專利名稱：具有新特性的焊縫以及通過超聲波沖擊處理來提供這種特性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有新的強(qiáng)度以及處理所引起特性的焊縫，以及通過超聲波沖擊處理(UIT)為焊縫提供這種特性的處理。本發(fā)明的焊縫 具有為焊縫提供改進(jìn)質(zhì)量以及可靠性的特殊特性。在焊縫中，基于焊 縫要起的作用(例如質(zhì)量、可靠性以及制造性)來決定待獲得或提高 的特性。
背景技術(shù)：
美國(guó)專利6,171,415 Bl以及6,338,765 Bl描述了利用脈沖沖擊能 量(具體指超聲波沖擊能量)來對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的超聲波沖擊方 法。這些專利揭示了基于隨機(jī)的超聲波沖擊處理用于焊接結(jié)構(gòu)的制造 及修復(fù)處理。超聲波換能器的頻率及振幅是決定沖擊的基本因素。緊 縮反饋信號(hào)允許選擇為了獲得特別處理效果的充分必要參數(shù)。已經(jīng)需要對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行定制。著眼于焊接的具體目的以 及相應(yīng)結(jié)構(gòu)，就進(jìn)一步提高焊接的質(zhì)量以及可靠性而言進(jìn)行定制是優(yōu) 選的。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明涉及具有改進(jìn)特性的不可拆焊縫以及當(dāng)使用超聲波 沖擊處理來處理焊縫時(shí)為焊縫提供這種特性的方法。著眼于焊縫意在 實(shí)現(xiàn)的具體目的，焊縫可獲得新的結(jié)構(gòu)特性。這里的描述涉及焊縫。 但是，根據(jù)這里所述的本發(fā)明，還可以處理等同不可拆焊接結(jié)構(gòu)，且 這里描述的工程技術(shù)方案可被應(yīng)用于任何其他等同不可拆焊縫以及由 此形成的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及考慮到具有新的預(yù)定特性的焊縫以及結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波 沖擊應(yīng)用的參數(shù)的選擇。與美國(guó)專利6，171，415 Bl以及6,338,765 Bl描述的工程技術(shù)方案 類似，本發(fā)明也利用了隨機(jī)超聲波沖擊來處理焊縫。但是，本發(fā)明發(fā) 現(xiàn)特定超聲波沖擊處理參數(shù)的結(jié)合可提高焊接結(jié)構(gòu)(具體指焊縫)的 技術(shù)特性。這些參數(shù)包括(1)超聲波沖擊的重復(fù)率及時(shí)長(zhǎng)(或持續(xù)期間)，(2)抵靠待處理表面作用在超聲波沖擊工具上的壓力(或 者壓迫力)，以及(3)沖擊振幅。本發(fā)明的超聲波沖擊處理的新的 狀況還包括延長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍用于激勵(lì)超聲波換能器，該超聲波換能 器在超聲波沖擊工具的壓頭內(nèi)產(chǎn)生載波超聲波振蕩頻率。著眼于焊縫 意在實(shí)現(xiàn)的目的，這些參數(shù)的特定組合能夠獲得焊縫新的特性或者改 變的現(xiàn)存特性。為超聲波沖擊處理所選擇的參數(shù)控制超聲波沖擊并產(chǎn) 生必需條件以限定焊接結(jié)構(gòu)的新的質(zhì)量以及可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并獲得適于 實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)的預(yù)定目的的焊接結(jié)構(gòu)特性?？蔀楦鞣N類型的不可拆焊接結(jié)構(gòu)使用本發(fā)明，但本發(fā)明主要提供 具有產(chǎn)生重大性能改進(jìn)的特性的焊縫。本發(fā)明的焊縫結(jié)構(gòu)的示例包括 高強(qiáng)度鋼焊縫，具有應(yīng)力集中的焊縫，承受不均衡負(fù)載的焊縫，具有 諸如裂縫等缺陷或損壞區(qū)域的焊縫，要求預(yù)定制造精度的焊縫，修復(fù) 焊縫，需要修復(fù)的焊縫，搭接焊縫，點(diǎn)焊焊縫，角焊焊縫，易于形成 熔融、粗晶粒以及孔隙的焊縫，使用預(yù)熱制造的焊縫，具有預(yù)定應(yīng)力 腐蝕抵抗力的焊縫，具有孔的焊縫，支架或加強(qiáng)構(gòu)件中的焊縫，以及 易于形成馬氏體的焊縫。
圖1就振幅及時(shí)間而言示出了引起超聲波沖擊的超聲波換能器的 振動(dòng)。圖2就振幅及時(shí)間而言示出了通過超聲波沖擊隨機(jī)傳遞的力的脈沖。圖3就振幅及時(shí)間而言示出了使用本發(fā)明的處理獲得的加長(zhǎng)的超 聲波沖擊。圖4a及圖4b分別示出了未根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行處理以及根據(jù)本發(fā)明 進(jìn)行處理的高強(qiáng)度鋼的疲勞極限。圖5示出了在焊接結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)力集中區(qū)域中的應(yīng)力及應(yīng)變分布。圖6a及圖6b示出了作為示例的可能存在的梁及負(fù)載狀況，以及 通過伴隨超聲波沖擊處理的應(yīng)力集中區(qū)域的變化所表示的負(fù)栽狀態(tài)的 改變(其對(duì)外部因素的危險(xiǎn)后果進(jìn)行補(bǔ)償)。圖7a， 7b以及7c示出了在根據(jù)本發(fā)明的處理之前及之后的承插 焊縫以及對(duì)焊縫的應(yīng)力的作用。圖8a， 8b以及8c示出了用于因超聲波沖擊導(dǎo)致的壓應(yīng)力的缺陷 阻止機(jī)理。圖8a示出了處理之前的焊縫，圖8b示出了處理期間的焊 縫，而圖8c則示出了處理之后的焊縫。圖9a， 9b以及9c示出了例如使用考慮了定向焊接收縮的對(duì)稱角 焊縫對(duì)焊接應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。圖9a及圖9b示出了在超聲波沖擊 處理之前及之后的焊縫以及其公差。圖9c示出了應(yīng)變補(bǔ)償方向匹配 的示意圖。圖10a， 10b以及10c示出了對(duì)具有因超聲波沖擊處理導(dǎo)致的裂 縫及應(yīng)力再分配的焊縫進(jìn)行修復(fù)的機(jī)理。圖lla及圖lib示出了通過焊接金屬的正側(cè)面角來形成避免形成 根部裂縫的焊縫。圖12a及圖12b示出了形成為避免根部裂縫形成的另一焊縫。圖13a至圖13e示出了在對(duì)其進(jìn)行超聲波沖擊處理之前、期間以 及之后的點(diǎn)焊縫。圖14a示出了未處理的搭接焊縫，圖14b示出了處理期間的搭接 焊縫，而圖14b示出了處理之后的搭接焊縫。圖15a及圖15b分別示出了根據(jù)本發(fā)明的處理之前及之后的角焊縫。圖16a及圖16b示出了在超聲波沖擊處理之前及之后的另一角焊縫。圖17a及圖17b分別示出了在超聲波沖擊處理之前及之后的焊縫 的結(jié)構(gòu)相變均一性(放大部分)。圖18a及圖18b示出了未處理以及用于在焊縫中提供活化結(jié)晶(圖 18b)的超聲波沖擊處理之后的焊縫(包括放大部分)。圖18c圖形 化地示出了未處理及處理后的焊縫。圖19a及圖19b分別示出了沒有進(jìn)行以及進(jìn)行了超聲波沖擊處理 活化脫氣的焊縫。圖20a及圖20b示出了具有及不具有氫成份的焊縫。圖20c圖形 化地將具有容許氫成份的焊縫與具有超聲波沖擊處理后最小化的氫成
分殘余擴(kuò)散的焊縫進(jìn)行比對(duì)。圖21圖形化地示出了未處理及根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊進(jìn)行處理的具有高碳成份的鋼焊縫的腐蝕率。圖22a及圖22b分別示出了在超聲波沖擊處理之前及期間在裂縫的頂端具有孔的焊縫。圖23a及圖23b分別示出了在超聲波沖擊處理之前及之后的焊接 支架焊縫。圖24示出了鋼中超冷奧氏體分解的圖形。圖25a， 25b及25c分別示出了在應(yīng)用涂層及超聲波沖擊處理 (UIT)之前、在應(yīng)用了保護(hù)涂層之后及UIT之前、以及在涂層上進(jìn) 行了 UIT之后的焊縫。圖26示出了可獲得的焊縫結(jié)構(gòu)的示例。
具體實(shí)施方式
超聲波沖擊處理利用超聲波換能器的激勵(lì)引起的振動(dòng)。如圖1所 示，振動(dòng)在一定時(shí)段以特定振幅發(fā)生。當(dāng)換能器被激勵(lì)時(shí)振動(dòng)可以是 受迫振動(dòng)或在換能器暫停期間是自由振動(dòng)。在自由振動(dòng)期間振幅將減 少。如圖2所示，圖1所示的振動(dòng)隨機(jī)地將力脈沖傳遞至自由軸向移 動(dòng)沖擊元件或壓頭。如圖1所示，超聲波換能器的受迫振動(dòng)被中止以 獲取關(guān)于在負(fù)載下超聲波換能器的自由振動(dòng)的信息，并修正振蕩器工 作模式。上述信息源是在暫停期間從激勵(lì)元件的繞組或電極傳送的反 饋信號(hào)。注意，上述原理適用于用于超聲波換能器中的各種類型的活 性材料，特別是磁致伸縮活性材料或者壓電陶瓷活性材料。為了分析 并修正發(fā)電機(jī)的工作以及換能器的工作，通常使用收縮反饋信號(hào)(如 1981年3月30日的俄國(guó)專利817931所述)。因此，為了根據(jù)特定焊 縫的目的來選擇超聲波沖擊處理狀態(tài)，使用收縮反饋信號(hào)，并在無負(fù) 載以及有負(fù)載的情況下為了換能器振動(dòng)的頻率及振幅調(diào)節(jié)技術(shù)系統(tǒng)。除了超聲波換能器振動(dòng)參數(shù)對(duì)超聲波沖擊處理非常重要之外，已 經(jīng)確認(rèn)超聲波沖擊的相關(guān)參數(shù)對(duì)獲得或改變特性非常重要，因此，對(duì) 通過對(duì)焊縫的材料進(jìn)行超聲波沖擊而獲得的不可拆焊縫的特性非常重 要。通過選擇特定參數(shù)以及對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以獲得具有預(yù)定 改進(jìn)特性的焊縫。基于換能器壓頭處理目標(biāo)振蕩系統(tǒng)的相關(guān)特性來選 擇超聲波換能器振動(dòng)參數(shù)以及超聲波沖擊參數(shù)，其中這些參數(shù)與在處 理中施加至焊縫的壓力、焊縫材料的物理及機(jī)械特性以及焊縫本身的聲學(xué)特性相關(guān)聯(lián)。圖3示出了本發(fā)明如何延長(zhǎng)了超聲波沖擊，由此改 進(jìn)了超聲波能量傳遞至處理目標(biāo)的效能以在焊縫及結(jié)構(gòu)中獲得新的預(yù) 定特性。因此，超聲波沖擊效能標(biāo)準(zhǔn)直接影響焊縫材料以及超聲波沖 擊的相關(guān)時(shí)長(zhǎng)、頻率以及振幅參數(shù)。上述聲學(xué)及機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)提供了在焊縫結(jié)構(gòu)中獲得新的或改變 的特性的途徑。確定選擇參數(shù)的正確組合的過程涉及以下步驟(a) 限定焊接及形成焊縫的材料的實(shí)際物理特性，(b) 限定(a)的上述特性對(duì)需要用于滿足特定焊縫質(zhì)量及可靠性要求的特性的一致性，(c) 就為焊縫提供希望的特性而言，限定因超聲波沖擊處理在焊縫上造成的物理因素，(d) 限定超聲波沖擊處理在提供希望焊縫特性上的效能標(biāo)準(zhǔn)，(e) 限定超聲波沖擊處理?xiàng)l件以提供焊縫的希望特性，(f) 結(jié)合換能器、超聲波沖擊、壓頭、壓力、機(jī)械特性以及處理 焊縫材料的聲學(xué)特性的參數(shù)來限定超聲波沖擊處理?xiàng)l件，并且(g) 根據(jù)通過以上建立的限定來在焊縫上進(jìn)行超聲波沖擊處理。 具體而言，為了通過超聲波沖擊處理提供具有預(yù)定新或改變特性的不可拆焊縫，首先通過現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)來確定待處理焊縫的實(shí)際物理 特性。然后必需著眼于與處理之前焊縫的特性的差異來限定并評(píng)估焊縫后續(xù)處理中希望的特性。這可通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，以下稱為實(shí)現(xiàn)希望目標(biāo)的算法或一系列處理步驟。該算法大致包括(1)限定焊縫材料的實(shí)際特性對(duì)特定需求的一致性；(2)限定超聲波沖擊處理在焊縫上的物理因素及機(jī)理；(3)限定確定希望焊縫質(zhì)量及可靠性的標(biāo)準(zhǔn)；(4)限定超聲波沖擊處理在焊縫上的基本標(biāo)準(zhǔn)；(5)限定超聲波沖擊處理為提供具有希望特性的不可拆焊縫的參數(shù)；并且(6)限定為提供預(yù)定特性超聲波沖擊處理在焊縫上獲得的結(jié)果。以下更詳細(xì)地描述本發(fā)明的算法。具體而言，該算法涉及首先著眼于焊縫所起作用確定待處理不可拆焊縫的實(shí)際特性對(duì)焊縫中希望的特性的一致性，并且 使其與一組獲得焊縫希望特性的超聲波沖擊處理參數(shù)相符合。
