激光噴丸、超聲沖擊及豪克能焊接應力消除設備的比較辨析

更新時間：2021/12/17  點擊數：1215

        激光噴丸與豪克能超聲沖擊技術都是一種新型的材料表面強化技術.激光噴丸技術具有高壓、高能、超快和超高應變率等特點.縣有常規加工方法無可比擬的優點.在制造科學、新材料、高能武器等高技術領域有巨大的應用前景而超聲波沖擊技術則是通過換能器將電能轉化為一種高頻機械振動.直接或者間接地施加在金屬表面使其產生劇烈塑性變形.由于這種沖擊屬于高頻重復沖擊.故應變率很大.屬于劇烈塑性變形.可細化金屬表面晶粒組織.主要用于提高焊接接頭的抗疲勞性和延壽處理。

激光噴丸技術

1.1技術簡介
        激光噴丸技術是一項新技術.它是用短脈沖ns級的強激光輻照在表面覆蓋著能量吸收層和約束層的材料上產生沖擊波,當激光沖擊波誘導的應力波的峰值超過材料的動態屈服極限時.材料的表層將會發生塑性變形.不可回復的塑性變形導致靶材內殘余應力的產生。

        眾所周知.在實際的工程應用中.很多金屬零件會發生彎曲變形當金屬彎曲時.金屬外表面處于受拉狀態.在拉應力的影響下.表面會產生顯微裂紋:隨著金屬零件彎曲程度的增加.顯微裂紋開始擴展.直到裂紋擴展到零件的整個截面,最終使金屬折斷。如車輛中的變速箱齒輪承受扭轉時.齒輪根部發生應變彎曲:金屬成形和焊接過程中產生的拉應力能使表面微觀缺陷發展為裂紋.從而加速零件的失效如果航空設備和核發電站的零件受到載荷和振動后.發生應力腐蝕.將會造成巨大的則產損失和人身傷亡、開始人們采用機械噴丸產生殘余壓應力對金屬零件進行噴丸強化.以提高其使用壽命、但受彈丸沖擊力的影響.機械噴丸產生的殘余壓應力的深度是有限的(大約0.25mni).機械噴丸后表面產生的凹痕可達到0.03 in.這使得金屬表面相當粗涿:隨著激光技術的發展.高能激光和材料相互作用產生的高幅沖擊波技術己得到了廣泛研究激光噴丸技術就是利用強脈沖激光誘導產生的高能沖擊波在金屬材料表面改性和成形方面的一個應用。

1.2工作原理

        隨著激光技術的廣泛應用.人們很快認識到由激光誘導的等離子體可產生強烈的沖擊即當短脈沖(幾到幾十納秒)的高能量密度(約200J/cm2)的激光輻照金屬表面時.金屬表面的吸收層(黑漆)吸收激光能量發生爆炸性汽化.汽化后的蒸氣急劇吸收激光能量并形成高溫(>10OOOK).高壓(>l GPa)的等離于體.等離子體受到約束層(水或光學玻璃)的限制.形成高強度壓力沖擊波.作用于金屬表面并向內部傳播:由于這種沖擊波壓力高達數個兆帕.其峰值應力遠遠大于材料的動態屈服強度.從而使材料產生密集、均勻和穩定的位錯結構.同時沖擊波貯藏的彈性變形能大于材料所需的屈服、塑性變形能,使表面材料發生屈服和冷塑性變形,同時在成形區域產生有益的殘余壓應力.其能消除工件因機械加工、熱處理、焊接、激光切制、電鍍或硬化涂層形成的有害拉應力.從而提高金屬零件的強度,耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命由于其強化原理類似噴丸.因此這種新型的表面強化技術稱為激光噴丸(Laser Peening)在發達的國家.激光噴丸技術已開始用于零件表面改性和板料的塑性成形的商業生產。激光噴丸是利用高功率密度(10°W/m量級）、短脈沖(10”s量級)的強激光穿過透明約束層(水簾)作用于覆蓋在金屬零件表面能量吸收層上(黑漆),吸收層吸收能量而汽化.汽化后的蒸汽急劇吸收激光能量并形成等離于體而爆炸被限制在約束層和金屬表面之間的爆炸物壓力急劇升高、形成向金屬板料內部傳播的強應力波,當應力波的峰值超過板料的動態屈服極限.零件表面就會發生塑性變形,正是不可回復的塑性變形導致板材內部殘余應力的產生。

