超声冲击处理

1、1.1 铝合金焊件UIT研究的意义疲劳断裂是金属结构失效的主要形式。尤其是一些受动载严重的重要结构。因此，在焊接结构制造过程中或完成后，采取有效的工艺措施，提高它们的疲劳强度意义重大。进入21世纪以来，随着车辆提速的要求，铝合金被广泛的用作车体材料。但是，焊接残余应力的存在会使工件处于不稳定状态，是工件开裂或变形的主要原因，也是影响构件强度和寿命的主要因素。目前，主要采用氩弧焊的方法对合金进行焊接，焊接工艺的固有特点，使得这些焊接接头和焊接热影响区多存在较大的残余拉应力和较多焊缝缺陷，在交变载荷的作用下极易萌生疲劳裂纹。由于焊接过程中热输入量较大，使焊接接头焊后存在大量残余应力，且焊缝处容易出

2、现气孔、缩松等缺陷，影响了结构的总体强度和使用寿命。有资料表明，铝合金焊接结构中90的断裂是由承受重复性载荷的焊接接头引起的疲劳破坏。因此，铝合金焊接接头的疲劳性能已经受到设计及使用单位的普遍关注。研究铝合金焊接接头的疲劳断裂特性，分析产生疲劳断裂危害的因素，估算焊接接头的疲劳寿命，探索提高铝合金焊接接头疲劳性能的方法具有重要的实用价值。大量研究和实践表明焊接接头的疲劳破坏一般起裂于焊接接头的焊趾部位。如果在焊后能够采取一定的有效工艺措施，降低余高造成的应力集中及消除焊趾表面的缺陷；调节焊接残余应力场，消除其消极影响，使之朝有利于疲劳强度提高的方向转变，显然能够大幅度地改善焊接接头及结构的疲劳

3、强度。如果能改善焊趾处疲劳裂纹的起裂性能，将有效地提高焊接结构的疲劳强度。相关方法很多，如TIG熔修法、机械打磨焊趾法、爆炸法、喷丸法、过载法、局部压延法、局部加热法、锤击法。但这些方法有的仍停留在实验室阶段。目前应用较多的是普通捶击法和TIG熔修法和喷丸法。但TIG熔修法施工工艺复杂，工艺不当反而会造成副作用。这种方法需要保护气体，因此露天采用气体保护难以保证，应用受到一定限制。喷丸法是实际应用较多的一种。但这种方法也存在着噪声大、设备庞大，一次投资量大、耗电量大，不利于节能、不能方便地移动作业、野外施工困难。由于丸粒反弹，存在安全防护问题，且丸粒需要回收清理。捶击法效率低、劳动强度大、可控

4、性差、效果不稳定噪声也大。试验证明E.S. Statnikov, V.O. Muktepavel, V.I. Trufyakov, P.P. Mikheev, A.Z. Kuzmenko, A. Blomqvist. Efficiency Evaluation of Ultrasonic Impact Treatment (UIT) of Welded Joints in Weldox 420 Steel in accordance with the IIW ProgramJ. APPLIED ULTRASONICS, IIW/IIS - DOCUMENT XIII - 1817 - 00，锤

5、击法、喷丸、TIG熔修法和联合TIG熔修超声冲击法对焊接试件的疲劳极限的提高是有限的，而且效果基本一致；超声冲击法能最大限度的提高试件的疲劳寿命，其效果很大程度取决于选定的工艺参数。用超声波冲击的方法来提高焊接接头及结构疲劳强度的研究，在国际上刚刚开始。该方法提高疲劳强度的机理与锤击和喷丸基本一致。但执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，适用于各种接头、成本低而且节能，是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的措施。大量研究结果表明，超声冲击处理后，焊接接头和结构疲劳性能得到显著改善。超声冲击是目前国际上公认最有效、最便捷的提高焊接接头疲劳强度，延长疲劳寿命，消除残

6、余应力，抑制焊接裂纹，减小变形的新技术，适合无法进行热时效，材质比较软的各类结构。经超声冲击处理后在焊趾处会产生圆滑过渡。可降低焊趾处的应力集中系数和疲劳缺口的敏感度。大大降低了应力集中程度降低了对材料的损坏作用，同时也减少了疲劳破坏。超声冲击处理能够有效地消除焊趾处浅层裂纹、夹渣等焊接缺陷。1.2 超声波时效原理残余应力是物体发生塑性变形后微观晶粒产生位错和畸变的结果，这时物体的内能除位错能外，还有位错组态能、弹性性能，总能较高，从热力学的角度看是不稳定的。选择合适的冲击频率对物体进行冲击。如果冲击提供的能量不足以使位错运动和打破原来的位错结构，残余应力自然不会发生变化。如果冲击能够驱使位错