在焊縫上的超聲波沖擊處理的物理因素以及機(jī)理包括低頻沖擊所產(chǎn)生的塑性變形；沖擊期間的超聲波塑性變形；在沖擊期間產(chǎn)生超聲 波振動(dòng)層(其存在由低頻沖擊產(chǎn)生的塑性變形)以及超聲波塑性變形 時(shí)，在給定焊縫的材料中的超聲應(yīng)力波的振幅及衰減(阻尼減幅)； 以及沖擊期間接觸位置處的溫度及排熱率。確定需要焊縫質(zhì)量及可靠性的標(biāo)準(zhǔn)包括幾何結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性；殘余應(yīng) 變及其名義尺寸公差；在焊縫體內(nèi)及焊接材料的結(jié)構(gòu)部分內(nèi)平衡的殘 余應(yīng)力；可接受應(yīng)力集中水平及影響焊縫負(fù)載承受性能的應(yīng)力集中因 素形式；低循環(huán)及高循環(huán)反向波動(dòng)負(fù)載下的疲勞極限以及疲勞強(qiáng)度； 以及低循環(huán)及高循環(huán)反向波動(dòng)負(fù)載下的相應(yīng)于惡劣環(huán)境中的腐蝕及腐 蝕疲勞失效的疲勞極限及疲勞強(qiáng)度，以及焊縫材料特性。超聲波沖擊處理對(duì)焊縫影響的基本標(biāo)準(zhǔn)包括所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力以 及應(yīng)變的水平；其表面及過渡區(qū)域的起伏、粗糙度以及幾何結(jié)構(gòu)的變 化以及處理區(qū)域中材料特性的變化；在超聲波沖擊處理之前由給定焊 縫的制造技術(shù)所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力的釋放以及再分配；以及焊縫類型的 變化以及其抵抗工作負(fù)載的情況。為了提供具有所需特性的不可拆焊縫的超聲波沖擊處理(UIT) 的參數(shù)包括(1)超聲波沖擊工具上約0.1至50kg范圍內(nèi)的壓力，(2 ) 約10與800kHz之間的換能器的載波超聲波頻率，(3 )在約0.5與120jim 之間載波頻率下的超聲波振動(dòng)的振幅，(4)在載波超聲波頻率下在 約2至50振動(dòng)周期的范圍內(nèi)在隨機(jī)超聲波沖擊持續(xù)期間約5與2500Hz 之間的工具壓頭系統(tǒng)的超聲波沖擊頻率及自振頻率，(5) 0.05與5mm 之間的工具的自振振幅，(6)自由軸向移動(dòng)壓頭與工具換能器之間 的連接水平，其取決于上述UIT參數(shù)的范圍，以及(7)根據(jù)材料及 焊縫的任務(wù)、特性以及尺寸，具有設(shè)定在上述范圍內(nèi)參數(shù)的自由超聲 波沖擊。超聲波沖擊處理在焊縫上為提供預(yù)定特性的結(jié)果包括以下至少一 個(gè)主動(dòng)改變約O.lnm及以上的表面粗糙度及起伏；表面之間約0.5mm 及以上的半徑；在應(yīng)力集中區(qū)域沿焊邊線或任意表面之間的線的高達(dá) 2mm的槽的深度以及高達(dá)10mm的槽的寬度；應(yīng)力集中區(qū)域中的材 料機(jī)械特性的提高，由此強(qiáng)度不小于約1.5倍且沖擊強(qiáng)度不小于約1.2 倍，塑性變形(希望的壓應(yīng)力及希望的微硬度的相對(duì)改變)深達(dá)約
7mm，因材料垂直于表面的截面中材料的深達(dá)10mm的塑性變形導(dǎo)致 的彈性壓應(yīng)力的分布，對(duì)具有不小于材料屈服強(qiáng)度的約0.05振幅的超 聲波波動(dòng)應(yīng)力波導(dǎo)致的處理導(dǎo)致殘余應(yīng)力的釋放深達(dá)12mm，在表面 上以及表面下預(yù)定深度的不小于取決于限定任務(wù)的材料屈服強(qiáng)度及極 限強(qiáng)度的有利的第一種及第二種殘余應(yīng)力；對(duì)剩余處理導(dǎo)致的應(yīng)變進(jìn) 行補(bǔ)償不小于在沒有應(yīng)用UIT的情況下發(fā)生的40%，其中應(yīng)力腐蝕 抵抗性能提高高達(dá)約10倍；在改變負(fù)栽情況下對(duì)腐蝕疲勞強(qiáng)度提高 高達(dá)約2.5倍并對(duì)腐蝕環(huán)境下的壽命延長(zhǎng)高達(dá)約20倍；對(duì)重復(fù)或波動(dòng) 應(yīng)力下的空氣中疲勞極限提高不小于約1.5倍并延長(zhǎng)壽命不小于約10 倍，提高焊縫的強(qiáng)度不小于1個(gè)級(jí)別；形成的白層(white layer)及 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)深度達(dá)到不小于約50 (im。不可拆焊縫可利用超聲波沖擊處理使用任何接合材料熔化或不熔 化材料的接合界面而形成，可以具有或不具有填充材料，并可具有全 部焊接材料或其任意組合， 一種材料在另一種材料中的固溶體過渡區(qū) 域以及相對(duì)于接合及未接合材料結(jié)構(gòu)及應(yīng)變模式的改變的區(qū)域。不可 拆焊縫可通過撞壓、縛束、重疊、窄縫或點(diǎn)焊以及沿任何給定形狀的 結(jié)構(gòu)元件的孔進(jìn)行焊接來形成，其中可以具有或不具有完全、部分或 不完全穿孔、具有或不具有邊緣預(yù)備、并通過改變裝置(例如，電阻、 激光器、電子束、擴(kuò)散、摩擦、壓力、埋弧、手弧、氣保護(hù)弧、明弧 及埋弧焊、利用填充材料焊接、超聲波焊接的明焰、軟焊等)形成。以下將描述本發(fā)明的具體焊縫。 (A)高強(qiáng)度鋼中的焊縫具體而言，相較于低及平均強(qiáng)度鋼(即，具有比高強(qiáng)度鋼最小小 兩倍的屈服強(qiáng)度以及高達(dá)兩倍的疲勞極限的低碳及低合金鋼)，在形 成焊縫過程中對(duì)高強(qiáng)度鋼的使用受限于由這種鋼形成的焊縫的低疲勞 強(qiáng)度。業(yè)界可知，這些鋼之間的狀態(tài)極限是屈服強(qiáng)度或高達(dá)500MPa 的最大強(qiáng)度值。獲得的本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼的焊縫具有比低及平均強(qiáng)度鋼最小高兩 倍的疲勞極限。這在圖4a及圖4b中圖示出。圖4a示出了高強(qiáng)度鋼 的疲勞極限1、低碳或低合金鋼的焊縫2以及未經(jīng)超聲波沖擊處理的 高強(qiáng)度鋼的焊縫3。圖4b示出了在超聲波沖擊處理之后高強(qiáng)度鋼的焊 縫的疲勞極限4以及在超聲波沖擊處理之后低碳或低合金鋼的焊縫的
疲勞極限。如圖所示，經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理的材料得到 了極大的改善。由高強(qiáng)度鋼及合金形成的焊縫在經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理之后并落入上述設(shè)置的參數(shù)中時(shí)具有o > 500 MPa的屈 服強(qiáng)度，由此為焊縫中的材料提供最小大于具有o S 500 MPa的鋼及 合金疲勞極限的30%的疲勞極限。具體而言，為了實(shí)現(xiàn)以上目的，對(duì)焊邊處危險(xiǎn)的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn) 行超聲波沖擊處理。因此，根據(jù)本發(fā)明，首先確定焊縫及基礎(chǔ)材料的 特性?？紤]到相較于基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度需要使得焊縫的疲勞極限不小于 500MPa，通過計(jì)算足夠產(chǎn)生塑性變形及壓應(yīng)力的沖擊能量來確定超 聲波沖擊處理?xiàng)l件。然后經(jīng)驗(yàn)性地檢驗(yàn)超聲波沖擊處理?xiàng)l件并為了需 求目的進(jìn)行修正。在振蕩系統(tǒng)頻率為約27kHz而工具壓力高達(dá)約10kg 的情況下，為了提供具有希望特性的不可拆焊縫的超聲波沖擊處理?xiàng)l 件如下所述超聲波換能器在沖擊期間的振幅不小于30jim，沖擊頻 率在約80至250Hz范圍內(nèi)，工具自身振蕩的振幅高達(dá)2mm，壓頭直 徑為約3至6.35mm，并且壓頭的平均長(zhǎng)度或時(shí)長(zhǎng)取決于焊縫類型在 約10-35mm的范圍內(nèi)。上述超聲波沖擊處理?xiàng)l件對(duì)強(qiáng)化危險(xiǎn)的拉應(yīng) 力集中區(qū)域很重要，并且在其中產(chǎn)生的有利的壓應(yīng)力深度達(dá)到不小 于約2mm，其在表面處的量級(jí)比基礎(chǔ)材料的屈服強(qiáng)度及疲勞極限大 高達(dá)1.5倍。在此情況下，在超聲波沖擊處理之后的應(yīng)力集中區(qū)域具 有深達(dá)約lmm的有規(guī)則槽的結(jié)構(gòu)，其通過由超聲波沖擊引起的塑性 變形而形成，并在焊料與基礎(chǔ)材料之間提供平滑的過渡。因此，在制造焊接結(jié)構(gòu)中并在獲得的焊縫中包含高強(qiáng)度鋼是可行的。(B)具有應(yīng)力集中的焊縫在焊縫焊邊處的材料的物理及機(jī)械特性、工作應(yīng)力的性質(zhì)以及其 于應(yīng)力集中區(qū)域處的分布是焊縫的基本強(qiáng)度及疲勞極限標(biāo)準(zhǔn)，其中應(yīng) 力集中與集中因素取決于焊料與焊邊處的基礎(chǔ)材料之間的過渡幾何結(jié) 構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明通過對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行超聲波沖擊處理獲得焊縫以 相對(duì)于未處理材料形成焊縫而提高處理焊縫材料的強(qiáng)度、延展性及沖 擊強(qiáng)度高于名義值。此外，因?yàn)樵趹?yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行的超聲波超級(jí)處 理引起在處理區(qū)域中有利的殘余壓應(yīng)力，故焊縫被改變并適于外部負(fù)載。處理區(qū)域的條件、特性及性質(zhì)由超聲波的特性及脈沖塑性變形(其 取決于超聲波沖擊的振幅及時(shí)長(zhǎng)以及其在超聲波沖擊處理期間的重復(fù) 率)決定。因此，焊縫材料在應(yīng)力集中區(qū)域中的最終強(qiáng)度及疲勞極限 大于形成焊縫的材料的最終強(qiáng)度及疲勞極限。通過殘余應(yīng)力以及等效塑性及彈性變形來限定焊縫在上述情況下 的應(yīng)變模式。因超聲波沖擊處理在超聲波塑性變形區(qū)域中形成的有利 殘余壓應(yīng)力不小于材料更大的名義屈服點(diǎn)。塑性變形及各個(gè)彈性應(yīng)力 在處理材料的深度上從使彈性應(yīng)力平衡的殘余壓應(yīng)力最大值指數(shù)地減 小，同時(shí)建立在表面上及以下的殘余及彈性應(yīng)力的水平及分布以補(bǔ)償 環(huán)境影響以及工作應(yīng)力。圖5中示出了在應(yīng)力集中區(qū)域中的應(yīng)力及應(yīng)變分布，同時(shí)因根據(jù) 這里描述的算法進(jìn)行的超聲波沖擊處理的結(jié)果，該區(qū)域中的材料特性 改變。公知的是，危險(xiǎn)的應(yīng)力集中通常位于焊邊處。這是因?yàn)楹噶吓c基 礎(chǔ)材料之間不良的形狀過渡、在該區(qū)域中存在的顯著的焊接缺陷(諸 如重疊、不規(guī)則、根切)以及因冷卻時(shí)焊料收縮導(dǎo)致的拉殘余應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明，超聲波沖擊處理通過形成在其邊界具有約O.Smm及 更大的半徑、寬度大于零并高達(dá)約10mm以及深度大于零并高達(dá)約 2mm的槽(具體取決于材料厚度及焊邊角度)來產(chǎn)生焊料與基礎(chǔ)材 料之間的平滑過渡。超聲波沖擊處理?xiàng)l件限定了應(yīng)力釋放、槽粗糙度 (不小于Ra-75 jiin)、導(dǎo)致的壓應(yīng)力的量級(jí)及性質(zhì)(不小于材料的 最終強(qiáng)度)、在塑性變形區(qū)域中對(duì)深度的影響不小于約2mm并在彈 性變形區(qū)域中不小于約5mm，并且對(duì)點(diǎn)位置的殘余焊接應(yīng)力釋放不 大于原始狀態(tài)的約20%。設(shè)置焊縫的參數(shù)包括沖擊期間于大于零并高達(dá)約訓(xùn)kHz頻率下大 于零并高達(dá)約50 jim超聲波振幅、大于零并高達(dá)約500Hz的沖擊頻率、 約0.2mm及更大的工具自振蕩振幅、沖擊脈沖大于零并高達(dá)約0.5的 頻寬比、至少約3kg的壓力以及因上述因素造成的沖擊能量，其等效 并足以產(chǎn)生壓應(yīng)力并將應(yīng)力集中區(qū)域中的材料最終強(qiáng)度特性改變的大 于原始應(yīng)力及強(qiáng)度特性、并足以補(bǔ)償外部操作力。根據(jù)在上述條件下的方法完成的對(duì)碳鋼的超聲波沖擊處理因上述 設(shè)置的物理因素的組合效應(yīng)以及通過使焊縫材料塑性變形移除焊接缺 陷而增大了焊縫的疲勞極限。(c)承受平衡及非平衡負(fù)載的焊縫根據(jù)本發(fā)明，限定焊縫在原始條件下抵抗平衡及非平衡負(fù)載下失 效性能的首要要求是為了獲得根據(jù)本發(fā)明特性在超聲波沖擊處理之后 負(fù)載在這些焊縫上的不平衡特性。但是，焊縫最終受壓狀態(tài)總是取決 于外部負(fù)栽在焊縫上的狀態(tài)?；诖?，在接近實(shí)際負(fù)載的平衡或不平 衡負(fù)載作用在焊縫上的同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的算法進(jìn)行對(duì)焊縫的超聲波 沖擊處理。在給定焊縫工作期間，由補(bǔ)償導(dǎo)致裂縫形成因素影響的適當(dāng)性條 件來確定并匹配給定焊縫上外部負(fù)載的水平及性質(zhì)以及進(jìn)行的超聲波 沖擊處理的相關(guān)參數(shù)。作為本發(fā)明的一部分，對(duì)超聲波沖擊處理的適當(dāng)性進(jìn)行評(píng)估的過 程如下所述。最初，模擬焊接狀態(tài)及應(yīng)力或通過任何傳統(tǒng)方法測(cè)量負(fù)載所導(dǎo)致 的等效應(yīng)變，等效于實(shí)際負(fù)載的改變負(fù)載被施加至標(biāo)本或?qū)嶋H焊縫。 通過計(jì)算所需沖擊能量，然后確定超聲波沖擊處理的參數(shù)以對(duì)應(yīng)力或應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償。隨后，與改變負(fù)載一起實(shí)施超聲波沖擊處理，并且通 過以上使用的測(cè)量程序來建立對(duì)危險(xiǎn)工作應(yīng)力或應(yīng)變的補(bǔ)償水平，如 果需要，對(duì)超聲波沖擊處理的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正以補(bǔ)償焊縫現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的 目的所限定的應(yīng)力或應(yīng)變?？梢栽诓还潭ńY(jié)構(gòu)上、在固定結(jié)構(gòu)的剛性輪廓中或者在恒定、可 變及平衡負(fù)載下以自由狀態(tài)進(jìn)行與負(fù)載一同實(shí)施的對(duì)焊縫的超聲波沖 擊處理。為了解決上述問題，為了提供具有希望特性由碳結(jié)構(gòu)及不銹鋼以 及鋁及鈦合金制成的焊縫，超聲波沖擊處理的參數(shù)包括在沖擊期間于大于零并高達(dá)80kHz的頻率下大于零并高達(dá)約5(Him的振幅、沖擊頻 率大于零并高達(dá)500Hz (其中平均主要沖擊時(shí)段不小于約lms)、工 具自身振蕩振幅為約0.2mm且更大、不小于3kg的壓力、以及通過 上述獲得的沖擊能量，并等效并足以產(chǎn)生壓應(yīng)力并改變材料在應(yīng)力集 中區(qū)域內(nèi)的最終強(qiáng)度特性使得大于原始?jí)簯?yīng)力及強(qiáng)度特性并足以補(bǔ)償 外部工作力。