1.3影響因素
        噴丸的過程與材料的力學性能有關;要獲得滿足激光噴丸成形所要求的沖擊波峰值應力對于材料的動態的屈服強度時．對所需的最小的激光功率密度是有要求的.峰值越高.形成的殘余應力層就越深。因此,激光噴丸的效果不僅與涂層和約束層有關,還與與激光脈沖的能量、光斑尺寸、脈寬、光束模式、板料的力學性能等因素有關:板料激光噴丸后．表層的殘余壓應力的存在破壞了板料內原有力系的平衡、使板材的芯部產生拉應力以達到新的平衡.這種在厚度方向上不均勻的殘余應力又必然產生使板料變形的彎矩.當沿某一特定的路徑噴丸時．力矩就會使板料發生變形。

超聲沖擊技術

2.1技術簡介
超聲沖擊(UITUP)技術由世界聞名的烏克蘭Paton焊接研究所在1972年最早提出.并由 Paton焊接研究所和俄羅斯“量子”研究院共同開發成功.最早用于前蘇聯海軍船只的降低焊接殘余應力.引入有益的壓應力。1974年Polozky等人公開發表了將超聲沖擊技術應用于消除焊縫殘余應力的文章。
超聲沖擊技術是一種高效的消除部件表面或焊縫區有害殘余拉應力、引進有益壓應力的方法超聲沖擊設備利用大功率的能量推動沖擊頭以每秒約2萬次的頓率沖擊金屬物體表面.高頓、高效和聚焦下的大能量使金屬表層產生較大的壓縮塑性變形:同時超聲沖擊改變了原有的應力場.產生有益的壓應力;高能量沖擊下金屬表面溫度極速升高又迅速冷卻.使作用區表層金屬組織發生變化.沖擊部位得以強化。

2.2技術原理
        超聲波發生器產生頻率大于18kHz的振蕩電信號,通過換能器轉換為同頓率的縱波機械振動能量。再通過變幅桿將換能器微小振幅(一般為4um）變換到20 ~8o u m,然后借助各種形式的工具頭將振動能量傳達到金屬材料上:該項技術的特點是單位時間內輸出能量高.實施裝置的比能量輸出能量與裝置質量之比)大。振動頻率為18 ~ 27kHz.振動線速度可達2~3m/s,加速度相當于重力加速度的三萬多倍,沖擊頭與被處理金屬作用時間極短高速瞬間的沖擊能量是材料表面溫度急劇升高又急劇冷卻。這種高頓能量從表面導入材料內部、必然引起材料組織不均勾的塑性變形和彈性應變。

2.3影響因素
        超聲沖擊最大的問題是能量輸出不穩定,超聲沖擊可以消除部件表面或焊縫區有害殘余拉應力、引進有益壓應力.使得沖擊部位得以強化.但是由于超聲沖擊的性能穩定性差,往往會導致產品批量加工中出現不合格的產品.或者一個產品的一部分處理的好.另一部分則處理的不好,導致部分廢品的產生。
        在焊接過程中的質量是否穩定跟機器的配置有很大的關系.超聲沖擊在作業過程中質量不穩定最主要因素是輸出功率不穩定,以導致無法形成穩定的摩擦熱能.而要解決功率問題,最主要決定于1:機臺輸出功率.2:HORN 擴大比/3:氣壓源4:電壓源..等。

豪克能的出現也可以解決超聲沖擊的問題。
        豪克能以其頻率高、能量大,聚焦性好、性能穩定的優勢解決了焊接后存在的問題.焊后利用豪克能推動沖擊工具以每秒二萬次以上的頻率沿焊縫方向沖擊焊縫的焊趾部位.使之產生較大的壓縮塑性變形.使焊趾出產生圓滑的幾何過渡、從而大大降低了焊趾出余高、凹坑和咬邊造成的應力集中;消除了焊實處表層的微小裂紋和熔渣缺陷.抑制了裂紋的提前萌生;調整了焊接殘余應力場.消除其焊接應力.并產生一數值的壓應力.同時使焊趾部位的材料得以強化.大幅度提高焊接接頭的疲勞強度和疲勞壽命。

        由此可見.激光噴丸技術和超聲波沖擊技術,均是對金屬材料表面進行強化的新型技術:激光噴丸是一種全新的晶粒細化技術.它利用強激光束產生的等離子沖擊波,提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐燭能力.而超聲波沖擊技術主要用于提高金屬材料焊接接頭和結構的疲勞性能。