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激光喷丸、超声冲击及豪克能焊接应力消除设备的比较辨析

更新时间:2021/12/17  点击数:396


        激光喷丸与豪克能超声冲击技术都是一种新型的材料表面强化技术.激光喷丸技术具有高压、高能、超快和超高应变率等特点.县有常规加工方法无可比拟的优点.在制造科学、新材料、高能武器等高技术领域有巨大的应用前景而超声波冲击技术则是通过换能器将电能转化为一种高频机械振动.直接或者间接地施加在金属表面使其产生剧烈塑性变形.由于这种冲击属于高频重复冲击.故应变率很大.属于剧烈塑性变形.可细化金属表面晶粒组织.主要用于提高焊接接头的抗疲劳性和延寿处理。

激光喷丸技术

1.1技术简介
        激光喷丸技术是一项新技术.它是用短脉冲ns级的强激光辐照在表面覆盖着能量吸收层和约束层的材料上产生冲击波,当激光冲击波诱导的应力波的峰值超过材料的动态屈服极限时.材料的表层将会发生塑性变形.不可回复的塑性变形导致靶材内残余应力的产生。

        众所周知.在实际的工程应用中.很多金属零件会发生弯曲变形当金属弯曲时.金属外表面处于受拉状态.在拉应力的影响下.表面会产生显微裂纹:随着金属零件弯曲程度的增加.显微裂纹开始扩展.直到裂纹扩展到零件的整个截面,最终使金属折断。如车辆中的变速箱齿轮承受扭转时.齿轮根部发生应变弯曲:金属成形和焊接过程中产生的拉应力能使表面微观缺陷发展为裂纹.从而加速零件的失效如果航空设备和核发电站的零件受到载荷和振动后.发生应力腐蚀.将会造成巨大的则产损失和人身伤亡、开始人们采用机械喷丸产生残余压应力对金属零件进行喷丸强化.以提高其使用寿命、但受弹丸冲击力的影响.机械喷丸产生的残余压应力的深度是有限的(大约0.25mni).机械喷丸后表面产生的凹痕可达到0.03 in.这使得金属表面相当粗涿:随着激光技术的发展.高能激光和材料相互作用产生的高幅冲击波技术己得到了广泛研究激光喷丸技术就是利用强脉冲激光诱导产生的高能冲击波在金属材料表面改性和成形方面的一个应用。

1.2工作原理

        随着激光技术的广泛应用.人们很快认识到由激光诱导的等离子体可产生强烈的冲击即当短脉冲(几到几十纳秒)的高能量密度(约200J/cm2)的激光辐照金属表面时.金属表面的吸收层(黑漆)吸收激光能量发生爆炸性汽化.汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成高温(>10OOOK).高压(>l GPa)的等离于体.等离子体受到约束层(水或光学玻璃)的限制.形成高强度压力冲击波.作用于金属表面并向内部传播:由于这种冲击波压力高达数个兆帕.其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度.从而使材料产生密集、均匀和稳定的位错结构.同时冲击波贮藏的弹性变形能大于材料所需的屈服、塑性变形能,使表面材料发生屈服和冷塑性变形,同时在成形区域产生有益的残余压应力.其能消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切制、电镀或硬化涂层形成的有害拉应力.从而提高金属零件的强度,耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命由于其强化原理类似喷丸.因此这种新型的表面强化技术称为激光喷丸(Laser Peening)在发达的国家.激光喷丸技术已开始用于零件表面改性和板料的塑性成形的商业生产。激光喷丸是利用高功率密度(10°W/m量级)、短脉冲(10”s量级)的强激光穿过透明约束层(水帘)作用于覆盖在金属零件表面能量吸收层上(黑漆),吸收层吸收能量而汽化.汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量并形成等离于体而爆炸被限制在约束层和金属表面之间的爆炸物压力急剧升高、形成向金属板料内部传播的强应力波,当应力波的峰值超过板料的动态屈服极限.零件表面就会发生塑性变形,正是不可回复的塑性变形导致板材内部残余应力的产生。