通過示例性梁結(jié)構(gòu)，在圖6a及圖6b中示出了因同時(shí)發(fā)生的超聲 波沖擊處理(其對(duì)外部因素導(dǎo)致的危險(xiǎn)影響進(jìn)行補(bǔ)償)所引起的負(fù)載 狀態(tài)的改變。圖6a示出了在不同應(yīng)力負(fù)載下的梁。梁10示出了在靜 態(tài)負(fù)載Fc下的梁。梁11處于循環(huán)波動(dòng)或動(dòng)態(tài)負(fù)載Fv下。梁12處于 復(fù)合負(fù)載下，即Fc + Fv。圖6b示出了相較于超聲波沖擊處理之后相 同梁的應(yīng)力狀態(tài)，各個(gè)梁10， 11及12的應(yīng)力集中區(qū)域中的初始應(yīng)力 狀態(tài)。另一示例性結(jié)構(gòu)是圖7a所示的所謂"承插焊縫，，。在圖7a中， 20表示承插焊縫而21表示對(duì)焊縫進(jìn)行處理的超聲波沖擊工具。該獨(dú) 特的"承插焊縫，，的特征在于該焊縫通常被用于具有波動(dòng)及交替負(fù)載 兩者、其中形成焊縫的材料的厚度相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)中。在此情況下， 根據(jù)本發(fā)明對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的超聲波沖擊處理形成尺寸及深度不大于 處理材料厚度約0.15mm的槽。圖7b示出了超聲波沖擊處理之前及 之后的焊縫。在處理之后，焊縫具有最小約0.5mm的半徑22、大于 零并高達(dá)約10mm的寬度、大于零并高達(dá)約2mm的深度、以及當(dāng)整 體厚度為約4mm時(shí)約0.15mm的腹板(web )厚度。因此，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的材料特性進(jìn)行改變引起焊縫的應(yīng)力集 中區(qū)域中形成的特定水平的壓應(yīng)力。相關(guān)于焊縫尺寸及形成承插焊縫 的材料厚度，用于產(chǎn)生上述應(yīng)力及槽尺寸的條件使得承插焊縫在波動(dòng) 及循環(huán)負(fù)載(其在應(yīng)力集中區(qū)域中引起高于焊接材料的屈服強(qiáng)度的應(yīng) 力)下整體具有良好的破壞強(qiáng)度。圖7c相對(duì)視示在超聲波沖擊處理 之前及之后焊縫的循環(huán)應(yīng)力。因此，負(fù)載狀態(tài)及對(duì)焊邊的超聲波沖擊 處理以及恒定負(fù)載一側(cè)的負(fù)載承載部件及/或改變負(fù)載位置引起超聲波 塑性變形、壓應(yīng)力的產(chǎn)生及分布以及焊料與基礎(chǔ)材料之間過渡的形 成，由此補(bǔ)償靜態(tài)或循環(huán)或改變應(yīng)力(由于沿焊邊及/或根部的基礎(chǔ)材 料的屈服點(diǎn)之上的應(yīng)力集中，其導(dǎo)致工作中裂縫的形成)的影響。 (D)存在缺陷及損壞區(qū)域(包括裂縫)的焊縫對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的制造及操作實(shí)踐顯示了 一系列與對(duì)焊縫的壽命及可 靠性的改進(jìn)相關(guān)聯(lián)的問題，包括焊接缺陷、材料結(jié)構(gòu)缺陷、半微結(jié)構(gòu) 損壞以及裂縫。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的超聲波沖擊處理的優(yōu)點(diǎn)使得其能夠在焊縫中提 供檢測(cè)上述缺陷的特性，由此形成可靠的焊縫。在這種情況下對(duì)焊縫
改變很重要的是超聲波塑性變形、外力脈沖(沖擊)導(dǎo)致的應(yīng)變以及 引入焊縫材料中的殘余壓應(yīng)力，其中上述因素處于上述參數(shù)范圍內(nèi)， 因?yàn)檫@些超聲波沖擊因素會(huì)對(duì)材料狀態(tài)產(chǎn)生影響。對(duì)改變?nèi)毕莺缚p非常重要的是超聲波塑性變形，即由沖擊造成的 應(yīng)變，以及被引入覆蓋上述缺陷并延遲其因工作負(fù)載在外力下的發(fā)展 的焊縫材料內(nèi)的殘余壓應(yīng)力。裂縫是焊縫材料中最普通的示例。利用不同的裂縫尺寸實(shí)際上可 限定內(nèi)部狀態(tài)并模擬在外力下由其他類型缺陷造成的初始狀態(tài)或故障 階段。如圖8a-8c所示，所有焊接缺陷(包括裂縫)的危險(xiǎn)區(qū)域均是應(yīng) 力集中。在圖8a-8c中還示出了在壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)因超聲波沖擊處理而引 起的缺陷延遲機(jī)理。在圖8a中，30表示在超聲波沖擊處理之前包括 裂縫的缺陷焊縫以及與其相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力。圖8b示出了利用超聲波沖 擊工具31對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行處理以產(chǎn)生壓場(chǎng)。圖8c示出了在超聲波沖 擊處理之后的焊縫32以及其中存在的應(yīng)力的改變(比較圖8a與圖 8c)。當(dāng)張力矢量垂直于最大缺陷區(qū)域存在平面時(shí)缺陷會(huì)帶來最嚴(yán)重的 危險(xiǎn)。在圖8a-8c所示的情況下，裂縫外周限定出應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)缺陷因根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理而承受壓應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，其能夠補(bǔ)償 應(yīng)力集中區(qū)域中不利的張應(yīng)力并將其轉(zhuǎn)移至材料的應(yīng)力集中危險(xiǎn)不容 易出現(xiàn)的區(qū)域。在此情況下，超聲波沖擊處理僅局部地位于表面，其尺寸足以將 可能的張應(yīng)力轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)離可能的應(yīng)力集中達(dá)到在不利的外力作用條件下 足以維持合成壓應(yīng)力的距離。如上所述在模擬缺陷發(fā)展及延遲狀態(tài)期間確定上述表面的尺寸。在此情況下提供希望焊縫的超聲波沖擊處理 參數(shù)包括以下大于零并且不大于約10kg的工具壓力；大于零并不 大于約500Hz的超聲波沖擊頻率；超聲波沖擊的主要時(shí)段平均不小于 約lms;取決于待處理的材料特性以及表面狀態(tài)要求，超聲載波頻率 大于零并高達(dá)約lOOKHz;沖擊期間壓頭的超聲波振蕩振幅不小于約 30 jim;并且振幅不小于約0.2mm。根據(jù)上述過程限定并通過上述參 數(shù)及相應(yīng)壓頭質(zhì)量表達(dá)的沖擊能量被設(shè)定為在塑性變形區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓 應(yīng)力到達(dá)不小于約2mm的深度，并在彈性變形區(qū)域中到達(dá)足以補(bǔ)償
張應(yīng)力的殘余影響的深度。由此獲得的新的特性及焊縫材料狀態(tài)允許對(duì)因給定焊縫上的工作 負(fù)栽導(dǎo)致的危險(xiǎn)應(yīng)力的影響進(jìn)行補(bǔ)償，由此允許在焊縫工作時(shí)對(duì)缺陷 發(fā)展予以延遲。(E)對(duì)制造精度有特殊要求的焊縫焊縫的幾何學(xué)精度是首要的品質(zhì)及可靠性特性。根據(jù)本發(fā)明的超 聲波沖擊處理的特性在于一系列特性，其可確保符合基本技術(shù)要求。 這些特征主要包括(對(duì)應(yīng)力及應(yīng)變的)超聲波釋放，超聲波及脈沖塑 性變形(材料再分布)，以及壓應(yīng)力的產(chǎn)生(張及壓應(yīng)力及應(yīng)變的再 分布)。因此，如下有四種方法來獲得焊縫的特殊精度(l)根據(jù)本發(fā) 明進(jìn)行的超聲波沖擊處理，使用剛性安裝件(固定部)并對(duì)固定引起 的殘余焊接應(yīng)力進(jìn)行超聲波應(yīng)力釋放，(2)無固定焊接，根據(jù)本發(fā) 明的在焊接區(qū)域中的焊料及基礎(chǔ)金屬的超聲波及脈沖塑性變形，焊縫 中的材料再分布，對(duì)收縮以及焊接應(yīng)變的補(bǔ)償，(3)在超聲波沖擊 處理中結(jié)合上述(1)及(2),以及(4)考慮在這些方向上對(duì)焊縫 應(yīng)變的補(bǔ)償，通過方向及超聲波沖擊處理來區(qū)別(差異化)焊接收縮。在焊接期間，或者取決于目的及其方案的具體情況，當(dāng)焊料被冷 卻或在焊接之后處于冷(約環(huán)境溫度)金屬之上時(shí)，對(duì)熱(高于環(huán)境 溫度)金屬適用具有特殊結(jié)構(gòu)精度要求獲得焊縫的上述示例?？紤]方向性焊接收縮，利用對(duì)稱角焊縫作為示例在圖9a，圖9b 及圖9c中示出了對(duì)焊接應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。圖9a示出了焊縫40 以及其中的公差。圖9b示出了通過超聲波沖擊工具"進(jìn)行超聲波沖 擊處理之后的焊縫。在圖9b中如下表示應(yīng)變及公差a及f分別表示 超聲波沖擊處理之后的殘余應(yīng)變，b及e分別表示公差；而c及d則 分別表示殘余焊接應(yīng)變。圖9c示意性地示出了應(yīng)變補(bǔ)償方向匹配。 當(dāng)焊縫中的殘余焊接應(yīng)變通過隨后對(duì)殘余焊接應(yīng)力或超聲波及脈沖塑 性變形及焊接金屬再分布進(jìn)行超聲波釋放而生成剛性安裝或者通過組 合這些影響而被補(bǔ)償時(shí)，由此取決于焊縫類型及烊接過程，這樣做可 將焊接金屬的塑性變形的方向及大小與其縱向及橫向收縮之間的比率 進(jìn)行匹配。在在目的所特定的方向上對(duì)應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償期間，使用選擇超聲波
沖擊處理工具痕跡重疊系數(shù)(K )的原則。Ko的最大值對(duì)應(yīng)于應(yīng)當(dāng)補(bǔ) 償?shù)淖畲髿堄鄳?yīng)變的方向，由此以提供特定的精確度，同時(shí)最小值& 對(duì)應(yīng)于最小殘余應(yīng)變的方向。在各個(gè)不同方向上的殘余應(yīng)變對(duì)應(yīng)于在 這些方向上的焊接金屬以及焊接附近區(qū)域的收縮，而應(yīng)變補(bǔ)償對(duì)應(yīng)于 因超聲波沖擊處理由塑性變形引起的焊接金屬局部體積及焊接附近區(qū) 域總的累積。當(dāng)表面完全由工具痕跡覆蓋時(shí)，將Ko取為正值并等效 于縮進(jìn)直徑差與縮進(jìn)中心至中心間距之間的關(guān)系，而在間歇處理期間 間歇縮進(jìn)間距與縮進(jìn)中心至中心間距之間的比率對(duì)應(yīng)于負(fù)重疊系數(shù)， 然后超聲波沖擊處理在值的范圍內(nèi)在特定方向上提供對(duì)應(yīng)變補(bǔ)償?shù)目?制，使得滿足1>^>-1。因此，當(dāng)工具或工件運(yùn)行速度為約90m/min時(shí)，即使在500Hz 的超聲波沖擊頻率下且縮進(jìn)直徑為3mm， Ko也變?yōu)檎?。但是，?shí) 際超聲波沖擊處理處于大于零高達(dá)5m/min的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的 方法這樣增強(qiáng)了超聲波沖擊處理的可靠性，并增強(qiáng)了在較寬處理?xiàng)l件 范圍內(nèi)控制Ko的可靠性，即，工具上約4kg及以上的壓力、約100Hz 及以上的沖擊頻率、約0.2mm及以上的沖擊振幅、約lms及以上的 沖擊持續(xù)時(shí)段、不小于約15kHz的栽波超聲波頻率、沖擊期間當(dāng)處理 鋼及高強(qiáng)度合金時(shí)不小于約30nm的超聲波振動(dòng)振幅以及當(dāng)處理鋁合 金及具有高達(dá)350MPa屈服強(qiáng)度的金屬時(shí)不大于約30nm的超聲波振 動(dòng)振幅。(F )修復(fù)焊縫修復(fù)焊縫覆蓋焊接結(jié)構(gòu)制造及工作的較寬區(qū)域，例如，修復(fù)焊接 缺陷、故障及裂縫；增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)及構(gòu)件；對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及負(fù)載承受性 能提供額外改進(jìn)；并在制造及工作過程中修正結(jié)構(gòu)性設(shè)置。同時(shí)，對(duì) 焊縫的修復(fù)是造成殘余焊接應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力集中區(qū)域以及未調(diào)節(jié)金 屬疲勞的原因。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理解決了這些問題，并使得焊縫被修 復(fù)以具有改進(jìn)的特性，即殘余應(yīng)力水平不大于焊縫材料的屈服強(qiáng)度的 約0.5倍、殘余焊接應(yīng)變不大于對(duì)給定焊縫規(guī)定的尺寸公差的100%、且疲勞強(qiáng)度不小于給定焊縫的基礎(chǔ)金屬的疲勞強(qiáng)度。在圖10a至10d中示出了由于超聲波沖擊處理作用在修復(fù)焊縫及 裂縫及應(yīng)力再分布機(jī)理。
