超声冲击技术原理与应用

超声冲击处理（UIT）方法可以综合喷丸法、锤击法、点状加热法以及TIG熔修法等方法的优点，得到综合的结果，同时能减少焊接变形、释放残余应力、减少焊接结构的应力集中。

其原理是：通过超声波发生器将电网上50 Hz工频交流电转变成20 k Hz超声频交流电，用来激励声学系统的换能器。声学系统将电能转换成相同频率的机械振动，在自重及外界施加的一定压力作用下，将这部分超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使以母材过渡区（以下称焊趾）为中心的一定区域的焊接接头表面产生足够深度的塑性变形层，从而有效地改善焊缝与焊趾的外表形状，使其平滑过渡，降低了焊接接头的应力集中程度，使焊接接头附近一定厚度的金属得以强化，重新调整了焊接残余应力场，并由超声冲击形成较大数值的有利于疲劳强度提高的表面压应力，同时改变了微观组织，改善了接头区域的组织，使冲击处理后的接头疲劳强度得以显著提高。图5-16为超声冲击技术原理示意图。

从材料的应力应变特性角度分析，超声波消除残余应力的必要条件是动应力Rd（激振力）和残余应力Rr之和大于材料的屈服极限Rs，即

图5-16　超声冲击技术原理示意图(www.xing528.com)

当式（5-6）成立时，局部屈服将发生在工件内残余应力的高峰值处，微小塑性变形出现，使得工件内部残余应力高峰值降低并使内部残余应力重新均匀化分布，最终金属基体被强化，抗变形能力增强，工件尺寸精度的稳定性提升，达到了优化和调控的目的。

从位错理论的微观角度分析，残余应力的本质是晶格畸变，而晶格畸变在很大程度上是由位错引起的。超声波振动过程中金属材料内部的位错滑移产生微观塑性变形，使残余应力得以释放。超声波消除残余应力的微观必要条件可表示为

式中，τd为外加动应力；τr为残余应力；τs为流变应力。当式（5-6）成立时，金属晶体将产生位错运动。位错运动一方面会引起位错增殖及亚结构的变化；另一方面使晶体产生微观塑性变形。位错增殖及亚结构的变化将使金属发生强烈的加工硬化，即继续塑性变形的抗力增大，强度大大提高，从而提高工件的抗变形能力和尺寸稳定性。金属晶体的微观塑性变形将使高残余应力得以释放，消除或降低应力集中，达到均匀化应力的目的。