7、运动，迫使晶粒回复到平衡位置，原来的位错结构被打破，重新形成新的低组态能的结构，则残余应力重新分布，得到释放。超声波时效基本原理是利用大功率超声波推动冲击工具以20000次/s以上的频率冲击金属表面。由于超声波的高频、高效和聚焦下的能量，使金属表面产生较大的塑性变形；同时超声波时效仪改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击表面得以强化。超声冲击能够显著提高金属焊接接头及结构的疲劳强度，大幅度延长其疲劳寿命；消除残余拉应力，并使被冲击部位产生压应力，从而提高工件的承载能力；有效改善焊趾的几何形状，大大降低焊趾处的应力集中系数，其效果大大优于TIG工艺；消除焊趾表层微小裂纹和焊接缺陷，

8、抑制裂纹提前萌生；强化金属零件表面，提高表面质量和使用寿命。该设备高效、节能、无污染、使用方便，不受工件形状、场地、环境的限制， 处理效果显著。通过采用外场作用改善焊缝性能的方法有许多研究和应用，超声冲击(Ultrasonic impact treatment，UIT)就是一种很有效的方法之一。通过焊后超声冲击可以大大提高焊接接头的疲劳强度，能提高接头疲劳寿命几倍甚至几十倍以上。残余应力的大小是影响焊接结构性能的重要指标，超声冲击后残余应力的变化是导致焊缝疲劳性能改善的主要原因之一。上海交通大学的饶德林、陈立功、倪纯珍和朱政强饶德林, 陈立功, 倪纯珍, 朱政强. 超声冲击对焊接结构残余应力的

9、影响J. 焊接学报, 2005, 26(4): 48-50以Q345钢结构箱型柱为对象，研究了超声冲击工艺对焊接残余应力的影响。对电渣焊和埋弧焊两种焊缝进行了超声冲击试验，其中埋弧焊焊缝采用了全覆盖冲击和焊趾冲击两种冲击工艺。残余应力测量结果表明：1）采用超声冲击消除应力技术，可以在焊缝表面形成压应力层。超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，对24mm深度层消除应力效果可达3455。2）采用焊趾冲击法，可以修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低未受冲击焊缝的残余应力，下降率达20。3）冲击工艺是一种以点冲击接触、压应力屈服为主要特征

10、的“面效应“型消应力工艺，由于冲击工艺处理的特点，其工作效超声冲击处理可以在焊缝表面形成压应力。通常情况下，焊趾是疲劳的裂纹源区域之一，故焊趾冲击可以改善焊趾应力集中，提高焊接接头的疲劳寿命。全覆盖冲击的消应力效果包括由于冲击生成的表面压应力对原始应力分布的调整以及超声振动时效的作用，其表现为生成压应力的薄层。压应力层应该处于焊缝的浅表面(小于3mm)，它对近表面的拉应力有较明显的消除效果。1.2.1 超声冲击国内外研究现状具有较高创意的是1998年日本京都工学院提出的一种采用超声振动激励消除焊接残余应力的新方法。该方法是在焊接的同时，施加超声振动激励，测试结果表明，焊接后残余应力显著减小。1

11、999年，天津大学的王东坡，霍立兴，张玉风王东坡, 霍立兴, 张玉凤等. 提高焊接接头疲劳强度的超声波冲击法J. 焊接学报, 1999, 20(3): 158-163首次成功地将压电陶瓷换能器引入超声冲击处理装置中，实际冲击处理试验表明，所研制的冲击处理执行机构（冲击枪）体积小，使用灵活。试验发现，超声冲击处理方法能够有效地消除焊趾处浅层微小裂纹、夹杂等焊接缺陷, 初步认定该作用能够对焊接接头疲劳强度有较大改善。1.2.1.1 超声冲击的工艺研究在近十年中，对VSR进行较为系统研究的莫过于英国斯特拉思克莱德大学的Munsi等，他们对焊接件残余应力进行了大量的研究工作，首先研究了试样在焊接冷却中