如圖10a所示，在垂直于張力的平面中或在接近平面的空間表面 中的裂縫引起大于因這些力導(dǎo)致的正常設(shè)計(jì)應(yīng)力數(shù)倍的應(yīng)力集中。修復(fù)焊縫某種程度上改進(jìn)了上述情況。但是，由于焊接沉積的縱 向收縮，其在修復(fù)焊縫的末端產(chǎn)生新的殘余張應(yīng)力集中(圖10b)。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊(圖10c)使不利的殘余張應(yīng)力重新分 布，其由危險(xiǎn)焊接沉積區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)力所取代(圖10d)。當(dāng)發(fā)生此 情況時(shí)，張應(yīng)力移動(dòng)進(jìn)入就焊縫負(fù)載承載性能而言安全的正常應(yīng)力區(qū) 域，并可利用標(biāo)準(zhǔn)處理計(jì)算得到。在焊接期間對(duì)正在冷卻金屬及冷金屬實(shí)施由焊縫的目的限定的對(duì) 修復(fù)焊縫的超聲波沖擊處理。因此，為了改進(jìn)焊接金屬質(zhì)量及其對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷應(yīng)變的抵抗力，在 焊接期間完成根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理。為了對(duì)局限在修復(fù)焊接 區(qū)域中的殘余焊接應(yīng)變及應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償，在正冷卻金屬上完成根據(jù)本 發(fā)明的超聲波沖擊處理。在冷(環(huán)境溫度)金屬上完成超聲波沖擊處 理以使焊縫金屬硬化，在危險(xiǎn)區(qū)域中產(chǎn)生有利的壓應(yīng)力，并替代釋放 危險(xiǎn)張應(yīng)力。為了如上所述提供焊縫，在對(duì)鋼手工處理期間作用在超聲波工具 上的壓力約為3kg或以上，其在機(jī)械處理的情況下可增大至20kg，沖 擊頻率不小于約80Hz，沖擊振幅不小于約0.2mm，沖擊時(shí)長(zhǎng)平均不 小于約lms、壓頭超聲波振動(dòng)的栽波頻率約為15kHz及更高，在沖擊 期間當(dāng)處理熱(環(huán)境溫度以上)金屬時(shí)超聲波振動(dòng)振幅不小于約 20nm，當(dāng)處理正在冷卻金屬或冷金屬時(shí)不小于約30jun。當(dāng)處理鋁合 金焊接沉積時(shí)，因材料強(qiáng)度將超聲波振動(dòng)頻率減小高達(dá)40%。(G)被保護(hù)而防止根裂縫的不完全焊透(penetration)的角焊縫通過選擇完全、部分或不完全焊透的焊縫的類型及尺寸而獲得被 保護(hù)而防止根裂縫并具有負(fù)載承載性能的焊縫。當(dāng)焊縫具有部分或不 完全焊透時(shí)很難獲得上述結(jié)果。引起要裂縫形成的原因主要與焊接金屬與腹板端部及兩者間縫隙 中的側(cè)平面之間的側(cè)角有關(guān)，可以角焊縫為例。在負(fù)(銳)側(cè)角的情 況下，裂縫的形成直接源于焊縫的該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中。在焊接期間進(jìn)行的對(duì)焊縫的超聲波處理通過改變?nèi)刍饘倥c焊接
根部中固體金屬之間的邊界處的熱交換狀態(tài)解決了上述問題。這種現(xiàn) 象可以解釋如下。焊接期間的超聲波沖擊引起脈沖及超聲波應(yīng)力波以 在焊接金屬及熔化金屬中傳播。因此，在焊接根部中的熔化固體金屬 邊界處形成較強(qiáng)的聲流，其有助于熱交換由此有助于在該區(qū)域中對(duì)形 成腹板與凸緣之間的縫隙的金屬表面更多的焊透。因此，基于程序發(fā) 明，可以提供對(duì)焊接根部中的腹板及凸緣金屬的焊透結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的 指令，由此使得焊縫實(shí)質(zhì)上全新的外觀具有焊接金屬與凸緣表面及腹 板端部的正(鈍)側(cè)角，由此確保給定焊縫可抵抗應(yīng)力集中并防止在 焊接根部形成疲勞裂縫。在圖lla及圖lib中示出通過焊接金屬與腹板及兩者間縫隙中的 凸緣金屬之間的正(鈍)側(cè)角對(duì)被保護(hù)以防止根部裂縫形成的焊縫的 形成。圖11a示出未經(jīng)超聲波沖擊處理的焊縫50。圖llb示出在焊接 期間的初始工作位置52以及連續(xù)工作位置53處利用超聲波沖擊工具 經(jīng)過超聲波沖擊處理的焊縫51。如圖lla及圖lib所示，對(duì)工具角及超聲波沖擊處理區(qū)域的選擇 允許在熔化池中形成相對(duì)于池邊界特定取向的聲流。然后，這有助于二:焊透強(qiáng)度的4能性。 土' 、。因此，當(dāng)凸緣側(cè)面經(jīng)過超聲波沖擊處理時(shí)(圖lib中的工作位置 53)，就為相較于腹板對(duì)凸緣金屬更好的融合創(chuàng)造了先決條件。通過 相對(duì)于凸緣平面增大工具角超過45° (圖11b中位置52)，可以獲得 封閉效果。在處理期間對(duì)處理?xiàng)l件、工具角以及位置的選擇取決于焊 縫的焊接過程、材料及尺寸。為了提供這類由碳鋼制成的焊縫，上述 優(yōu)選超聲波沖擊處理?xiàng)l件包括在手工處理期間約3kg及以上的工具 壓力、在機(jī)械處理期間大于零并高達(dá)約25kg的工具壓力；大于零并 高達(dá)約800Hz的沖擊頻率；約0.2mm及以上的沖擊振幅；約18kHz 及以上的超聲波振動(dòng)載波頻率；沖擊期間在約400GC以上溫度范圍內(nèi) 大于零并高達(dá)20jim的超聲波振動(dòng)振幅、在約400flC以下溫度范圍內(nèi) 不小于3(Hun的超聲波振動(dòng)振幅；以及平均不小于約lms的超聲波沖 擊持續(xù)時(shí)段。通過有利地在凸緣與腹板之間再分布焊接金屬，根據(jù)本發(fā)明的超 聲波沖擊處理將殘余焊接應(yīng)力減小最小為焊縫應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)模式的40%。
在實(shí)現(xiàn)上述熱交換效果的同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊引發(fā)對(duì) 熔化金屬的表面張力減小的效果，由于該情況，增大了熔化金屬的流 動(dòng)性。即，由于超聲波沖擊處理，超聲波及脈沖應(yīng)力波通過焊接金屬 被傳遞至被焊接金屬，并增大了屈服以及在焊料上及兩者之間縫隙中 的凸緣端部上熔化金屬的流動(dòng)性。由聲流造成的熔化池的溫度額外地熔合了邊緣，由此形成類似于圖12a及圖12b中所示的毛細(xì)管中的凹 入彎月狀。公認(rèn)熔化金屬流動(dòng)性在較寬的范圍內(nèi)增大了高達(dá)300kHz 的超聲波振動(dòng)載波頻率以及高達(dá)2500Hz的超聲波沖擊重量率。取決 于焊接材料及可消耗材料的特性、焊縫的類型及尺寸、焊接過程以及 條件，根據(jù)本發(fā)明的處理來限定超聲波沖擊處理參數(shù)。在圖12a及圖 12b所示的焊縫的示意性視圖中，圖12a示出了未經(jīng)過超聲波沖擊處 理并且其中形成裂縫的焊縫60。圖12b示出了經(jīng)過超聲波沖擊處理的 焊縫61。焊根中的彎月形由62表示。在圖中示出超聲波沖擊工具處 于焊接的初始工作位置63，并在焊接處理期間處于連續(xù)工作位置64。 在焊接金屬、凸緣或腹板上制造根部期間在本發(fā)明的參數(shù)范圍內(nèi)通過熔化金屬填充緊固件或腹板與凸緣i腹板之i;"縫隙(在超聲波沖下)，其中在縫隙中在焊料與基礎(chǔ)金屬之間存在或不存在擴(kuò)散或粘附， 由此基于從基礎(chǔ)金屬與焊接金屬之間的平滑過渡的固化產(chǎn)生彎月形62 并熔合了尖銳邊緣，由此增大了給定焊縫對(duì)應(yīng)力集中影響及焊接根部 中形成疲勞裂縫的抵抗力。
因此，另一機(jī)理使得能夠通過根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理形成 焊接金屬與腹板端部及凸緣表面之間的正(鈍)側(cè)角。這解釋了新焊 縫是如何形成以防止應(yīng)力集中及疲勞導(dǎo)致的根裂縫的形成。 (H)點(diǎn)焊縫與基于疲勞抵抗標(biāo)準(zhǔn)提高焊縫的質(zhì)量及可靠性相關(guān)的具體任務(wù)涉 及點(diǎn)焊接。主要問題是傳統(tǒng)應(yīng)力集中處理技術(shù)不能到達(dá)焊縫中的危險(xiǎn) 區(qū)域。這使得在焊接材料的整個(gè)厚度上改變焊縫的應(yīng)變模式成為必 要。因此，必需考慮危險(xiǎn)熱量影響區(qū)域以包括局部應(yīng)力集中并表示具 有平均直徑的圓或環(huán)，其等于沿焊縫邊界的圓的直徑。通過根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理制成的點(diǎn)焊縫的特征在于在焊 接區(qū)域中整個(gè)金屬厚度上的高水平超聲波塑性及脈沖應(yīng)變，疲勞極限 比未處理焊縫大最小約1.3倍，并具有不小于基礎(chǔ)金屬的強(qiáng)度的最終 強(qiáng)度。在圖13a-13e中示出了點(diǎn)焊縫的示意性視圖。圖13a于70處示出 未處理點(diǎn)焊縫及相關(guān)的應(yīng)力。圖13b示出了結(jié)合有止動(dòng)板73的對(duì)點(diǎn) 焊接進(jìn)行處理的超聲波沖擊工具71。在圖13c中，相關(guān)于點(diǎn)焊接使用 兩個(gè)超聲波工具71及72。圖13d是從止動(dòng)板或工具74及工具75到 點(diǎn)焊接的沖擊接觸點(diǎn)的放大視圖。圖13e于76處示出了處理后焊縫 及相關(guān)的應(yīng)力?？梢栽诤附悠陂g(當(dāng)焊接電極同時(shí)作為振動(dòng)速率集中器及壓頭 時(shí))及焊接之后進(jìn)行對(duì)點(diǎn)焊縫的超聲波沖擊處理。取決于焊縫尺寸及 其焊接后條件，壓頭可具有圓形、扁平及圓周工作表面。事實(shí)上，可以利用被動(dòng)或主動(dòng)諧振聲學(xué)退耦、被動(dòng)非諧振聲學(xué)退 耦、以及起"砧，，作用的剛性止塊來進(jìn)行超聲波沖擊處理。這意味著 可以順序地從各個(gè)側(cè)面及同時(shí)從兩側(cè)在焊縫區(qū)域中形成塑性變形。如圖13a所示，最大張應(yīng)力作用下的點(diǎn)焊縫的危險(xiǎn)區(qū)域定位在"點(diǎn) 焊接"邊界并位于工作應(yīng)力臨界集中區(qū)域內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理使焊縫完全經(jīng)過有利的壓應(yīng)力區(qū) 域，并將張應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移至不存在應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)條件的區(qū)域。因此，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理將點(diǎn)焊接的 疲勞極限增大至少約1.3倍，并將疲勞抵抗力、屈服點(diǎn)、最終強(qiáng)度及 沖擊強(qiáng)度提高至不低于基礎(chǔ)材料的水平。為了獲得由碳鋼及鋁合金制成的點(diǎn)焊縫，超聲波沖擊處理?xiàng)l件包 括以下條件并基于焊縫類型及材料在描述量的范圍內(nèi)改變不小于約 80Hz的超聲波沖擊頻率，在不小于約0.2mm的振幅下平均不小于約 lms的沖擊持續(xù)時(shí)段，在沖擊期間大于零并高達(dá)約100kHz的壓頭超 聲波振動(dòng)載波頻率，在沖擊期間在約5至40pm范圍內(nèi)的超聲波振動(dòng) 振幅，以及約3至30kg的工具壓力。在經(jīng)過超聲波沖擊處理的焊接 期間或在超聲波沖擊處理期間使系統(tǒng)"結(jié)構(gòu)內(nèi)工具焊縫"的諧振頻率 穩(wěn)定是對(duì)這種類型焊縫的方法處理終止標(biāo)準(zhǔn)。 (I)搭焊及定位焊搭焊縫或定位焊縫極易在焊接端部產(chǎn)生裂縫，且裂縫會(huì)迅速在較 短的焊接部分上擴(kuò)散。主要因?yàn)楹附尤毕?、不利的焊趾角、?yīng)力集中、
焊縫局部穩(wěn)定性及強(qiáng)度損失、以及疲勞而造成這些焊縫中的裂縫?？?通過產(chǎn)生如下的焊縫來解決這些問題，其經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖 擊處理以在焊料與基礎(chǔ)金屬之間形成平滑的過渡。同時(shí)，在定位焊端 部處以及沿焊趾線的這些過渡經(jīng)過超聲波塑性變形，同時(shí)定位焊的疲勞極限相較于未處理情況最小大約1.3倍，且疲勞抵抗力、最終強(qiáng)度 及沖擊強(qiáng)度不小于基礎(chǔ)金屬。在圖14a至圖14c中示出了經(jīng)過超聲波 沖擊處理的焊縫及其應(yīng)變模式的示意性視圖。圖14a示出了未處理搭 焊縫及相關(guān)應(yīng)力80。圖14b示出了處理期間的搭焊縫，其上示出產(chǎn)生 壓應(yīng)力區(qū)域的超聲波沖擊工具82。圖14c示出處理搭焊縫84及相關(guān) 應(yīng)力。具體而言，圖14a示出了因縱向及程度略小的橫向焊接收縮導(dǎo)致 的位于定位焊端部的最大張應(yīng)力。定位焊端部區(qū)域與工作應(yīng)力集中區(qū) 域重合的事實(shí)惡化了該情況。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理改變了應(yīng)變的焊縫模式的特性，重 新分布了張應(yīng)力，將其替換為壓應(yīng)力并由此施加至(應(yīng)力集中易于發(fā) 生的)焊縫區(qū)域的工作負(fù)載轉(zhuǎn)移了張應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊 處理提高了給定焊縫對(duì)由于給定焊縫的設(shè)計(jì)特征因應(yīng)力集中以及在改 變及反向負(fù)載循環(huán)的不利特性下金屬疲勞導(dǎo)致的裂縫形成的抵抗力。因此，如圖14a-14c所示，在對(duì)殘余應(yīng)力再分布的同時(shí)，通過在 其超聲波塑性變形期間改變焊縫的材料特性還實(shí)現(xiàn)了提高給定焊縫對(duì) 裂縫形成的抵抗力。根據(jù)本發(fā)明提供了希望焊縫的超聲波沖擊處理的參數(shù)包括以下 大于零并高達(dá)約2000Hz的超聲波沖擊頻率，平均不小于約lms的超 聲波沖擊時(shí)長(zhǎng)，不小于約0.2mm的沖擊振幅，約"kHz及以上的壓 頭超聲波振動(dòng)載波頻率，沖擊期間對(duì)于碳鋼不小于約25jim的壓頭超 聲波振動(dòng)振幅以及對(duì)于鋁合金不小于約30jim的壓頭超聲波振動(dòng)振 幅，以及抵抗處理表面約3kg及以上的工具壓力。 (J)角焊縫獲得制造精度及高疲勞抵抗力的角焊縫(其中槽沿焊縫周邊變 化，同時(shí)改變側(cè)角小于90。并且完全焊透)是非常困難的技術(shù)問題。 該問題因特定焊接應(yīng)力及應(yīng)變分布，以及依賴于沿焊接周邊在空間焊 縫中復(fù)雜取向形成的幾何結(jié)構(gòu)狀態(tài)的焊縫疲勞極限而惡化。
