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超声冲击技术:开启残余应力消除新时代
时间:2012-03-28 09:00 来源:河北海拓机电科技有限公司 点击:

一、超声冲击简介
    超声冲击技术由国际焊接学会(International Institute of Welding)正式命名为UIT(ultrasonic impact treatment)。该项技术是由乌克兰著名科学家和工程师Efim Stantnikov博士发明的。在上世纪70年代初,Stantnikov博士领导下的科学家团队开始设计和制造最终将超声波能量运用到金属材料焊接接头的焊后处理设备,以达到大幅提高其疲劳性能的目的。
    1972年,第一次实际应用到前苏联海军核潜艇体结构上。1999年,美国John W Fisher教授(ATLSS Engineering Research Center,Lehigh Uniersity)联合美国联邦高速路管理局(FHWA)在位于弗吉尼亚州Dot staunton地区的公路桥梁和佐治亚州亚特兰大市的Allatoona高速公路进行23次超声冲击处理,结果验证了超声冲击技术提高疲劳强度的有效性。2000年,美国国家焊接学会将超声冲击处理技术列入《焊接行业发展战略技术指南》,以保证未来20年里,继续保持美国在焊接行业内的国家技术竞争力。2001年,美国国家标准技术学会中子研究中心,对超声冲击处理前后的试件进行了中子源三维应力分布扫描。从本质上揭示了超声冲击技术提高疲劳强度的机理和效果。
    超声冲击技术作为一项革命性的新技术受到了国际焊接学会的高度重视。迄今为止,已由美国、俄罗斯、乌克兰、芬兰、挪威、德国、日本、加拿大、中国等国家对超声冲击技术进行了深入的研究和实际应用的探索。

二、技术特点 
    超声波冲击技术特点主要体现在提高焊接件性能方面,其突出优点表现在: 
(1) 超声波冲击技术可显著提高焊接接头得疲劳强度和疲劳寿命。
    该基本原理是焊后利用超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率沿焊缝方向冲击焊缝的焊趾部位,使之产生较大的压缩塑性变形,使焊趾处产生圆滑的几何过渡,从而大大降低了焊趾处余高和凹坑造成的应力集中;消除了焊趾处表层的微小裂纹和熔渣缺陷,抑制了裂纹的提前萌生;调整了焊接残余应力场,消除其焊接拉应力,在焊趾附近产生一定数值的残余压应力;并使焊趾部位材料得以强化。因此,超声冲击设备能同时改善影响焊缝疲劳性能几个方面的因素,如:焊趾几何形状、残余应力、微观裂纹和熔渣等缺陷,所以,能大幅度提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。 


(2)减少和控制焊接造成的变形
    在过去几年中进行的大量实践证明,超声冲击技术可以减少和控制焊接造成的变形。超声冲击技术可在焊缝表面引入压应力,而不是焊接过程所造成的拉应力。这些压应力目前深度可达2.5毫米,可消除深达12毫米的地方的残余应力。为了最大限度地减少变形,可以在每一个焊层都进行处理。在降温过程中进行连续处理时将达到最佳效果,因为残余应力是在此冷却过程中产生的。
(3)超声冲击技术可以增强物品表面耐腐蚀性。
    超声冲击在处理部位建立了一个光滑的表面均匀应力的分布,通过施加压应力会引起物件最高达2.5毫米的塑性变形,其中微表面的孔隙将会封闭从而提高表面光洁度和表面硬度,这又增加了焊接件的耐腐蚀度。由于均匀压缩残余应力的存在,材料表面耐腐蚀度,疲劳强度和抗应力腐蚀度得到增强,光滑的表面和更少的孔隙有利于提高点腐蚀抗性。
(4) 超声波强化设备结构相对简单紧凑。
    通常冲击枪只有几公斤,而我公司的冲击枪更是达到国内外最轻的2.9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。 
(5) UIT 应用范围广泛,不受应用场所,材料及焊接结构形状限制。
    节能、环保、安全、无污染、使用灵活方便。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的设备均适用;可以处理焊接材料如钢、铁、铝、镍、钛、钴、铜等金属和合金; 不但可以用于平板的对接接头处理, 而且可以方便地处理其它方法很困难处理的管接头。

三、与其他传统工艺比较
    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,超声冲击技术去除残余应力,其设备执行机构轻巧,可控性好,使用灵活方便、效率高、应用场所不受限,适用于各种接头而且节能。


附件1:国外一些翻译资料:
    海上石油平台常年经受恶劣海洋环境的考验,海上平台不断遭受海水的击打,海水的腐蚀,焊缝承受海水及海上强风引起的动载荷。
    在石油和天然气行业,海上平台设备的维护和疲劳故障带来的停产损失不断增加,但这些损失有些是可以避免的。钢的疲劳性和被腐蚀性是海上钻井平台停产和维护的两个主要原因。而用来建造钻井架,钻井平台,平台结构,起重机械和钻井工具的金属不断面临着残余应力,腐蚀和开裂损坏的风险。在超声冲击技术出现之前并没有有效延长焊缝疲劳寿命和提高钢材强度的方法。过去每年都需要投入数百万美元与这种海上资产不断恶化做抗争。实践证明超声冲击技术可以有效延长疲劳寿命达6-10倍,提高疲劳强度达70%,而且设备携带方便,操作简单。

附件2:认证
应用超声波UIT技术是有关石油和天然气行业的众多第三方组织的认证。这些认证包括:
美国船级社
挪威船级社
伦敦劳埃德

附件3:世界多所著名大学发表超声冲击方面研究论文
利哈伊大学
德克萨斯大学奥斯汀分校
波特兰州立大学
谢菲尔德哈勒姆大学
斯图加特大学 
慕尼黑大学

来源:网络

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