12、VSR的作用，提出冷却中VSR并不一定可以得到消除残余应力效果的结论Aoki, Sh., Nishimura, T. Reduction of residual stress for welded joints used vibration loadJ. Proceedings of the 1998 ASME/JSME Joint Pressure Vessels and Piping Conference。然后对焊接后VSR技术进行了分析，提出振动幅值比振动时间更决定VSR效果的结论，从而得到引入振动能量并不是产生VSR的原因。接着研究了VSR对焊接材料残余应力、微结构、硬度等的影响，得到

13、VSR使残余应力减小、改变了材料微观结构，从而提高材料的硬度的结论。将焊接后试样分别进行热时效和VSR处理，发现和热时效相反，VSR可以提高材料疲劳寿命的结论。通过对焊接杆件施加扭转振动，得出采用较小力矩就可以消除较大残余应力的结论。芬兰坦佩雷工业大学Lindgren等的最新研究得到了非常有意义的结果，他们对轴向焊接的低碳钢管的VSR问题进行了研究，同时残余应力分别采用巴克豪森噪声法及X射线衍射法进行测量，测试结果表明，虽然试样的残余应力在VSR后得到减小，但是该试样在加工后的变形量却旧。天津大学的王东坡，张玉风，霍立兴利王东坡, 张玉风, 霍立兴. 超声冲击处理焊接接头焊趾区材料的疲劳性能J

14、. 天津大学学报, 2001, 34(1): 13-17用自行研制的超声波冲击实验装置，对两种典型焊接结构用钢Q235B和16Mn焊接接头实施冲击处理，然后进行焊态与冲击处理态的弯曲与拉伸两种加载方式的疲劳对比试验，分别获得了各种情况冲击处理前后的-N曲线及疲劳强度（2106）。结果表明：1）对于Q235B对接接头，有的试件断于焊趾重合。可以近似地认为处理后焊接接头与母材疲劳强度是相当的。2）对于超声冲击处理后的焊接接头焊趾区部位表面残余应力很大，随着深度的增加急剧下降，而后在中心附近变成拉应力。两个应力场叠加的结果使焊趾部位沿厚度方向的应力分布的梯度变小，即整个厚度方向应力分布趋于一致，而内

15、部最大拉应力的数值与受拉伸情况相比小得多。残余压应力在外载作用下，更不易被释放，有利作用得以发挥，因而改善疲劳强度的效果更明显。3）无论在高应力幅区还是在低应力幅区，超声冲击处理对l6Mn钢对接接头疲劳强度与寿命的改善程度均高于Q235B。超声冲击处理提高焊接接头疲劳强度的实际效果与母材类别有关。由强度级别较高的母材组成焊接接头，超声冲击后接头疲劳强度能够获得更多的改善量。4）经过超声冲击处理后，焊接接头疲劳性能不再与母材无关，在一定的范围内(r0.25)，应力比r对超声冲击处理法改善焊接接头疲劳性能的效果影响不大。5）超声冲击处理法改善焊接接头疲劳性能的实际效果与所施加的载荷类型有一定的关系

16、。1.2.1.2 消除焊接残余应力的数值模拟（焊接+冲击）清华大学的岳红杰、赵海燕、蔡志鹏等人和中国航天科技集团公司的王国庆、李德成岳红杰, 赵海燕, 蔡志鹏. 薄壁铝合金结构焊接应力变形数值模拟J. 机械工程学报, 2005, 41(2): 223-227为了采用三维热弹塑性有限元方法对薄壁LF6铝合金结构的焊接过程进行数值模拟，提出了粘贴单元和混和单元两种网格划分技术相结合的单元划分方案进行有限元建模，通过薄板对接模型试验验证了此方案的可行性，并研究了不同建模方案对计算效率的影响。对实际薄壁简体结构纵缝的焊接过程进行了模拟仿真，得到了筒体在焊接过程中产生的残余应力及变形规律，为实际生产减小

17、应力、控制变形提供了一定的指导。在数值计算中，应用了大型非线性有限元分析软件MSCMARC。南京工业大学李进一、凌祥、周建新李进一, 凌祥, 周建新. 超声冲击残余应力场的有限元模拟J. 航空材料学报, 2012, 32(1): 84-88应用大型有限元软件ABAQUS建立模拟超声冲击残余应力场的三维有限元模型，预测AISl 304奥氏体不锈钢靶材经超声冲击后的残余应力场分布。模拟过程中，分析冲击速度、针头直径、冲击时间、摩擦力、冲击次数以及不同覆盖率等因素对超声冲击残余应力场分布影响的规律。结果表明，冲击速度、针头大小、冲击时间及摩擦力都会影响到最终冲击残余应力场。冲击速度和针头直径对残余应