在焊接期間于冷金屬上根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的超聲波沖擊處理使得能 夠沿這種復(fù)雜焊縫的周邊形成規(guī)定的尺寸精度，并將疲勞極限最小增大1.3倍。在圖15a及圖15b中示出了通過超聲波沖擊處理所處理的 具有沿周邊改變的槽及小于90。的角的角焊縫的示意性視圖。焊縫表 示為90而焊料表示為91。在圖中示出超聲波沖擊工具93處于不同焊 接處理位置。廣泛地應(yīng)用具有腹板與凸緣之間小于90。的角以及完全或不完全 焊透的角焊縫，其帶來的首要問題是技術(shù)成本的降低，為其提供尺寸 精度及適當(dāng)?shù)钠跇O限及使用壽命。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理通 過對(duì)縱向及橫向焊接收縮的超聲波及脈沖補(bǔ)償、凸緣相對(duì)于腹板的對(duì) 稱角變形、材料特性以及應(yīng)力集中區(qū)域中的條件改變解決了該問題。 這樣便提供了一種焊縫，其中腹板與凸緣之間的角小于90°,并獲得 了規(guī)定的焊縫尺寸精度以及分別提高不小于1.3及10倍的疲勞極限以 及使用壽命。在圖16a及圖16b中示出了根據(jù)本發(fā)明的角焊縫的示意性視圖。 圖16a示出了用于在焊接前形成角的工件100。圖16b示出了包括由 超聲波沖擊工具102處理的角焊縫101的工件。以超聲波沖擊處理之 后，處理材料的特性發(fā)生改變。在超聲波沖擊處理之后從規(guī)定尺寸的 偏離處于縱向及交叉變形范圍內(nèi)。在處理之后角焊縫的疲勞極限最小 為未處理狀態(tài)下角焊縫的1.3倍。在處理之后角焊縫的使用壽命最小 為未處理狀態(tài)下角焊縫的IO倍。因此，如圖15a-15b及16a-16b所示，對(duì)具有改變及"恒定"槽傾斜角的角焊縫進(jìn)行制造及維護(hù)需要找到工程方案，其通過最小制造 成本一方面為這種焊縫提供必需的精度，另一方面提供規(guī)定的壽命。角焊縫的精度應(yīng)當(dāng)確保其工作可靠性、設(shè)計(jì)負(fù)載承受性能以及外 部負(fù)栽抵抗性。焊縫的耐用性應(yīng)當(dāng)確保焊縫對(duì)改變及反向負(fù)載的抵抗 力的壽命。通常通過熱處理并使用昂貴的導(dǎo)體工具設(shè)備來實(shí)現(xiàn)焊縫精度。通 過特殊方法，即選擇基礎(chǔ)金屬及焊接可消耗材料、更大的焊接尺寸及 用于殘余應(yīng)力減小的熱處理來實(shí)現(xiàn)焊縫的耐用性。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理減小了制造成本，消除了對(duì)熱處理 以及在焊接中使用大量焊接金屬的需求。這通過對(duì)殘余焊接應(yīng)力及應(yīng)
變的超聲波釋放及再分布，并通過將焊縫材料特性改變到受焊縫材料 的超聲波塑性變形影響的區(qū)域中的基礎(chǔ)金屬的水平來實(shí)現(xiàn)。取決于制造條件及焊接過程，根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理可在 焊接期間應(yīng)用于熱金屬，在冷卻期間應(yīng)用于金屬或在焊接后應(yīng)用于冷 金屬。通過對(duì)焊接金屬的層處理、在應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)形成去應(yīng)力集中 槽、以及在處理過程中對(duì)超聲波沖擊處理結(jié)果的過程中或在線控制來 獲得根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊應(yīng)用的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的用于角焊縫的超聲波沖擊處理?xiàng)l件包括高達(dá)約 1200Hz的超聲波沖擊頻率、不小于約lms的超聲波沖擊時(shí)長(zhǎng)、不小 于約0.2mm的沖擊振幅、約18kHz及以上的壓頭超聲波振動(dòng)載波頻 率、沖擊期間對(duì)碳鋼不小于約25jim的壓頭超聲波振動(dòng)振幅以及對(duì)鋁 合金不大于30nm的壓頭超聲波振動(dòng)振幅、手工或機(jī)械處理時(shí)抵抗處 理表面約3kg及以上的工具壓力。(K)熔析、粒度、脫氣及氣孔在對(duì)焊接金屬長(zhǎng)時(shí)冷卻的條件下由大體積熔化池形成的焊縫易于 熔析?？芍饕ㄟ^大晶粒的生長(zhǎng)以及熔化池在基礎(chǔ)金屬在中央的情況 下從其邊界結(jié)晶化的方向來解釋該現(xiàn)象。基于對(duì)熔化金屬的大量超聲波結(jié)晶及對(duì)大晶粒的超聲波及脈沖再 結(jié)晶，在對(duì)焊接金屬的焊接及冷卻過程中在本發(fā)明參數(shù)范圍內(nèi)的超聲 波沖擊處理解決了上述問題。由于作用在其上的超聲波沖擊的結(jié)果， 沿焊縫傳播的超聲波引起的超聲波震動(dòng)造成的聲流及提高的氣穴現(xiàn)象 而在熔化池中發(fā)生大量結(jié)晶?；诤缚p及焊縫旁金屬被冷卻，在超聲 波沖擊方向作用下焊接金屬及焊接附近區(qū)域被再結(jié)晶。這樣在全部方 向上在焊接截面上提供了規(guī)定的焊接金屬相均勻性?？梢愿鶕?jù)圖na 及圖17b所示的示意性視圖來形成具有結(jié)構(gòu)相均勻性的焊縫，其中代 表部分被放大。圖17a示出了在焊縫中央具有熔解物110的焊縫。圖 17b示出了超聲波沖擊工具112，其在本發(fā)明的參數(shù)范圍內(nèi)處理焊縫 以提供具有超聲波沖擊激活結(jié)晶111的焊縫。如箭頭所示在圖17b中 所示的焊縫上提供沖擊，而工具112示出為實(shí)線及虛線。對(duì)焊縫可靠性而言最重要的特性(例如，沖擊強(qiáng)度、屈服及最終 強(qiáng)度、零度以下及高溫及環(huán)境溫度下的纖維性及裂縫抵抗性)取決于
粒度。對(duì)應(yīng)于熔化金屬對(duì)結(jié)晶中心形成的最大靈敏性在距離焊弧一定 距離，在方向參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波沖擊處理，并隨后在晶粒生成過 程中固化金屬以再結(jié)晶解決了上述問題。由此產(chǎn)生了一種新型的焊 縫，由于焊接金屬精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)及熱效應(yīng)區(qū)域，其符合嚴(yán)格的機(jī)械強(qiáng)度要求，并具有規(guī)定的物理及機(jī)械特性。在圖18a及圖18b中示意 性地示出了如何獲得這種焊縫。圖18c圖形地示出由超聲波沖擊處理 產(chǎn)生的焊縫的機(jī)械強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度。圖18a示出了未經(jīng)過超聲波沖擊 處理的焊縫120 (放大部分用于說明)。圖18b示出了通過超聲波沖 擊工具122處理具有超聲波沖擊激勵(lì)結(jié)晶(放大部分用于說明)的焊 縫121，超聲波沖擊工具122依箭頭所示移動(dòng)經(jīng)過焊縫，且工具由實(shí) 線及虛線示出。圖18c列出了焊縫120及焊縫121的數(shù)據(jù)。焊縫的一個(gè)基本質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是在焊接金屬中是否存在氣孔。主要由 焊接過程中的熔化池脫氣效果決定該特性。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊 處理基于在焊接過程中開始對(duì)熔化池的超聲波脫氣而很好的解決了該 問題。利用上述參數(shù)在距離焊弧對(duì)應(yīng)于熔化池液相距離處在焊接金屬或 相關(guān)金屬上方進(jìn)行的超聲波沖擊處理實(shí)現(xiàn)了該效果，其等效于包含焊 接金屬中的氣體的最小溶度。在圖19a及圖19b中示出了焊縫及其脫 氣的示意性視圖。圖19a示出了未經(jīng)過超聲波沖擊處理且在焊縫的才艮 部區(qū)域中存在可視氣孔的焊縫130。在圖19b中，通過超聲波沖擊來 處理焊縫131以開始脫氣由此沒有可視氣孔。由箭頭所示在焊縫上利 用超聲波沖擊工具132進(jìn)行處理，且工具132以實(shí)線及虛線示出。因此，描述了在焊接期間對(duì)根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理的三種 可能應(yīng)用，其旨在制造具有新特性(例如大量熔化金屬的熔解抵抗性、 可靠的再結(jié)晶及形成精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)、以及焊接金屬對(duì)氣孔形成的抵 抗性)的焊縫。根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理對(duì)焊接金屬及焊縫的熔化金屬的性 能、結(jié)構(gòu)及特性的整體影響基于對(duì)超聲波沖擊區(qū)域距離熔化池的間距 及超聲波沖擊參數(shù)的相應(yīng)方法選擇。在各個(gè)具體情況下，根據(jù)本發(fā)明 進(jìn)行的相對(duì)于焊接區(qū)域?qū)Τ暡ㄌ幚韰^(qū)域位置的選擇標(biāo)準(zhǔn)分別是熔化 金屬及焊接金屬的有效結(jié)晶及再結(jié)晶溫度范圍，以及在熔化池中最小 氣溶度的溫度范圍。在此情況下，相關(guān)于處理材料的特性以及超聲波
沖擊處理區(qū)域的溫度，根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理的參數(shù)被設(shè)定在以下范圍內(nèi)約0.1至50kg的工具壓力，換能器約10至800kHz的 超聲波震動(dòng)栽波頻率，在載波頻率下在無負(fù)載條件下在沖擊期間約0.5 至120jim的超聲波震動(dòng)振幅，約0.05至5mm的工具自振蕩振幅，以 及不小于約lms的平均超聲波沖擊持續(xù)時(shí)段。
(L)氫擴(kuò)散在焊新年好前預(yù)先或在焊接期間同時(shí)對(duì)由鋼(具體而言鐵素體中排出擴(kuò)散氫。這在操作者工作位置造成高溫，污染了環(huán)境，并因結(jié) 構(gòu)的額外熱量增大了殘余焊接變形。
在距熔化池一定距離及/或在冷金屬邊緣之上在焊接過程中或在焊 接之后根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的超聲波沖擊處理(其中超聲波沖擊的強(qiáng)度及 范圍共同地對(duì)應(yīng)于擴(kuò)散氫的最大流動(dòng)性)產(chǎn)生對(duì)破碎具有高抵抗性的 焊縫。因此，最小化了預(yù)先及同時(shí)加熱要求。
在圖20a及圖20b中示出了焊縫的示意性視圖。圖20c是示出在 超聲波沖擊處理之后在焊接金屬中對(duì)殘余擴(kuò)散氫含量最小化。圖20a 示出了未經(jīng)過超聲波沖擊處理的焊縫140 (具有說明性放大截面)， 因此其具有可視氣孔。圖20b示出使用工具142伴隨超聲波沖擊處理 準(zhǔn)備的冷卻或冷邊緣造成的激勵(lì)結(jié)晶(無氣孔)的焊縫141 (具有說 明性放大截面)，工具142在處理期間依箭頭所示在焊縫上移動(dòng)，且 超聲波沖擊工具142以實(shí)線及虛線示出。在以下所述參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行 處理。圖20c示出了鋼所允許的氫含量極限。常規(guī)在焊接之前，對(duì)于 鋼而言，在焊接金屬中的殘余氫的允許水平不應(yīng)超過5cm3/100g。如 相應(yīng)參考標(biāo)號(hào)所示，圖20c示出了圖20a及圖20b所示的焊縫的氫含 量。
考慮到金屬易于浸透氫的情況，在以下任何制造條件下，根據(jù)本 發(fā)明對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波沖擊處理在焊接前在冷邊緣上或在焊接期間 在熔化池前方一定距離的邊緣上，或在焊接期間在焊接池后一定距離 的焊接金屬上，或在形成新結(jié)構(gòu)，進(jìn)行再處理，預(yù)防維護(hù)或修復(fù)時(shí)在 焊接后在特定溫度范圍內(nèi)焊接金屬上。
