具有新特性的焊缝以及通过超声波冲击处理来提供这种特性的制作方法

专利名称：具有新特性的焊缝以及通过超声波冲击处理来提供这种特性的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有新的强度以及处理所引起特性的焊缝，以及通过超声波冲击处理(UIT)为焊缝提供这种特性的处理。本发明的焊缝 具有为焊缝提供改进质量以及可靠性的特殊特性。在焊缝中，基于焊 缝要起的作用(例如质量、可靠性以及制造性)来决定待获得或提高 的特性。
背景技术：
美国专利6,171,415 Bl以及6,338,765 Bl描述了利用脉沖冲击能 量(具体指超声波冲击能量)来对焊接结构进行处理的超声波冲击方 法。这些专利揭示了基于随机的超声波冲击处理用于焊接结构的制造 及修复处理。超声波换能器的频率及振幅是决定冲击的基本因素。紧 缩反馈信号允许选择为了获得特别处理效果的充分必要参数。已经需要对焊缝结构的特性进行定制。着眼于焊接的具体目的以 及相应结构，就进一步提高焊接的质量以及可靠性而言进行定制是优 选的。发明内容因此，本发明涉及具有改进特性的不可拆焊缝以及当使用超声波 冲击处理来处理焊缝时为焊缝提供这种特性的方法。着眼于焊缝意在 实现的具体目的，焊缝可获得新的结构特性。这里的描述涉及焊缝。 但是，根据这里所述的本发明，还可以处理等同不可拆焊接结构，且 这里描述的工程技术方案可被应用于任何其他等同不可拆焊缝以及由 此形成的结构。本发明还涉及考虑到具有新的预定特性的焊缝以及结构对超声波 冲击应用的参数的选择。与美国专利6，171，415 Bl以及6,338,765 Bl描述的工程技术方案 类似，本发明也利用了随机超声波沖击来处理焊缝。但是，本发明发 现特定超声波沖击处理参数的结合可提高焊接结构(具体指焊缝)的 技术特性。这些参数包括(1)超声波冲击的重复率及时长(或持续期间)，(2)抵靠待处理表面作用在超声波冲击工具上的压力(或 者压迫力)，以及(3)冲击振幅。本发明的超声波冲击处理的新的 状况还包括延长标准参数范围用于激励超声波换能器，该超声波换能 器在超声波冲击工具的压头内产生载波超声波振荡频率。着眼于焊缝 意在实现的目的，这些参数的特定组合能够获得焊缝新的特性或者改 变的现存特性。为超声波冲击处理所选择的参数控制超声波冲击并产 生必需条件以限定焊接结构的新的质量以及可靠性标准，并获得适于 实现焊接结构的预定目的的焊接结构特性。可为各种类型的不可拆焊接结构使用本发明，但本发明主要提供 具有产生重大性能改进的特性的焊缝。本发明的焊缝结构的示例包括 高强度钢焊缝，具有应力集中的焊缝，承受不均衡负载的焊缝，具有 诸如裂缝等缺陷或损坏区域的焊缝，要求预定制造精度的焊缝，修复 焊缝，需要修复的焊缝，搭接焊缝，点焊焊缝，角焊焊缝，易于形成 熔融、粗晶粒以及孔隙的焊缝，使用预热制造的焊缝，具有预定应力 腐蚀抵抗力的焊缝，具有孔的焊缝，支架或加强构件中的焊缝，以及 易于形成马氏体的焊缝。


图1就振幅及时间而言示出了引起超声波沖击的超声波换能器的 振动。图2就振幅及时间而言示出了通过超声波冲击随机传递的力的脉沖。图3就振幅及时间而言示出了使用本发明的处理获得的加长的超 声波冲击。图4a及图4b分别示出了未根据本发明进行处理以及根据本发明 进行处理的高强度钢的疲劳极限。图5示出了在焊接结构的材料应力集中区域中的应力及应变分布。图6a及图6b示出了作为示例的可能存在的梁及负载状况，以及 通过伴随超声波冲击处理的应力集中区域的变化所表示的负栽状态的 改变(其对外部因素的危险后果进行补偿)。图7a， 7b以及7c示出了在根据本发明的处理之前及之后的承插 焊缝以及对焊缝的应力的作用。图8a， 8b以及8c示出了用于因超声波冲击导致的压应力的缺陷 阻止机理。