18、力场分布影响显著，速度提高或直径变大，均可明显提高残余压应力值，且增加残余压应力层深度，但摩擦系数对冲击效果的影响不大。随着冲击次数的增加，超声冲击强化特征明显，残余压应力层深度增加。随着覆盖率的增加，残余压应力层增厚，但形成的最大残余压应力值减小。为理解超声冲击强化机理，优化工艺参数提供一定的依据。超声冲击强化过程涉及高度瞬态冲击动力学接触问题的求解，需采用显式动力有限元算法，以获得最终形成的残余应力场。在超声冲击过程中，AISI 304不锈钢试样表层发生高速塑性变形，材料的屈服应力和屈服极限在不同的应变速率下将发生改变，因而本文采用Johnson-Cook模型，该模型适用于大多数发生高应变

19、速率变形的材料。1.2.1.3 焊接接头微观组织的改善装甲兵工程学院的朱有利，李占明，韩志鑫朱有利, 李占明, 韩志鑫等. 超声冲击处理对2A12铝合金焊接接头表层组织性能的影响J. 稀有金属材料与工程, 2010, 39(z1): 130-133等人手工氩弧焊(TIG)、ER5356焊丝对2A12铝合金板进行了焊接，用超声冲击处理技术对焊接接头进行了全覆盖强化处理；借助金相显微镜、x射线衍射仪、透射电镜和显微硬度计对超声冲击强化处理前后接头表层的组织和性能进行了分析。结果表明，超声冲击处理可在接头表层形成尺寸均匀、取向随机分布的细晶组织，大幅消除了气孔、缩松等焊接缺陷，接头显微硬度显著提高。

20、超声冲击处理后，2A12铝合金焊接接头表面发生了剧烈的塑性变形，形成了一个组织致密的表面层，表层晶粒得以大幅度细化，并产生了随机的晶体学取向，取向随机性主要是由于高密度位错增值所造成的。超声冲击处理后，焊缝、焊趾以及与其相连的母材的硬度均有了明显的提高。高密度位错和晶粒细化是超声冲击处理提高焊接接头强度和硬度的主要因素，这对提高焊接接头的综合力学性能有着重要的作用。1.2.1.4 焊接接头疲劳特性的改善目前，国内外对超声冲击机理的研究主要集中在超声冲击处理后，疲劳性能改变上。很多学者都侧重于从具体疲劳试验人手，通过分析疲劳试验的数据来揭示材料的疲劳行为。主要从S-N曲线、裂纹起源、裂纹扩展等方

21、面研究疲劳特性。装甲兵工程学院的朱有利，李占明，辛毅李占明, 朱有利, 辛毅. 超声冲击处理对2A12铝合金焊接接头疲劳性能的影响J. 航空材料学报, 2011, 31(2): 28-32对超声冲击处理前后2A12高强度铝合金TIG焊对接接头的疲劳性能进行了测试。发现：1）未处理焊接接头试样疲劳裂纹大多起源于焊趾部位，最后几乎全部沿熔合线断裂。超声冲击处理后焊接接头疲劳裂纹大多数在焊缝部位萌生扩展，最后断裂在焊缝部位。超声冲击处理使薄弱的焊趾处得到了有效的强化，但由于接头余高的存在。超声冲击处理后焊缝芯部未得到充分强化，仍有较大比例的焊接缺陷存在，这是造成处理后试样在焊缝中部断裂的主要原因。2

22、）未进行冲击强化处理的2A12铝台金焊接接头疲劳试样，疲劳破坏大部分始于试样表面，并表现为多源特征。表面缺陷起着尖缺口的作用，容易形成应力集中，促使疲劳裂纹的形成。经超声冲击处理后，疲劳裂纹萌生于接头试样的次表面，裂纹源较少。试样外表面存在厚度约为80100m的强化层，该层是接头试样表面经超声冲击强化处理所形成的表面组织致密层，该强化层能延缓或阻止滑移在表面的形成，使疲劳裂纹源下移；冲击强化在试样表面形成压应力，也使得裂纹源下移，萌生在次表层的冶金缺陷处。3）超声冲击处理后，焊接接头试样疲劳裂纹扩展速率变小（SEM照片显示经超声冲击后疲劳条纹间距变小）这从微观上证明了超声冲击处理延缓了疲劳裂纹

