生明显残余压应力,因此必须测量应力及其对试样作用深度的关系。X射线技术仅需测量工件最上面几层原子层的应力。要测量应力深度就必须去除表面材料。电化学抛光(又称电解抛光)是一种有效的材料移除方法,此材料去除工艺不会在工件表面引入任何应力。采用X射线衍射技术测量超声冲击影响深度时,可先通过电解抛光去除材料,再对新表面进行测量。一直重复该工艺,直到达到想要的深度。

  必须根据应力梯度和剥层,修正各深度的应力测值。X射线以加权方式(以指数方式)穿透表面。若存在应力梯度,须将应力修正为标准化数值。材料去除后,剩余样品将发生改变,以抵销原本存在于被去除层面的应力。剥层纠正就是为实现此目的而进行的机械纠正。

  应力与UIT增加的部件深度的关系测量结果表明,有益压缩层的表面作用深度通常增加1-2mm。此外,相较于传统的抛喷丸工艺,UIT在部件表面及附近产生的塑性形变(应变)级别要小得多。与抛喷丸加工部件相比,UIT产生的塑性变形层深度要深,且更为均匀。

使用UIT的益处

  超声冲击技术已经改变了工业对焊后强化方法以及提高疲劳寿命能力的看法。UIT提高的残余压应力深度通常在不损坏过多冷工作的前提下,将消除有害拉应力至0.060"(1.5mm)深度。超声冲击技术的益处已经获得了北美各交通局、海上(离岸)开采钻机产业、美国军事、采矿工业以及汽车和转向架部件制造商的认同,并为其所利用。目前这些行业都在利用UIT工艺,以提高疲劳寿命并消除局部应力。

  除上述益处之外,UIT工艺还可以改变部件次表面的晶粒结构,并消除有害拉应力转而引进深度残余压应力,这两个作用结合,共同提高了基底金属和焊接部件的疲劳寿命,并大大减少应力腐蚀裂痕(SCC)。

  UIT作为一门先进技术,对疲劳和应力腐蚀的诸多行业有重大意义。除此之外,UIT技术的残余压应力合理分布以及低深度塑性变形两特点使得其在焊接结构中比抛喷丸工艺更加高级。



TEC / Materials Testing Division
Applied Ultrasonics, Sam Abston II
10737 Lexington Drive
Knoxville, TN 37932 USA
电话:+1.865.966 5856
传真:+1.865.675 1241
邮箱:info@tecstress.com
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