图8a示出了处理之前的焊缝，图8b示出了处理期间的焊 缝，而图8c则示出了处理之后的焊缝。图9a， 9b以及9c示出了例如使用考虑了定向焊接收缩的对称角 焊缝对焊接应变进行补偿的技术。图9a及图9b示出了在超声波冲击 处理之前及之后的焊缝以及其公差。图9c示出了应变补偿方向匹配 的示意图。图10a， 10b以及10c示出了对具有因超声波冲击处理导致的裂 缝及应力再分配的焊缝进行修复的机理。图lla及图lib示出了通过焊接金属的正侧面角来形成避免形成 根部裂缝的焊缝。图12a及图12b示出了形成为避免根部裂缝形成的另一焊缝。图13a至图13e示出了在对其进行超声波冲击处理之前、期间以 及之后的点焊缝。图14a示出了未处理的搭接焊缝，图14b示出了处理期间的搭接 焊缝，而图14b示出了处理之后的搭接焊缝。图15a及图15b分别示出了根据本发明的处理之前及之后的角焊缝。图16a及图16b示出了在超声波冲击处理之前及之后的另一角焊缝。图17a及图17b分别示出了在超声波冲击处理之前及之后的焊缝 的结构相变均一性(放大部分)。图18a及图18b示出了未处理以及用于在焊缝中提供活化结晶(图 18b)的超声波冲击处理之后的焊缝(包括放大部分)。图18c图形 化地示出了未处理及处理后的焊缝。图19a及图19b分别示出了没有进行以及进行了超声波冲击处理 活化脱气的焊缝。图20a及图20b示出了具有及不具有氢成份的焊缝。图20c图形 化地将具有容许氢成份的焊缝与具有超声波沖击处理后最小化的氢成
分残余扩散的焊缝进行比对。图21图形化地示出了未处理及根据本发明的超声波冲击进行处理的具有高碳成份的钢焊缝的腐蚀率。图22a及图22b分别示出了在超声波沖击处理之前及期间在裂缝的顶端具有孔的焊缝。图23a及图23b分别示出了在超声波冲击处理之前及之后的焊接 支架焊缝。图24示出了钢中超冷奥氏体分解的图形。图25a， 25b及25c分别示出了在应用涂层及超声波冲击处理 (UIT)之前、在应用了保护涂层之后及UIT之前、以及在涂层上进 行了 UIT之后的焊缝。图26示出了可获得的焊缝结构的示例。
具体实施方式
超声波冲击处理利用超声波换能器的激励引起的振动。如图1所 示，振动在一定时段以特定振幅发生。当换能器被激励时振动可以是 受迫振动或在换能器暂停期间是自由振动。在自由振动期间振幅将减 少。如图2所示，图1所示的振动随机地将力脉冲传递至自由轴向移 动冲击元件或压头。如图1所示，超声波换能器的受迫振动被中止以 获取关于在负载下超声波换能器的自由振动的信息，并修正振荡器工 作模式。上述信息源是在暂停期间从激励元件的绕组或电极传送的反 馈信号。注意，上述原理适用于用于超声波换能器中的各种类型的活 性材料，特别是磁致伸缩活性材料或者压电陶瓷活性材料。为了分析 并修正发电机的工作以及换能器的工作，通常使用收缩反馈信号(如 1981年3月30日的俄国专利817931所述)。因此，为了根据特定焊 缝的目的来选择超声波冲击处理状态，使用收缩反馈信号，并在无负 载以及有负载的情况下为了换能器振动的频率及振幅调节技术系统。除了超声波换能器振动参数对超声波冲击处理非常重要之外，已 经确认超声波冲击的相关参数对获得或改变特性非常重要，因此，对 通过对焊缝的材料进行超声波冲击而获得的不可拆焊缝的特性非常重 要。通过选择特定参数以及对这些参数进行优化，可以获得具有预定 改进特性的焊缝。基于换能器压头处理目标振荡系统的相关特性来选 择超声波换能器振动参数以及超声波冲击参数，其中这些参数与在处 理中施加至焊缝的压力、焊缝材料的物理及机械特性以及焊缝本身的声学特性相关联。图3示出了本发明如何延长了超声波沖击，由此改 进了超声波能量传递至处理目标的效能以在焊缝及结构中获得新的预 定特性。