23、扩展速率。中国兵器科学研究院的王冬生、陈东高、谭兵王冬生, 陈东高, 谭兵等. 超声冲击对7A05铝合金焊接接头性能的影响J. 兵器材料科学与工程, 2009, 32(5): 69-72等人对7A05铝合金采用双丝M1G焊接工艺得到的焊接接头进行超声冲击处理，并从焊趾处应变与应力、抗拉强度、疲劳寿命和疲劳断口扫描等方面对经过超声冲击处理和未经超声冲击处理的试样进行对比研究。研究结果显示：经过超声冲击处理的试样，焊趾处拉应力减小，抗拉强度增大，平均疲劳寿命变长。疲劳断口扫描显示冲击后，材料在断裂前发生明显的塑性变形。中国兵器科学研究院的张倩，陈东高，王克鸿张倩, 陈东高, 王克鸿等. 超声冲击对

24、7A52铝合金焊接接头力学性能的影响J. 兵器材料科学与工程, 2011, 34(2): 67-69等人对7A52铝合进行了同样的处理和分析。天津大学的王东坡，霍立兴，张玉凤王东坡, 霍立兴, 张玉凤等. 超声冲击法改善LF21铝合金焊接接头的疲劳性能J. 中国有色金属学报, 2001, 11(5): 754-759等人利用自行研制的超声冲击实验装置，对提高LF21铝合金焊接接头的疲劳强度进行了研究，进行了TIG焊LF21铝合金非承载十字与T型接头的焊态及冲击处理态对比疲劳试验。结果表明：1）使用TIG焊LF21铝合金原始焊接接头的疲劳强度与其它焊接方法得到的同样接头的疲劳强度基本相当，试图采

25、用更高强度级别的S-N曲线对其进行设计时应持慎重态度。2）在应力比R=0.5时，超声冲击处理使LF21铝合金非承载十字焊接接头（拉伸载荷）的疲劳强度提高了26%，接头寿命延长了24倍。在应力比R=0.1时，超声冲击处理使T型接头（三点弯曲载荷）的疲劳强度提高了37%，接头寿命延长了48倍。在应力比R=-1时，超声冲击处理使-型接头（三点弯曲载荷）疲劳强度提高了44%，接头寿命延长了510倍。天津大学王东坡、霍立兴、张玉凤王东坡, 霍立兴, 张玉凤等. 变幅载荷下超声冲击处理焊接接头的疲劳行为J. 机械工程学报, 2003, 39(9): 87-92等为研究变幅载荷作用下超声冲击处理焊接接头的疲

26、劳行为，采用非承载纵向角接接头，进行了Q235B及16Mn原始焊态与超声冲击处理态的对比疲劳试验。试验结果表明：1）在变幅载荷作用下，Q235B超声冲击处理试件与原始焊态试件相比，疲劳强度提高69左右，疲劳寿命延长5.719.0倍。2）在变幅载荷作用下，16Mn超声冲击处理试件与原始焊态试件相比，疲劳强度提高80左右，疲劳寿命延长2.517倍。3）在变幅载荷作用卜，超声冲击处理焊接接头与原始焊态试件的疲劳性能均有所下降：Q235B超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3，原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的70；16Mn超声冲击处理焊接接头的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的1/3

27、，原始焊态的疲劳寿命约为恒幅载荷作用时的75。4）超声冲击处理焊接接头在承受强烈的变幅载荷时依然具有很高的疲劳强度。为了获取超声冲击焊接接头疲劳S-N曲线，通过对原始焊接接头疲劳S-N曲线进行修正。天津大学王东坡、田瑞莹、霍立兴王东坡, 田瑞莹, 霍立兴等. 超声冲击处理焊接接头疲劳设计若干问题的探讨J. 机械工程学报, 2006, 42(11): 173-178等对大量超声冲击处理16MnSS800Q235B焊接接头的试验结果进行分析总结，探讨超声冲击焊接接头疲劳设计与原始焊接接头的差异，并得到下述结论：材料强度对超声冲击方法改善焊接接头疲劳性能的处理效果有一定影响，随着接头材料强度的提高改

