GB/T 33163-2016金属材料残余应力超声冲击处理法

 

 

超声冲击处理是一种以针式冲击来消除残余应力的方法，它是以超声发生器为激励源，通过压电陶瓷或磁致伸缩方式将超声频电源转换成超声频振动，振动由冲击针传递到金属表面，在金属表面及次表面产生塑性变形，并细化晶粒，达到消除残余应力的目的。

 

超声冲击处理适合于各种工程构件消除应力的需求，特别适合于结构复杂的钢结构、铝合金结构以及由异种焊接接头或其他金属材料制成的结构件。

 

如为了提高结构的抗疲劳性能，一般只针对焊趾采用超声冲击处理；如为了提高结构的抗应力腐蚀性能，需要针对焊接接头或指定区域采用超声冲击全覆盖处理。

 

 

原理

通过换能器将超声频的电流转换成同频率的机械振动，这种机械振动通过冲击针传递到待处理金属表面，使其一定深度的表层金属产生压缩塑性变形，消除拉伸残余应力，并使得尖锐过渡处曲率半径变大，降低应力集中系数。

 

设备

超声冲击处理设备一般由超声发生器、超声冲击枪、超声冲击针等组成。

 

冲击处理前的准备

在实施超声冲击处理之前，待处理表面应保持一定程度的整洁。如果表面有油污、脏物、锈，应加以清理。可以采用打磨或用钢丝刷的方式去掉焊缝表面氧化物、飞溅残留物等杂质。如果待处理表面凹凸不平，建议对表面进行轻微打磨以改善其形状，形成一个能使超声冲击枪平稳移动的通道。

 

冲击处理过程

一般情况下，超声冲击处理应按照以下步骤实施（以处理焊趾为例）：

a）将冲击针对准焊趾，保证焊缝一侧和母材一侧被冲击覆盖的宽度大致相同，冲击枪的轴线与焊缝纵向基本垂直（偏差不超过10°）。冲击枪倾斜的角度取决于焊趾的情况，大多情况下，冲击枪与母材表面的角度在40°~80°范围内。冲击针在焊趾上沿焊缝纵向一定范围内反复来回冲击，如图1所示。

b）可在冲击枪上施加一定的压力，以保证冲击过程平稳。

注：如果冲击枪的自重已能保证冲击过程平稳、不跳动，则操作者无需再施加压力，只需要持稳冲击枪即可。

c）冲击处理速度v应保持在50mm/min~300mm/min。对于高强钢、钛合金等高强度材料，冲击处理速度尽量靠近下限。

 

重要构件的超声冲击处理

容器

各类容器，包括常规容器和压力容器，一般只在容器内部焊缝及热影响区进行全覆盖处理。

大型厚壁构件

非储存容器类型的焊接结构，如桥梁、水电站的钢岔管、压力钢管、闸门、石化部门的反应塔、钢厂的钢包等冶金机械，一般只需要对焊趾进行处理。

其他特殊类型的焊接构件

一些特殊类型的构件如采油平台、船体外壳等也适合超声冲击处理。

 

典型的超声冲击处理设备

A.1超声发生器

为保证超声冲击处理质量，超声发生器应具备频率跟踪(即发生器输出电流的频率始终与超声换能器的谐振频率一致)和恒振幅输出功能。超声冲击枪输出振幅a维持在10pm~50pm之间。

A.2超声冲击枪

超声冲击枪有直角度冲击枪和斜角度冲击枪，其原理及外形示意图如图A.1所示。处理狭小空间内的结构时，直角度冲击枪可能无法处理，此时可使用斜角度冲击枪处理，如图A.2所示。超声冲击枪所用的超声换能器可采用磁致伸缩式或压电陶瓷式。

A.3冲击针

冲击针尺寸主要为冲击针直径d和冲击针长度l，如图A.4所示。

冲击针直径d一般为3mm~6mm。一般来说，直径越小，焊趾部位被冲击处理到的可能性就越大，最终焊趾会消失。直径如果过大（大于6mm），冲击针头通常不会作用在焊趾部位，而是作用在焊趾一侧的金属材料上。

冲击针长度L不宜过长，一般不超过直径d的10倍，否则冲击时容易折断。

A. 4冲击针排列

冲击针最常用的3种排列方式如图A.5所示：

a)冲击焊趾或金属母材尖锐过渡处时，采用单根冲击针或单排多根冲击针；

b)处理拐角及补充处理时使用单根冲击针；

c)对焊缝或金属平面全覆盖冲击处理时，应采用冲击针阵列。