在上述所有條件下，先于根據(jù)本發(fā)明的處理，確定溫度范圍或臨 時(shí)條件以提供有效的擴(kuò)散氫去除并將金屬維持在該狀態(tài)。 由圖21中所示的浸透圖可看出根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理在 較寬的溫度范圍內(nèi)將擴(kuò)散氳的含量減小了至少2倍。根據(jù)本發(fā)明確保上述結(jié)果的超聲波沖擊處理參數(shù)包括高達(dá)約 2S00Hz的超聲波沖擊頻率，不小于約0.2mm的超聲波沖擊振幅，不 小于約lms的超聲波沖擊平均統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)，約15kHz及以上的超聲波 震動(dòng)載波頻率，取決于溫度及處理的金屬等級(jí)在沖擊期間不小于約 l5Hm的超聲波震動(dòng)振幅及在處理冷金屬時(shí)不小于約30jun的超聲波 震動(dòng)振幅，手工處理時(shí)抵抗處理表面不小于約5kg的工具上壓力及在 機(jī)械處理時(shí)不小約10kg的壓力。(M)惡劣環(huán)境-應(yīng)力腐蝕(處理前及期間)在波動(dòng)負(fù)載下焊縫對(duì)應(yīng)力腐蝕或失效的抵抗性限定了具有較長(zhǎng)工 作周期的負(fù)載結(jié)構(gòu)的可靠性及壽命。這種結(jié)構(gòu)的示例是主管路及海面 平臺(tái)。對(duì)抗應(yīng)力腐蝕的保持成本極高。根據(jù)本發(fā)明的處理提供的新特性解決了該問題。以下所述是在惡 劣環(huán)境下在受壓狀態(tài)或波動(dòng)負(fù)載狀態(tài)下超聲波沖擊處理主要參數(shù)對(duì)金 屬表面的影響在0.8mm的取樣長(zhǎng)度下不小于5fim的粗糙度以及在2.5mm的取 樣長(zhǎng)度下不小于15jim的波度，在超聲波及脈沖應(yīng)變區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)力，其不小于材料屈服強(qiáng)度， 不小于1.5mm的塑性變形深度及引起的殘余壓應(yīng)力，以及 取決于材料特性形成白層的不小于50fim的非晶微觀改變。 因?yàn)楦淖兞吮砻婕安牧咸匦?，故相較于未處理狀態(tài)在腐蝕環(huán)境中 在各種不同負(fù)載下增大了焊縫的應(yīng)力腐蝕抵抗性至少為最終腐蝕的2 倍、增大疲勞強(qiáng)度至少1.3倍，并延長(zhǎng)壽命至少7倍。重要的是這些 特性也適用于新的焊縫及工作中焊縫。圖21示出了由具有高碳含量的鋼制成并經(jīng)過超聲波沖擊處理的 焊縫的結(jié)果及特性。在圖21中示出了在通常在任何材料表面上發(fā)生 的不規(guī)律腐蝕之后產(chǎn)生穩(wěn)定過程，其中基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)由根據(jù)上述處理 的超聲波沖擊處理所處理的腐蝕率最小小于焊接金屬的4倍。由;f艮據(jù) 本發(fā)明的超聲波沖擊處理所處理的碳鋼在海水中抵抗應(yīng)力腐蝕的最小 等效時(shí)長(zhǎng)為10年。根據(jù)本發(fā)明確保上述結(jié)果的超聲波沖擊處理參數(shù)包括高達(dá)約 500Hz的超聲波沖擊頻率，不小于約0.5mm的超聲波沖擊振幅，不小 于約1ms的超聲波沖擊平均時(shí)長(zhǎng)，約15kHz及以上的超聲波震動(dòng)載 波頻率，在沖擊期間不小于約20nm的超聲波震動(dòng)振幅，以及抵抗處 理表面不小于約5kg的工具上壓力。 (N)焊縫中的孔進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)保持在某種程度上與在焊縫內(nèi)或附近區(qū)域中使用孔 作為裂縫捕集方式的需求有關(guān)。這種焊縫中的破壞不僅會(huì)從由這種孔 阻止的裂縫發(fā)展，還會(huì)從這些孔本身發(fā)展。原因是在表面中制造孔期 間產(chǎn)生的撕裂，其在操作時(shí)變?yōu)閼?yīng)力集中區(qū)域，然后造成疲勞。為了獲得具有裂縫捕集孔的可靠的焊縫，首先將根據(jù)本發(fā)明的超 聲波沖擊處理施加至裂縫兩側(cè)然后施加至孔。在入口及出口區(qū)域，但 距損壞側(cè)不小于孔深的1/5，在制造孔期間對(duì)金屬損壞的部分進(jìn)行孔 處理。在經(jīng)過超聲波及脈沖塑性變形的層中形成不小于金屬屈服強(qiáng)度 的殘余壓應(yīng)力。注意在此情況下選擇壓頭形狀以提供對(duì)孔損壞部分的 自由進(jìn)入。在圖22a及圖22b中示出了具有孔的焊縫及處理結(jié)果的示意性視 圖。圖22a示出了利用常規(guī)尖鉆(其導(dǎo)致公知的相關(guān)應(yīng)力)準(zhǔn)備的焊 縫151中兩個(gè)孔之間的裂縫。圖22b示出了利用常規(guī)尖鉆并后續(xù)通過 利用沖擊工具152的超聲波沖擊處理準(zhǔn)備的焊縫151中兩個(gè)孔之間的 裂縫。由于形成了壓應(yīng)力區(qū)域153，故改變了因尖鉆導(dǎo)致的相關(guān)應(yīng)力。 圖22b還示出了超聲波沖擊工具152的針壓頭154，以及處理孔155 及孔156的邊緣的方式，以在裂縫的端部在孔中造成材料的撕裂。示 出在鉆之后在孔區(qū)域中張應(yīng)力被壓應(yīng)力替代，且可能的張應(yīng)力被轉(zhuǎn)移 進(jìn)入工作應(yīng)力集中的區(qū)域，由此不易發(fā)生疲勞裂縫。根據(jù)本發(fā)明為較寬范圍的金屬確保上述結(jié)果的超聲波沖擊處理參 數(shù)包括高達(dá)約500Hz的超聲波沖擊頻率，不小于約0，5mm的超聲 波沖擊振幅，不小于約1ms的超聲波沖擊平均時(shí)長(zhǎng)，約"kHz及以 上的超聲波震動(dòng)載波頻率，在沖擊期間不小于約30nm的超聲波震動(dòng) 振幅，以及抵抗處理表面不小于約5kg的工具上壓力。 (O)支架在支架面板與主焊縫相交的位置具有圓形切口的支架的焊縫是廣 泛應(yīng)用在焊接結(jié)構(gòu)制造中的典型焊縫。當(dāng)支架被焊接至面板時(shí)，這種
結(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)部件是切口區(qū)域中的焊縫端部以及焊趾線。這種焊縫的 尺寸精度也存在很大的問題。在本發(fā)明的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)沿支架的焊縫及圓形切口中焊縫端部的 超聲波沖擊處理產(chǎn)生符合尺寸精度要求的焊縫，其將疲勞抵抗力最少增大未處理焊縫的1.3倍。在圖23a及23b中示出了在超聲波沖擊處理之前及之后的支架焊 縫的示意性視圖。支架面板160在支架焊接未經(jīng)過超聲波沖擊處理的 區(qū)域中具有裂縫161。支架面板與主焊縫相交，其中通過相對(duì)于在圓 形切口中的支架端部進(jìn)行縱向填角焊來進(jìn)行與面板的連接。圖23b示 出了由超聲波沖擊處理提供處理區(qū)域162的支架。對(duì)沿支架的焊縫及 圓形切口中的焊縫端部的超聲波沖擊處理確保了焊縫符合尺寸精度要 求，并相較于未處理支架結(jié)構(gòu)中的相同特性最少增大疲勞抵抗力1.3 倍。當(dāng)通過根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理來處理切口區(qū)域中的焊縫端 部時(shí)，使用專用工具頭以使壓頭進(jìn)入該區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明為較寬范圍的金屬確保上述結(jié)果的超聲波沖擊處理參 數(shù)包括高達(dá)約300Hz的超聲波沖擊頻率，不小于約0.5mm的超聲 波沖擊振幅，不小于約1ms的超聲波沖擊平均時(shí)長(zhǎng)，約15kHz及以 上的超聲波震動(dòng)栽波頻率，在沖擊期間不小于約30jim的超聲波震動(dòng) 振幅，以及抵抗處理表面不小于約3kg的工具上壓力。(P)易于形成馬氏體的焊縫當(dāng)要減小殘余焊接應(yīng)變時(shí)，在某些特殊情況下在焊接過程之后立 即對(duì)焊縫進(jìn)行強(qiáng)烈的受迫冷卻。這會(huì)造成公知的硬化效果(特別在碳 鋼中)，并伴隨有排除馬氏體并形成具有限制柔順性的焊縫。通過對(duì) 焊縫的額外受迫加熱并將焊縫長(zhǎng)時(shí)間浸漬在較窄的規(guī)定溫度范圍內(nèi)來 實(shí)現(xiàn)對(duì)馬氏體的分解。該過程會(huì)消耗很多能量，要實(shí)現(xiàn)加熱并浸漬在 較窄溫度范圍內(nèi)的條件很困難，且非結(jié)果不確定。在距加熱弧相應(yīng)于馬氏體分解溫度及其被索氏體及回火馬氏體取 代的距離處在本發(fā)明的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)這種類型的焊縫進(jìn)行超聲波沖擊 處理在最少大于該范圍的下限值1.5倍的溫度范圍內(nèi)改變了焊縫結(jié) 構(gòu)，同時(shí)該范圍本身最少大于焊接所需2倍以減小在未進(jìn)行超聲波沖 擊處理在上述條件下馬氏體形成的可能性。由此將馬氏體分解時(shí)間縮 短了至少10倍。由此形成在根本上增大的對(duì)馬氏體分解的處理溫度的焊縫，同時(shí)相對(duì)于解決該問題所需的標(biāo)準(zhǔn)條件減小了平均溫度范 圍。在圖24中示出了用于鋼12XH3的示例性樣本的過度冷卻體(馬 氏體)分解圖表。線1表示未經(jīng)過超聲波處理的在溫度Tl的馬氏體 轉(zhuǎn)變。經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理的線2表示的樣本具有在溫 度T2的馬氏體轉(zhuǎn)變。Tl > T2。在圖24中示出標(biāo)準(zhǔn)熱處理期間馬氏 體分解過程可在495°C到430°C的溫度范圍內(nèi)至少進(jìn)行3小時(shí)。在根 據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理期間，相同的過程可在260°C到390"C的 溫度范圍內(nèi)持續(xù)3-4分鐘。根據(jù)本發(fā)明為較寬范圍的金屬確保上述結(jié)果的超聲波沖擊處理參 數(shù)包括高達(dá)約800Hz的超聲波沖擊頻率，不小于約0.5mm的超聲 波沖擊振幅，不小于約1ms的超聲波沖擊平均時(shí)長(zhǎng)，約15kHz及以 上的超聲波震動(dòng)栽波頻率，在沖擊期間不小于約30nm的超聲波震動(dòng) 振幅，以及抵抗處理表面不小于約10kg的根據(jù)上壓力。這樣產(chǎn)生了具有在根本上增大的馬氏體分解處理溫度范圍的焊 縫，同時(shí)在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際流水線自動(dòng)制造或計(jì)算機(jī)輔助制造期間 該范圍平均溫度相對(duì)于解決該問題的標(biāo)準(zhǔn)條件減小。 (Q)具有保護(hù)及/或硬化涂層的焊縫對(duì)焊縫的維護(hù)在很多方面都與通過使用各種金屬或非金屬涂層來 對(duì)其進(jìn)行保護(hù)及硬化的需求有關(guān)。在這種情況下，使用任何類型的機(jī) 械操作(包括公知的焊縫、焊縫附近區(qū)域及焊趾的塑性變形方法)都 受到涂層整體性要求的限制。因?yàn)槌暡_擊處理可在涂層之上進(jìn)行，故利用根據(jù)本發(fā)明的超 聲波沖擊進(jìn)行處理可解決上述問題并能夠產(chǎn)生具有特定新特性的焊 縫。在此情況下，伴隨焊縫的特定特性獲得保護(hù)或硬化涂層的整體性 及特性的改進(jìn)。在圖25a、 25b及25c中示出了這種焊縫的示例。圖示出了 進(jìn)行涂層及超聲波沖擊處理之前的焊縫。圖25b示出了在施加了涂層 170之后但在對(duì)涂層焊縫進(jìn)行超聲波沖擊處理之前的同一焊縫。在圖 25c中，示出了超聲波沖擊處理之后的涂層焊縫。在焊縫中槽及局部 應(yīng)力集中變化由涂層170上的171示出。在圖25c的焊縫中，半徑最 小為0.5mm，寬度高達(dá)10mm，深度高達(dá)2mm，且當(dāng)厚度為4mm時(shí) 涂層厚度為0.15mm。在圖25a-25c中示出根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊可能il過焊接制造焊^、施加保護(hù)或硬化^層、并根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行 超聲波沖擊處理。為了維護(hù)涂層整體性，選擇根據(jù)本發(fā)明的超聲波沖擊處理的條件于涂層的破壞強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明為較寬范圍的金屬確保上述結(jié)果的超聲波沖擊處理參 數(shù)包括高達(dá)約1500Hz的超聲波沖擊頻率，不小于約lmm的超聲波 沖擊振幅，不小于約lms的超聲波沖擊平均時(shí)長(zhǎng)，不小于約20kHz 的超聲波震動(dòng)載波頻率，在沖擊期間不小于約30jim的超聲波震動(dòng)振;的接觸壓力及應(yīng)力梯度，以及抵:處理表面不小于、約3kg的工具上 壓力。(R)焊接結(jié)構(gòu)上述焊縫以及獲得焊縫的處理使得能夠產(chǎn)生符合高質(zhì)量及可靠性 要求的焊接結(jié)構(gòu)。在圖26中示意性示出的結(jié)構(gòu)視圖說明可根據(jù)本發(fā) 明獲得的各種焊縫180。構(gòu)件、細(xì)節(jié)、焊縫及材料的聚合結(jié)構(gòu)及任意 組合可包括面板、垂直或成一定角度焊接至面板的具有連續(xù)或變化 斜角的圓柱構(gòu)件、扁平結(jié)構(gòu)構(gòu)件、焊料、支架、角焊縫、及搭焊縫等。 根據(jù)本發(fā)明，通過對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波沖擊處理而在焊縫中提供改進(jìn)的 特性而改進(jìn)焊縫的質(zhì)量及可靠性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可在上述描述范圍內(nèi)進(jìn)行各種不同的 改變。在本領(lǐng)域技術(shù)人員能力范圍內(nèi)的上述改變是形成本發(fā)明的一部 分，并落入所附權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1. 一種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括通過對(duì)所述焊縫 進(jìn)行超聲波沖擊處理獲得的至少一種預(yù)定結(jié)構(gòu)特性，所述至少一種預(yù)定結(jié)構(gòu)特性包括以下至少一者至少約O.lnm的表面粗糙度及起伏度； 表面之間至少約0.5mm的半徑；高達(dá)約2mm的在應(yīng)力集中區(qū)域中沿焊邊線或任意表面之間的線 的槽深度以及高達(dá)約10mm的所述槽的寬度；提高應(yīng)力集中區(qū)域中的材料機(jī)械特性，對(duì)強(qiáng)度提高至少約1.5倍 并對(duì)沖擊強(qiáng)度提高至少約1.2倍；塑性變形、有利的壓應(yīng)力以及有利的微硬度的相對(duì)改變深達(dá)約 7mm.，由于在與表面垂直的截面中的材料塑性變形導(dǎo)致的彈性壓應(yīng)力的 分布深達(dá)10mm;對(duì)因?yàn)榫哂胁牧锨?qiáng)度的至少約0.05的振幅的超聲波波動(dòng)應(yīng)力 波引起的處理導(dǎo)致的殘余應(yīng)力的釋放深達(dá)約12mm;基于目標(biāo)應(yīng)用在表面上及表面之下至少材料屈服強(qiáng)度及最終強(qiáng)度的預(yù)定深度的第一及第二類的有利的殘余應(yīng)力；對(duì)殘余處理導(dǎo)致的應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到未應(yīng)用超聲波沖擊處理時(shí)發(fā) 生的至少約40%，同時(shí)提高應(yīng)力腐蝕抵抗性高達(dá)約IO倍；提高腐蝕疲勞強(qiáng)度高達(dá)約2.5倍并在可變負(fù)載下延長(zhǎng)腐蝕環(huán)境中 的壽命高達(dá)約20倍；在重復(fù)或波動(dòng)應(yīng)力下提高空氣中的疲勞極限至少約l.5倍并延長(zhǎng) 壽命至少約IO倍以提高焊縫強(qiáng)度至少1個(gè)等級(jí)；或者形成至少約50pm深的的白層及非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，其中 所述焊縫由在超聲波沖擊處理之后具有(T > 500 MPa的屈服強(qiáng)度的高 強(qiáng)度鋼或合金制成，所述焊縫還具有最小大于具有<r ^ 500 MPa的鋼 或合金約30%的疲勞極限。