28、善效果也越好，因此采用低强钢超声冲击处理焊接接头的疲劳试验结果得到疲劳设计S-N曲线是安全的。接头强度对超声冲击改善焊接接头疲劳强度的处理效果有一定影响，随着接头静强度的提高超声冲击处理改善接头疲劳性能的效果也越好。超声冲击处理焊接接头试件S-N曲线的斜率m远大于3(623)，不能将试验结果硬性规定按m=3.0进行统计处理，推荐取m=10。经过超声冲击处理后其疲劳强度不再与所外加的平均应力无关，而是随着应力比R的增加，接头所能够承受的疲劳应力幅度有所降低。因此建议采用最大应力对超声冲击处理焊接接头进行疲劳设计。当采用最大应力对超声冲击处理焊接接头进行疲劳设计时，外载荷中所含平均应力与超声冲击处

29、理焊接接头在FAT（200万次循环次数下的特定疲劳强度，将其定为疲劳级FAT）下的疲劳强度（应力范围）之间的关系为：F(R)=1.25-0.5R，-1R0.5。天津大学王东坡、田瑞莹、霍立兴采用HJ2一型超声冲击枪，对转向架用16MnR钢的焊接接头表面进行超声冲击处理。利用EHF_EM200K2-070-1A疲劳试验机，采用较低载荷频率(低于10 Hz)对16MnR钢焊接接头超声冲击前后的疲劳性能进行对比试验。试验结果表明：在疲劳寿命为2106时，焊接接头试样在超声冲击处理前后的疲劳强度分别为265和325 MPa，提高了226；超声冲击处理后焊接接头的疲劳寿命是处理前的5159倍。经过超声冲

30、击处理后，焊接接头焊趾处的应力集中程度和焊接残余应力降低，表明超声冲击处理对提高16MnR钢焊接接头疲劳性能具有显著的效果。天津大学王东坡、霍立兴、张玉凤王东坡, 霍立兴, 张玉凤. 超声冲击法对钛合金焊接接头疲劳性能的改善J. 中国有色金属学报, 2003, 13(6): 1456-1460利用自行研制的HJ-II型超声冲击装置，研究了超声冲击处理对BT20钛合金焊接接头的疲劳性能的影响，并对TIG焊与电子束焊接接头的焊态及冲击处理态进行了对比疲劳试验。结果表明：超声冲击处理使BT20钛合金TIG焊接接头（拉伸载荷）的疲劳强度提高了27%，寿命延长了310倍；而电子束焊接接头的疲劳强度提高了

31、38%，寿命延长了2940倍。Lappeenranta University的Veli-Matti Lihavainen和Gary MarquisVM Lihavainen, G Marquis, ES Statnikov. FATIGUE STRENGTH OF A LONGITUDINAL ATTACHMENT IMPROVED BY ULTRASONIC IMPACT TREATMENTJ, Welding in the World, 2004对5mm和8mm的S355 J0钢焊接接头进行焊态和超声冲击态处理。试验数据表明，1）相对国际焊接组织技术改善意见所推荐的斜率为3的SN曲线，超声

32、冲击可以将疲劳强度提高46%。通过斜率回归分析，超声冲击可以使试件的疲劳强度明显增加，超声冲击处理的焊接接头SN曲线斜率为3.8，而对应2*106次疲劳极限可以提高66%。2）试件厚度对疲劳强度的影响很小。厚度为8mm试件的疲劳强度比5mm的高出5-8%。3）低平均应力试验（R=0.1）获取的疲劳强度比采用Ohta方法（MAX =FY）的高平均应力试验高出19%。1.2.2 传统焊后消除残余应力的方法改善焊接形貌的方法：1) 磨削：毛刺磨，圆盘研磨，射流侵蚀。2) 再熔化：TIG熔化，等离子熔化。3) 特殊方法：焊接轮廓控制，特殊电极。残余应力方法：1) 机械方法：冲击（喷丸、锤击法、针喷丸、

33、超声冲击），过载（初始过载、局部加压）。2) 应力消除方法：热失效、振动时效、局部加热、切槽法、爆炸法。1.3 可能的研究点1) 铝合结构焊接应力变形数值模拟利用数值模拟技术较准确地预测焊接结构的温度场及残余应力场、变形已成为可能。但是目前焊接过程的数值模拟仍然存在很多难以解决的困难，主要表现为结构的自由度规模庞大；材料高温性能参数缺乏，非线性严重；焊接过程高度瞬态，温度梯度极大等。2) 超声场冲击处理焊缝过程数值模拟建立模拟超声冲击残余应力场的三维有限元模型，预测铝合金焊缝及其母材经超声冲击后的残余应力场分布。模拟过程中，分析冲击速度、针头直径、冲击时间、摩擦力、冲击次数以及不同覆盖率等因素