1.3影响因素
        喷丸的过程与材料的力学性能有关;要获得满足激光喷丸成形所要求的冲击波峰值应力对于材料的动态的屈服强度时.对所需的最小的激光功率密度是有要求的.峰值越高.形成的残余应力层就越深。因此,激光喷丸的效果不仅与涂层和约束层有关,还与与激光脉冲的能量、光斑尺寸、脉宽、光束模式、板料的力学性能等因素有关:板料激光喷丸后.表层的残余压应力的存在破坏了板料内原有力系的平衡、使板材的芯部产生拉应力以达到新的平衡.这种在厚度方向上不均匀的残余应力又必然产生使板料变形的弯矩.当沿某一特定的路径喷丸时.力矩就会使板料发生变形。


超声冲击技术

2.1技术简介
超声冲击(UITUP)技术由世界闻名的乌克兰Paton焊接研究所在1972年最早提出.并由 Paton焊接研究所和俄罗斯“量子”研究院共同开发成功.最早用于前苏联海军船只的降低焊接残余应力.引入有益的压应力。1974年Polozky等人公开发表了将超声冲击技术应用于消除焊缝残余应力的文章。
超声冲击技术是一种高效的消除部件表面或焊缝区有害残余拉应力、引进有益压应力的方法超声冲击设备利用大功率的能量推动冲击头以每秒约2万次的顿率冲击金属物体表面.高顿、高效和聚焦下的大能量使金属表层产生较大的压缩塑性变形:同时超声冲击改变了原有的应力场.产生有益的压应力;高能量冲击下金属表面温度极速升高又迅速冷却.使作用区表层金属组织发生变化.冲击部位得以强化。

2.2技术原理
        超声波发生器产生频率大于18kHz的振荡电信号,通过换能器转换为同顿率的纵波机械振动能量。再通过变幅杆将换能器微小振幅(一般为4um)变换到20 ~8o u m,然后借助各种形式的工具头将振动能量传达到金属材料上:该项技术的特点是单位时间内输出能量高.实施装置的比能量输出能量与装置质量之比)大。振动频率为18 ~ 27kHz.振动线速度可达2~3m/s,加速度相当于重力加速度的三万多倍,冲击头与被处理金属作用时间极短高速瞬间的冲击能量是材料表面温度急剧升高又急剧冷却。这种高顿能量从表面导入材料内部、必然引起材料组织不均勾的塑性变形和弹性应变。

2.3影响因素
        超声冲击最大的问题是能量输出不稳定,超声冲击可以消除部件表面或焊缝区有害残余拉应力、引进有益压应力.使得冲击部位得以强化.但是由于超声冲击的性能稳定性差,往往会导致产品批量加工中出现不合格的产品.或者一个产品的一部分处理的好.另一部分则处理的不好,导致部分废品的产生。
        在焊接过程中的质量是否稳定跟机器的配置有很大的关系.超声冲击在作业过程中质量不稳定最主要因素是输出功率不稳定,以导致无法形成稳定的摩擦热能.而要解决功率问题,最主要决定于1:机台输出功率.2:HORN 扩大比/3:气压源4:电压源..等。

豪克能的出现也可以解决超声冲击的问题。
        豪克能以其频率高、能量大,聚焦性好、性能稳定的优势解决了焊接后存在的问题.焊后利用豪克能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.使焊趾出产生圆滑的几何过渡、从而大大降低了焊趾出余高、凹坑和咬边造成的应力集中;消除了焊实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.消除其焊接应力.并产生一数值的压应力.同时使焊趾部位的材料得以强化.大幅度提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。


        由此可见.激光喷丸技术和超声波冲击技术,均是对金属材料表面进行强化的新型技术:激光喷丸是一种全新的晶粒细化技术.它利用强激光束产生的等离子冲击波,提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐烛能力.而超声波冲击技术主要用于提高金属材料焊接接头和结构的疲劳性能。

 

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