因此，超声波沖击效能标准直接影响焊缝材料以及超声波沖 击的相关时长、频率以及振幅参数。上述声学及机械系统的参数提供了在焊缝结构中获得新的或改变 的特性的途径。确定选择参数的正确组合的过程涉及以下步骤(a) 限定焊接及形成焊缝的材料的实际物理特性，(b) 限定(a)的上述特性对需要用于满足特定焊缝质量及可靠性要求的特性的一致性，(c) 就为焊缝提供希望的特性而言，限定因超声波沖击处理在焊缝上造成的物理因素，(d) 限定超声波冲击处理在提供希望焊缝特性上的效能标准，(e) 限定超声波冲击处理条件以提供焊缝的希望特性，(f) 结合换能器、超声波冲击、压头、压力、机械特性以及处理 焊缝材料的声学特性的参数来限定超声波沖击处理条件，并且(g) 根据通过以上建立的限定来在焊缝上进行超声波沖击处理。 具体而言，为了通过超声波冲击处理提供具有预定新或改变特性的不可拆焊缝，首先通过现有测试技术来确定待处理焊缝的实际物理 特性。然后必需着眼于与处理之前焊缝的特性的差异来限定并评估焊缝后续处理中希望的特性。这可通过本发明实现，以下称为实现希望目标的算法或一系列处理步骤。该算法大致包括(1)限定焊缝材料的实际特性对特定需求的一致性；(2)限定超声波冲击处理在焊缝上的物理因素及机理；(3)限定确定希望焊缝质量及可靠性的标准；(4)限定超声波冲击处理在焊缝上的基本标准；(5)限定超声波冲击处理为提供具有希望特性的不可拆焊缝的参数；并且(6)限定为提供预定特性超声波冲击处理在焊缝上获得的结果。以下更详细地描述本发明的算法。具体而言，该算法涉及首先着眼于焊缝所起作用确定待处理不可拆焊缝的实际特性对焊缝中希望的特性的一致性，并且 使其与一组获得焊缝希望特性的超声波冲击处理参数相符合。
在焊缝上的超声波冲击处理的物理因素以及机理包括低频冲击所产生的塑性变形；冲击期间的超声波塑性变形；在冲击期间产生超声 波振动层(其存在由低频沖击产生的塑性变形)以及超声波塑性变形 时，在给定焊缝的材料中的超声应力波的振幅及衰减(阻尼减幅)； 以及冲击期间接触位置处的温度及排热率。确定需要焊缝质量及可靠性的标准包括几何结构准确性；残余应 变及其名义尺寸公差；在焊缝体内及焊接材料的结构部分内平衡的残 余应力；可接受应力集中水平及影响焊缝负载承受性能的应力集中因 素形式；低循环及高循环反向波动负载下的疲劳极限以及疲劳强度； 以及低循环及高循环反向波动负载下的相应于恶劣环境中的腐蚀及腐 蚀疲劳失效的疲劳极限及疲劳强度，以及焊缝材料特性。超声波冲击处理对焊缝影响的基本标准包括所导致的残余应力以 及应变的水平；其表面及过渡区域的起伏、粗糙度以及几何结构的变 化以及处理区域中材料特性的变化；在超声波冲击处理之前由给定焊 缝的制造技术所导致的残余应力的释放以及再分配；以及焊缝类型的 变化以及其抵抗工作负载的情况。为了提供具有所需特性的不可拆焊缝的超声波冲击处理(UIT) 的参数包括(1)超声波冲击工具上约0.1至50kg范围内的压力，(2 ) 约10与800kHz之间的换能器的载波超声波频率，(3 )在约0.5与120jim 之间载波频率下的超声波振动的振幅，(4)在载波超声波频率下在 约2至50振动周期的范围内在随机超声波沖击持续期间约5与2500Hz 之间的工具压头系统的超声波冲击频率及自振频率，(5) 0.05与5mm 之间的工具的自振振幅，(6)自由轴向移动压头与工具换能器之间 的连接水平，其取决于上述UIT参数的范围，以及(7)根据材料及 焊缝的任务、特性以及尺寸，具有设定在上述范围内参数的自由超声 波冲击。超声波冲击处理在焊缝上为提供预定特性的结果包括以下至少一 个主动改变约O.lnm及以上的表面粗糙度及起伏；表面之间约0.5mm 及以上的半径；在应力集中区域沿焊边线或任意表面之间的线的高达 2mm的槽的深度以及高达10mm的槽的宽度；应力集中区域中的材 料机械特性的提高，由此强度不小于约1.5倍且冲击强度不小于约1.2 倍，塑性变形(希望的压应力及希望的微硬度的相对改变)深达约