3. 如權(quán)利要求1所述的由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，其中 所述有利的壓應(yīng)力具有約2mm的深度，其中位于表面的大小大于屈 服強(qiáng)度并大于所述焊縫的未處理基礎(chǔ)材料的疲勞極限高達(dá)約l.5倍。
4. 如權(quán)利要求1所述的由超聲波沖擊處理的不可拆烊縫，其中 所述焊縫具有少于所述焊縫的屈服強(qiáng)度約0.5倍的殘余應(yīng)力水平；約 為為所述焊縫預(yù)定的尺寸公差100%或更小的殘余焊接應(yīng)變；以及/或 等于或大于所述焊縫的未處理基礎(chǔ)材料的疲勞強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度。
5. 如權(quán)利要求1所述的由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，其中 點(diǎn)焊的所述疲勞極限增大未處理基礎(chǔ)材料的至少約1.3倍，并將疲勞 強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、最終強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度增大至等于或大于所述焊縫的 未處理基礎(chǔ)材料的疲勞強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、最終強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度。
6. 如權(quán)利要求1所迷的由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，其中 定位焊的所述疲勞極限至少大于所述焊縫的未處理基礎(chǔ)材料的疲勞極 限至少約1.3倍，并且疲勞強(qiáng)度、最終強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度等于或大于 所述未處理基礎(chǔ)材料的疲勞強(qiáng)度、最終強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度。
7. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括通過對(duì)所述焊縫 進(jìn)行超聲波沖擊處理獲得的結(jié)構(gòu)特性，其中所述處理的參數(shù)包括大于零到約800kHz的振蕩系統(tǒng)頻率， 超聲波沖擊工具上的大于零到約50kg的壓力， 在沖擊期間大于零到達(dá)約120jim的超聲波換能器振幅， 在大于零到約2500Hz范圍內(nèi)的超聲波頻率， 沖擊工具的大于零到約5mm的自振蕩振幅，以及 所述超聲波沖擊工具的至少約lms的沖擊平均時(shí)段。
8. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括具有(5 > 500MPa 的屈服強(qiáng)度的鋼或鋼合金，以及通過對(duì)所述焊縫進(jìn)行超聲波沖擊處理 獲得的結(jié)構(gòu)特性，其中所述處理的參數(shù)包括約27kHz的振蕩系統(tǒng)頻率， 超聲波沖擊工具上的大于零到約10kg的壓力， 在沖擊期間至少約30pm的超聲波換能器振幅， 在約80-250Hz范圍內(nèi)的超聲波頻率， 沖擊工具的大于零到約2mm的自振蕩振幅， 約3-6.35mm的壓頭直徑，以及 在約10-35mm范圍內(nèi)的壓頭長(zhǎng)度， 其中所述焊縫具有深達(dá)至少2mm的有利的壓應(yīng)力。
9. 一種由超聲波沖擊處理的存在改進(jìn)的應(yīng)力集中狀況的不可拆 焊縫，包括在焊接材料與基礎(chǔ)材料之間的過渡區(qū)域中的槽，所述槽在所述槽的邊界處具有至少約0.5mm的半徑、大于零到約10mm的寬 度以及大于零到約2mm的深度，以及通過對(duì)所述焊縫進(jìn)行超聲波沖 擊處理獲得的特性，其中所述處理的參數(shù)包括在沖擊期間于大于零到約80kHz的頻率下大于零到約50fim的超 聲波振幅，大于零到約500Hz的超聲波頻率，超聲波沖擊工具的至少約0.2mm的自振蕩振幅，沖擊脈沖大于零到約0.5的頻寬比，以及超聲波沖擊工具上至少約3kg的壓力。
10. —種由超聲波沖擊處理的具有改進(jìn)外部負(fù)載特性的不可拆焊 縫，包括碳結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼或者鋁及鈦合金的焊縫金屬，以及通過對(duì) 所述焊縫進(jìn)行超聲波沖擊處理獲得的特性，其中所述處理的參數(shù)包 括在沖擊期間于大于零到約80kHz的頻率下大于零到約50fim的超 聲波振幅，持續(xù)平均時(shí)段至少約lms的大于零到約500Hz的超聲波頻率， 超聲波沖擊工具至少約0.:2mm的自振蕩振幅，以及 所述超聲波沖擊工具上至少約3kg的壓力，由此所述焊縫的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)力及強(qiáng)度大于未經(jīng)過超聲 波沖擊處理的焊縫中的壓應(yīng)力及強(qiáng)度，以對(duì)導(dǎo)致工作中裂縫的外部工 作力進(jìn)行補(bǔ)償。
11. 如權(quán)利要求10所述的焊縫，其中所述超聲波沖擊處理包括 對(duì)所述焊縫的焊邊的超聲波沖擊以及在處理塑性變形期間提供負(fù)載側(cè) 上的負(fù)載承載部分以產(chǎn)生并分布所述壓應(yīng)力。
12. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括具有在塑性變形 區(qū)域中深達(dá)至少約2mm的壓應(yīng)力以及在彈性變形區(qū)域中足以補(bǔ)償張 應(yīng)力的殘余影響的相應(yīng)壓應(yīng)力的焊縫，以及通過對(duì)所述焊縫進(jìn)行超聲 波沖擊處理獲得的特性，其中所述處理的參數(shù)包括超聲波沖擊工具的大于零到約10kg的壓力， 大于零到約500Hz的超聲波沖擊頻率， 超聲波沖擊至少約lms的平均持續(xù)時(shí)段， 大于零到約100kHz的超聲波栽波頻率， 在沖擊期間壓頭至少約30fim的超聲波振蕩振幅，以及 至少約0.2mm的沖擊振幅。
13. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括在所述焊縫內(nèi)達(dá) 到1>1^>-1的值的變形補(bǔ)償，其中Ko是工具痕重疊系數(shù)，以及通過 對(duì)所述焊縫進(jìn)行超聲波沖擊處理獲得的特性，其中所述處理的參數(shù)包 括超聲波沖擊工具的至少約4kg的壓力， 至少約100Hz的超聲波沖擊頻率， 至少約0.2mm的沖擊振幅， 至少約lms的平均沖擊持續(xù)時(shí)段， 至少約15kHz的超聲波載波頻率，在沖擊期間當(dāng)所述焊縫由鋼或鋼合金制成時(shí)至少約30nm的超聲 波振動(dòng)振幅以及當(dāng)所述焊縫由具有高達(dá)約235MPa的屈服強(qiáng)度的鋁合 金或金屬制成時(shí)約30fim或更小的超聲波振動(dòng)振幅。
14. 如權(quán)利要求13所述的焊縫，其中所述特性包括通過隨后對(duì) 殘余焊接應(yīng)力的超聲波釋放、或?qū)附咏饘俚某暡ㄋ苄宰冃我约霸?分布，對(duì)殘余焊接應(yīng)變的改變以產(chǎn)生剛性安裝。
15. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括 不大于所述焊縫的屈服強(qiáng)度的0.5的殘余應(yīng)力， 不大于對(duì)所述焊縫特定的尺寸公差的100%的殘余焊接應(yīng)變，并且所述焊縫的疲勞強(qiáng)度不小于所述焊縫中的基礎(chǔ)金屬的疲勞強(qiáng)度，其中所述焊縫的超聲波沖擊處理的參數(shù)包括在手動(dòng)處理時(shí)通過鋼壓頭作用于超聲波沖擊工具上的壓力至少約為3kg，而在機(jī)械處理時(shí)大于零到約20kg, 至少約0.2mm的超聲波沖擊頻率， 至少約15kHz的壓頭超聲波振動(dòng)的載波頻率，以及 在處理期間當(dāng)金屬的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)在沖擊期間至少約20|im的超聲波振動(dòng)振幅以及在處理期間當(dāng)金屬的溫度等于或約等于環(huán)境溫度時(shí)約30nm的超聲波振動(dòng)振幅。
16. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括構(gòu)造為角焊縫的鋼焊縫，其具有用于焊縫的焊接金屬的鈍側(cè)角，所述角焊縫基于對(duì)所 述焊縫進(jìn)行超聲波沖擊處理可抵抗根部裂縫，其中所述處理的參數(shù)包括在手動(dòng)處理期間超聲波沖擊工具的至少約3kg的壓力或在機(jī)械處 理期間至少約25kg的壓力，大于零到約800Hz的超聲波頻率， 至少約0.2mm的超聲波沖擊振幅， 至少約18kHz的超聲波振動(dòng)載波頻率，在高達(dá)約400°C的溫度下在沖擊期間大于零到約20jim的超聲波振動(dòng)振幅，以及至少約lms的平均超聲波沖擊時(shí)段，由此在角焊縫中在凸緣與腹板之間再分布焊接金屬。
17. 如權(quán)利要求16所述的焊縫，其中所述超聲波處理為所述焊 縫提供彎月并融合尖銳邊緣，使得在所述處理之后的凝固時(shí)在所述焊 縫的焊料與基礎(chǔ)金屬之間提供平滑過渡部分，其增大抵抗應(yīng)力集中及 在焊料根部形成疲勞裂縫的焊縫特性至大于所述焊縫在處理之前的水 平。
18. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括通過對(duì)點(diǎn)焊焊縫 進(jìn)行超聲波沖擊處理而轉(zhuǎn)移張應(yīng)力的碳鋼或鋁合金點(diǎn)焊焊縫，其中所 述處理的參數(shù)包括至少約80Hz的超聲波沖擊頻率，在至少約0.2mm的振幅下至少約lms的平均沖擊持續(xù)時(shí)段， 沖擊期間大于零到約100kHz的壓頭超聲波振動(dòng)載波頻率， 沖擊期間在約5-40nm范圍內(nèi)的超聲波振動(dòng)振幅，以及 沖擊工具上約3-i30kg的壓力。
19. 一種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括通過對(duì)焊縫進(jìn)行 超聲波沖擊處理而具有抵抗焊接端部裂縫的定位焊或搭焊的碳鋼或鋁 合金焊縫，其中所述處理的參數(shù)包括大于零到約2000Hz的超聲波沖擊頻率， 超聲波沖擊至少約lms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約0.2mm的沖擊振幅， 至少約18kHz的壓頭超聲波振動(dòng)載波頻率， 在沖擊期間對(duì)碳鋼至少約25nm的壓頭超聲波振動(dòng)振幅以及對(duì)鋁 合金大于零到約30fim的壓頭超聲波振動(dòng)振幅，以及 超聲波沖擊工具抵抗處理表面的至少約3kg的壓力。
20. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括通過對(duì)角焊縫進(jìn) 行超聲波沖擊處理而具有增大至少l.3倍的疲勞極限的碳鋼或鋁合金角焊縫，其中所述處理的參數(shù)包括大于零到約1200Hz的超聲波沖擊頻率， 超聲波沖擊的至少約lms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約0.2mm的超聲波沖擊振幅，在沖擊期間對(duì)于碳鋼至少約2^m的壓頭超聲波振動(dòng)振幅以及對(duì) 鋁合金不大于約30nm的壓頭超聲波振動(dòng)振幅，超聲波沖擊工具抵抗所述焊縫的處理表面的至少約3kg的壓力。
21. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括通過對(duì)焊縫進(jìn)行 超聲波沖擊處理、基于結(jié)晶化及再結(jié)晶化在焊料的全部方向上具有焊 接金屬結(jié)構(gòu)相變均一性的焊縫，其中所述處理的參數(shù)包括超聲波沖擊工具的約0.1-50kg的壓力， 換能器的約10-800kHz的超聲波振動(dòng)載波頻率， 無負(fù)載狀態(tài)下以及在載波頻率下超聲波工具沖擊期間的約0.5-120nm的超聲波振動(dòng)振幅，超聲波沖擊工具的約0.05-5mm的自振蕩振幅，以及 超聲波沖擊的至少約lms的平均持續(xù)時(shí)段。
22. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括通過對(duì)焊縫進(jìn)行 超聲波沖擊處理而獲得的具有激勵(lì)結(jié)晶化及對(duì)脆性破裂具有抵抗性的 焊料的鐵素體鋼焊縫，其中所述處理的參數(shù)包括大于零至約2500Hz的超聲波沖擊頻率， 至少約0.2mm的超聲波沖擊振幅， 超聲波沖擊至少約lms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約15kHz的超聲波振動(dòng)載波頻率，在沖擊期間對(duì)于不處于環(huán)境溫度的金屬的至少約l5nm的超聲波 振動(dòng)振幅，以及對(duì)于處于或約等于環(huán)境溫度的金屬進(jìn)行處理的至少約 30[im的超聲波振動(dòng)振幅，以及對(duì)于手動(dòng)處理的超聲波沖擊工具抵抗處理表面的至少約5kg的壓 力或?qū)τ跈C(jī)械處理至少約10kg的壓力。
23. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，基于對(duì)焊縫進(jìn)行超聲 波沖擊處理，包括通過超聲波沖擊修改的焊縫以將對(duì)應(yīng)力腐蝕的抵抗 性增大至大于未通過超聲波沖擊處理的水平的焊縫，其中所述處理的 參數(shù)包括大于零至約500Hz的超聲波沖擊頻率， 至少約0.5mm的超聲波沖擊振幅， 超聲波沖擊至少約lms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約15kHz的超聲波振動(dòng)載波頻率， 在沖擊期間至少約20nm的超聲波振動(dòng)振幅，以及 超聲波沖擊工具抵抗處理表面的至少約5kg的壓力。
24. 如權(quán)利要求23所述的焊縫，其中所述焊縫具有在0.8mm的 取樣長(zhǎng)度中不小于約5nm的表面粗糙度，在2.5mm的取樣長(zhǎng)度中不 小于約15fun的波度，不小于焊縫的屈服強(qiáng)度的壓應(yīng)力，塑性變形以 及引起的殘余應(yīng)力的不小于約1.5mm的深度，至少大于未經(jīng)處理情 況2倍的腐蝕抵抗性，以及焊縫不小于未處理焊縫的約1.3倍的腐蝕 疲勞強(qiáng)度。
25. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括焊縫結(jié)構(gòu)，其在 所述結(jié)構(gòu)中具有至少一個(gè)裂縫妨礙孔，所述至少 一個(gè)裂縫妨礙孔在包 圍所述至少一個(gè)孔的結(jié)構(gòu)中具有壓應(yīng)力，其中對(duì)包括所述至少一個(gè)裂 縫妨礙孔的所述焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波沖擊處理的參數(shù)包括大于零至約500Hz的超聲波沖擊頻率， 至少約0.5mm的超聲波沖擊振幅， 超聲波沖擊至少約lms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約15kHz的超聲波振動(dòng)載波頻率， 在沖擊期間至少約30jun的超聲波振動(dòng)振幅，以及 超聲波沖擊工具抵抗處理表面的至少約5kg的壓力。
26. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括結(jié)構(gòu)組合，該結(jié) 構(gòu)組合包括具有支架及面板的焊縫，其中在所述支架與所述面板之間 存在圓角開槽，所述結(jié)構(gòu)組合具有當(dāng)未經(jīng)過超聲波沖擊處理時(shí)的結(jié)構(gòu) 組合至少1.3倍的疲勞強(qiáng)度，其中對(duì)所述結(jié)構(gòu)組合的所述超聲波沖擊 處理處于以下參數(shù)內(nèi)，包括 大于零至約300Hz的超聲波沖擊頻率， 至少約0.5mm的超聲波沖擊振幅， 超聲波沖擊至少約1ms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約15kHz的超聲波振動(dòng)載波頻率， 在沖擊期間至少約3(Him的超聲波振動(dòng)振幅，以及 超聲波沖擊工具抵抗處理表面的至少約3kg的壓力。
27. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括基于對(duì)焊縫的超 聲波沖擊處理獲得的具有減小的馬氏體解體的焊縫，所述處理的下參 數(shù)包括大于零至約800Hz的超聲波沖擊頻率， 至少約0.5mm的超聲波沖擊振幅， 超聲波沖擊至少約1ms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約15kHz的超聲波振動(dòng)栽波頻率， 至少約30nm的超聲波沖擊，以及 超聲波沖擊工具抵抗處理表面的至少約10kg的壓力。
28. —種由超聲波沖擊處理的不可拆焊縫，包括其上具有涂層的 焊縫，所述涂層基于超聲波沖擊處理可抵抗裂縫，其中所述處理具有 的參數(shù)包括大于零至約1500Hz的超聲波沖擊頻率， 至少約1mm的超聲波沖擊振幅， 超聲波沖擊至少約1ms的平均持續(xù)時(shí)段， 至少約20kHz的超聲波振動(dòng)載波頻率， 在沖擊期間大于零至約30jim的超聲波振動(dòng)振幅， 在各個(gè)超聲波沖擊工具痕之間的邊界處的不大于涂層破壞強(qiáng)度的 接觸壓力及應(yīng)力梯度，以及在超聲波沖擊工具上抵抗表面的至少約3kg的壓力。
29. —種分析并選擇對(duì)焊縫進(jìn)行處理以具有一種或更多種預(yù)定特 性的超聲波沖擊處理的方法，包括(1) 限定形成焊縫的材料以及所述焊縫本身的處理前特性；(2) 限定(1)的特性對(duì)將為所述焊縫提供的處理后特性的一致性；(3) 限定就將為所述焊縫提供的所述處理后特性而言對(duì)所述焊 縫產(chǎn)生影響的物理因素；(4) 限定超聲波沖擊處理為所述烊縫提供所述處理后特性的正 面結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)及影響；(5) 限定就為所述焊縫提供所述處理后特性而言對(duì)所述焊縫進(jìn) 行超聲波沖擊處理的方式，包括與換能器、超聲波沖擊、壓頭壓力、 機(jī)械特性以及待處理的材料聲學(xué)特性參數(shù)一起限定超聲波沖擊處理?xiàng)l件；并且(6) 根據(jù)在(1)至(5)中建立的限定在所述焊縫上進(jìn)行超聲 波沖擊處理。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中(3)中所述的物理因素包 括由低頻沖擊引起的一個(gè)或更多塑性變形、在所述沖擊處理期間的超 聲波塑性變形、在所述焊縫材料中的超聲波應(yīng)力波的振幅及衰減、以 及超聲波沖擊期間于接觸點(diǎn)處的溫度及排熱率。
31. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中(2)中所述的處理后特性 包括一個(gè)或更多幾何學(xué)精度、其殘余應(yīng)變及名義尺寸公差、在焊縫的 體積內(nèi)及焊縫材料的結(jié)構(gòu)部分內(nèi)平衡的殘余應(yīng)力、可接受的應(yīng)力集中 水平以及與焊縫的負(fù)栽承栽能力相關(guān)的局部應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)、在低循環(huán) 及高循環(huán)反向波動(dòng)負(fù)栽下的疲勞極限以及疲勞強(qiáng)度、對(duì)腐蝕的疲勞極 限以及抵抗性以及在低循環(huán)及高循環(huán)反向波動(dòng)負(fù)栽下在惡劣環(huán)境中的 腐蝕疲勞失效以及所述焊縫的特性。
32. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中(4)中所述的標(biāo)準(zhǔn)包括一 個(gè)或更多引起的殘余應(yīng)力及應(yīng)變水平；對(duì)焊縫的表面及過渡區(qū)域的釋 放、粗糙度及幾何形狀的改變以及對(duì)處理區(qū)域中的材料的特性的改 變；對(duì)在沖擊處理之前在制造焊縫期間產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的釋放及再分 布；以及就對(duì)工作負(fù)載的抵抗性的類型及條件而言對(duì)焊縫的改變。
33. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中(5)中所述的參數(shù)包括以 下中的一個(gè)或多個(gè)在約0.1-50kg范圍內(nèi)的超聲波沖擊工具上的壓 力；在約10-800kHz之間的換能器的載波超聲波頻率；在所述載波頻 率下在約0.5-120nm之間的超聲波振動(dòng)的振幅；在約5-2500Hz之間 的工具的超聲波沖擊頻率及自振蕩頻率，其中隨機(jī)超聲波沖擊的持續(xù) 時(shí)段處于約2-50個(gè)載波超聲波頻率下的振動(dòng)周期的范圍內(nèi)；在約0.5-5mm之間的工具的自振蕩振幅；處于要求保護(hù)參數(shù)范圍內(nèi)的自由軸 向移動(dòng)壓頭與工具換能器之間的連接水平；著眼于材料及焊縫的目 的、特性及尺寸要求而選擇的所述參數(shù)范圍內(nèi)的自由超聲波沖擊。
34. —種對(duì)不可拆焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的方法，包括(a ) 使不可拆焊接結(jié)構(gòu)中的焊料的至少一部分承受通過超聲波 沖擊工具產(chǎn)生的重復(fù)超聲波沖擊以在所述焊料中引起受控塑性變形并結(jié)構(gòu)中的一種或更多材料特性； ^ ' '(b )通過控制所述重復(fù)超聲波沖擊的一個(gè)或更多選擇參數(shù)來獲 得(a)的材料特性，所述選擇的參數(shù)從由以下參數(shù)構(gòu)成的組的一個(gè)或更多參數(shù)中選擇(1) 在約0.1-50kg的范圍內(nèi)的所述超聲波沖擊工具上的壓力；(2) 在約10-800kHz之間的所述超聲波沖擊工具的超聲波頻率；(3) 在約0.5-12(Him之間的所述超聲波沖擊的振動(dòng)的振幅；(4) 在約5-2500Hz之間的所述超聲波沖擊工具的超聲波頻率 以及所述超聲波沖擊工具的自振蕩頻率，其中超聲波沖擊的持續(xù)時(shí)段 在約2-50個(gè)載波超聲波頻率下的振動(dòng)周期的范圍內(nèi)；(5) 在約0.05-5mm之間的所述超聲波沖擊工具的自振蕩振幅；(6) 在參數(shù)(1) - (5)內(nèi)作用的所述超聲波沖擊工具的自由 軸向移動(dòng)壓頭與所述超聲波沖擊工具的換能器之間的連接水平；以及(7) 基于所述焊接結(jié)構(gòu)的目的、特性及尺寸而落入?yún)?shù)(1) -(5)的范圍內(nèi)的自由超聲波沖擊。
35. —種對(duì)不可拆焊縫的超聲波沖擊處理進(jìn)行超聲波沖擊調(diào)節(jié)的 方法，包括綜合控制所述處理的自由超聲波沖擊的參數(shù)，其中所述 參數(shù)是所述自由超聲波沖擊的壓力、振幅、頻率以及持續(xù)時(shí)段以及對(duì) 因沖擊導(dǎo)致的換能器振動(dòng)的控制。
36. —種對(duì)焊縫進(jìn)行結(jié)構(gòu)再設(shè)置的方法，包括使所述焊縫的至 少一部分承受隨機(jī)超聲波沖擊，同時(shí)以使能量以重復(fù)率進(jìn)行沖擊并在 沖擊之間暫停的方式來控制所述超聲波沖擊的振幅、時(shí)長(zhǎng)及重復(fù)率， 所述暫停足以對(duì)材料狀態(tài)進(jìn)行釋放，并可用于下一次沖擊，其中最小 抵抗力不超過當(dāng)材料處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)材料中的內(nèi)部損耗。
37. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述焊接結(jié)構(gòu)從以下結(jié)構(gòu) 構(gòu)成的組中選擇對(duì)焊、填角焊、搭焊、窄縫焊、點(diǎn)焊以及焊縫結(jié)構(gòu) 中的孔。
38. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述焊接結(jié)構(gòu)從以下結(jié)構(gòu) 構(gòu)成的組中選擇對(duì)焊、填角焊、搭焊、窄縫焊、點(diǎn)焊以及焊縫結(jié)構(gòu) 中的孔。
39. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述焊接結(jié)構(gòu)從以下結(jié)構(gòu) 構(gòu)成的組中選擇對(duì)焊、填角焊、搭焊、窄縫焊、點(diǎn)焊以及焊縫結(jié)構(gòu) 中的孔。
40. 如權(quán)利要求34所述的方法，其中受影響的所述材料特性是 從以下特性構(gòu)成的組中選擇的一種或更多種特性表面粗糙度及起伏 度、表面之間存在的半徑、焊邊線或應(yīng)力集中區(qū)域的表面之間的線處 的槽的深度、所述槽的寬度、沖擊強(qiáng)度、塑性變形、壓應(yīng)力、超聲波 波動(dòng)應(yīng)力、殘余應(yīng)力、應(yīng)力腐蝕、形成白層/非晶結(jié)構(gòu)、以及腐蝕疲勞。
全文摘要
描述了一種不可拆焊縫，具有特定新的或改進(jìn)的特性，以及通過超聲波沖擊處理提供這種不可拆焊縫，其中涉及選擇處理參數(shù)以控制預(yù)定特性的形成，由此基于焊縫的目標(biāo)任務(wù)為焊縫提供改進(jìn)的質(zhì)量及可靠性。處理參數(shù)包括超聲波沖擊重復(fù)率及時(shí)長(zhǎng)、抵抗表面作用在超聲波沖擊工具上的壓力、以及沖擊振幅。在圖3中圖形地示出這些參數(shù)中的一些。
文檔編號(hào)B23K13/00GK101124063SQ200580047104
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者E·S·斯塔特尼科夫 申請(qǐng)人:U.I.T.有限責(zé)任公司