34、对超声冲击残余应力场分布影响的规律。3) 超声冲击处理对铝合金焊接接头表层组织性能的影响。（端口观察）不通工艺参数下试件的表面粗糙度、表面硬度、弹性模量。例，采用美国MTS公司生产的Nano Indenter XP 型纳米压痕仪该通过纳米压痕的载荷-位移曲线可以推算出纳米硬度H和弹性模量E这2个最常见的力学参量ALEXEI BOLSHAKOV. A FINITE ELEMENT STUDY OF THE EFFECTS OF RESIDUAL STRESS ON CONICAL INDENTATION J, Rice University, 1993。4) 研究铝合金焊接接头的疲劳断裂特性。（

35、疲劳试验）分析产生疲劳断裂危害的因素，估算焊接接头的疲劳寿命，探索提高铝合金焊接接头疲劳性能的方法具有重要的实用价值。5) 理论模型预测UIT可以提高焊缝接头的疲劳寿命的程度。（理论模型）Veli-Matti Lihavainen在其博士论文中得出如下结论Veli-Matti Lihavainen. A NOVEL APPROACH FOR ASSESSING THE FATIGUE STRENGTH OF ULTRASONIC IMPACT TREATED WELDED STRUCTURESD. Lappeenranta University of Technology, 2006：通常假定

36、，UIT方法延长了焊接接头全程疲劳寿命中的裂纹萌生期。局部应力应变法可以估计裂纹萌生期寿命。依据欧洲制定的修正统一材料法则，可以确定材料的参数。利用有限单元法和X射线衍射法分别获取集中应力和平均应力。通过以上方法得到的理论疲劳寿命与试验获取的疲劳寿命精确一致。通过局部应力应变法和统一的材料法则可以很好的预测焊接接头的疲劳寿命。The goal of this work has been to present some new experimental data illustrating the significant fatigue strength improvement obtained

37、using UIT and to investigate one method for explaining this degree of fatigue improvement. The novel method for predicting degree of fatigue improvement assumes that UIT is able to induce a significant period of crack initiation which can be assessed using statically measurable quantities, e.g. resi

38、dual stress state, hardness and UIT groove geometry.The fatigue strength improvement is based on the assumption that total life is the sum of crack initiation and crack propagation lives. Because the ultrasonic impact treatment effectively removes any initial crack-like flaw caused by the welding pr

39、ocess, the local strain approach is used for computing the crack initiation portion of fatigue life (Bannantine et al. 1990, Dowling 1999). Fatigue strength and fatigue ductility coefficients along with the associated exponents, which are needed for the local strain approach, can sometimes be found

40、from published literature (Boller and Seeger 1987), but for many materials these quantities are unavailable and must be estimated. In a case of ultrasonic impact treatment, the material is highly cold formed and thus the required coefficients and exponents are not available. In this study, coefficie

41、nts and exponents at the weld toe are estimated based on the concept of the uniform material law, UML, developed by Bumel and Seeger (1990).Predicted total fatigue lives, i.e., the sum of crack initiation lives and crack propagation lives, have been compared to experimental fatigue lives. Experiment

42、al data was obtained on fatigue tests performed at the Lappeenranta University of Technology. Test specimens with longitudinal non-load-carrying attachment were fabricated from S355J0 structural steel with plate thickness of 5 or 8 mm. Constant amplitude fatigue testing was executed with axial tensi

43、on. The purpose of fatigue testing was to define the as-welded and the UIT improved fatigue strength for the welded non-load carrying longitudinal attachments. Other objectives were to evaluate the effect of thickness between 5 and 8 mm specimens and the effect of mean stress. For some tests beach m

44、arking techniques were used to help experimentally establish the portion of total fatigue life involved in crack initiation.Stress magnifications factors, Mk factors, were computed using the weight function method. Fracture mechanic predictions were based on the range of stress intensity factor and Paris crack growth law.Estimating the fatigue strength coefficient, ductility coefficient, fatigue strength exponent and fatigue ductility exponen