7mm，因材料垂直于表面的截面中材料的深达10mm的塑性变形导致 的弹性压应力的分布，对具有不小于材料屈服强度的约0.05振幅的超 声波波动应力波导致的处理导致残余应力的释放深达12mm，在表面 上以及表面下预定深度的不小于取决于限定任务的材料屈服强度及极 限强度的有利的第一种及第二种残余应力；对剩余处理导致的应变进 行补偿不小于在没有应用UIT的情况下发生的40%，其中应力腐蚀 抵抗性能提高高达约10倍；在改变负栽情况下对腐蚀疲劳强度提高 高达约2.5倍并对腐蚀环境下的寿命延长高达约20倍；对重复或波动 应力下的空气中疲劳极限提高不小于约1.5倍并延长寿命不小于约10 倍，提高焊缝的强度不小于1个级别；形成的白层(white layer)及 非晶态结构深度达到不小于约50 (im。不可拆焊缝可利用超声波冲击处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组合， 一种材料在另一种材料中的固溶体过渡区 域以及相对于接合及未接合材料结构及应变模式的改变的区域。不可 拆焊缝可通过撞压、缚束、重叠、窄缝或点焊以及沿任何给定形状的 结构元件的孔进行焊接来形成，其中可以具有或不具有完全、部分或 不完全穿孔、具有或不具有边缘预备、并通过改变装置(例如，电阻、 激光器、电子束、扩散、摩擦、压力、埋弧、手弧、气保护弧、明弧 及埋弧焊、利用填充材料焊接、超声波焊接的明焰、软焊等)形成。以下将描述本发明的具体焊缝。 (A)高强度钢中的焊缝具体而言，相较于低及平均强度钢(即，具有比高强度钢最小小 两倍的屈服强度以及高达两倍的疲劳极限的低碳及低合金钢)，在形 成焊缝过程中对高强度钢的使用受限于由这种钢形成的焊缝的低疲劳 强度。业界可知，这些钢之间的状态极限是屈服强度或高达500MPa 的最大强度值。获得的本发明的高强度钢的焊缝具有比低及平均强度钢最小高两 倍的疲劳极限。这在图4a及图4b中图示出。图4a示出了高强度钢 的疲劳极限1、低碳或低合金钢的焊缝2以及未经超声波冲击处理的 高强度钢的焊缝3。图4b示出了在超声波冲击处理之后高强度钢的焊 缝的疲劳极限4以及在超声波冲击处理之后低碳或低合金钢的焊缝的
疲劳极限。如图所示，经过根据本发明的超声波冲击处理的材料得到 了极大的改善。由高强度钢及合金形成的焊缝在经过根据本发明的超声波冲击处理之后并落入上述设置的参数中时具有o > 500 MPa的屈 服强度，由此为焊缝中的材料提供最小大于具有o S 500 MPa的钢及 合金疲劳极限的30%的疲劳极限。具体而言，为了实现以上目的，对焊边处危险的应力集中区域进 行超声波冲击处理。因此，根据本发明，首先确定焊缝及基础材料的 特性。考虑到相较于基础材料的强度需要使得焊缝的疲劳极限不小于 500MPa，通过计算足够产生塑性变形及压应力的冲击能量来确定超 声波冲击处理条件。然后经验性地检验超声波冲击处理条件并为了需 求目的进行修正。在振荡系统频率为约27kHz而工具压力高达约10kg 的情况下，为了提供具有希望特性的不可拆焊缝的超声波冲击处理条 件如下所述超声波换能器在冲击期间的振幅不小于30jim，冲击频 率在约80至250Hz范围内，工具自身振荡的振幅高达2mm，压头直 径为约3至6.35mm，并且压头的平均长度或时长取决于焊缝类型在 约10-35mm的范围内。上述超声波冲击处理条件对强化危险的拉应 力集中区域很重要，并且在其中产生的有利的压应力深度达到不小 于约2mm，其在表面处的量级比基础材料的屈服强度及疲劳极限大 高达1.5倍。在此情况下，在超声波冲击处理之后的应力集中区域具 有深达约lmm的有规则槽的结构，其通过由超声波冲击引起的塑性 变形而形成，并在焊料与基础材料之间提供平滑的过渡。因此，在制造焊接结构中并在获得的焊缝中包含高强度钢是可行的。(B)具有应力集中的焊缝在焊缝焊边处的材料的物理及机械特性、工作应力的性质以及其 于应力集中区域处的分布是焊缝的基本强度及疲劳极限标准，其中应 力集中与集中因素取决于焊料与焊边处的基础材料之间的过渡几何结 构。根据本发明通过对应力集中区域进行超声波沖击处理获得焊缝以 相对于未处理材料形成焊缝而提高处理焊缝材料的强度、延展性及沖 击强度高于名义值。此外，因为在应力集中区域进行的超声波超级处 理引起在处理区域中有利的残余压应力，故焊缝被改变并适于外部负载。处理区域的条件、特性及性质由超声波的特性及脉冲塑性变形(其 取决于超声波冲击的振幅及时长以及其在超声波冲击处理期间的重复 率)决定。因此，焊缝材料在应力集中区域中的最终强度及疲劳极限 大于形成焊缝的材料的最终强度及疲劳极限。通过残余应力以及等效塑性及弹性变形来限定焊缝在上述情况下 的应变模式。因超声波冲击处理在超声波塑性变形区域中形成的有利 残余压应力不小于材料更大的名义屈服点。塑性变形及各个弹性应力 在处理材料的深度上从使弹性应力平衡的残余压应力最大值指数地减 小，同时建立在表面上及以下的残余及弹性应力的水平及分布以补偿 环境影响以及工作应力。图5中示出了在应力集中区域中的应力及应变分布，同时因根据 这里描述的算法进行的超声波沖击处理的结果，该区域中的材料特性 改变。公知的是，危险的应力集中通常位于焊边处。这是因为焊料与基 础材料之间不良的形状过渡、在该区域中存在的显著的焊接缺陷(诸 如重叠、不规则、根切)以及因冷却时焊料收缩导致的拉残余应力。根据本发明，超声波冲击处理通过形成在其边界具有约O.Smm及 更大的半径、宽度大于零并高达约10mm以及深度大于零并高达约 2mm的槽(具体取决于材料厚度及焊边角度)来产生焊料与基础材 料之间的平滑过渡。超声波冲击处理条件限定了应力释放、槽粗糙度 (不小于Ra-75 jiin)、导致的压应力的量级及性质(不小于材料的 最终强度)、在塑性变形区域中对深度的影响不小于约2mm并在弹 性变形区域中不小于约5mm，并且对点位置的残余焊接应力释放不 大于原始状态的约20%。设置焊缝的参数包括冲击期间于大于零并高达约训kHz频率下大 于零并高达约50 jim超声波振幅、大于零并高达约500Hz的冲击频率、 约0.2mm及更大的工具自振荡振幅、冲击脉沖大于零并高达约0.5的 频宽比、至少约3kg的压力以及因上述因素造成的冲击能量，其等效 并足以产生压应力并将应力集中区域中的材料最终强度特性改变的大 于原始应力及强度特性、并足以补偿外部操作力。根据在上述条件下的方法完成的对碳钢的超声波沖击处理因上述 设置的物理因素的组合效应以及通过使焊缝材料塑性变形移除焊接缺 陷而增大了焊缝的疲劳极限。(c)承受平衡及非平衡负载的焊缝根据本发明，限定焊缝在原始条件下抵抗平衡及非平衡负载下失 效性能的首要要求是为了获得根据本发明特性在超声波冲击处理之后 负载在这些焊缝上的不平衡特性。但是，焊缝最终受压状态总是取决 于外部负栽在焊缝上的状态。基于此，在接近实际负载的平衡或不平 衡负载作用在焊缝上的同时，根据本发明的算法进行对焊缝的超声波 冲击处理。在给定焊缝工作期间，由补偿导致裂缝形成因素影响的适当性条 件来确定并匹配给定焊缝上外部负载的水平及性质以及进行的超声波 冲击处理的相关参数。作为本发明的一部分，对超声波冲击处理的适当性进行评估的过 程如下所述。最初，模拟焊接状态及应力或通过任何传统方法测量负载所导致 的等效应变，等效于实际负载的改变负载被施加至标本或实际焊缝。 通过计算所需冲击能量，然后确定超声波冲击处理的参数以对应力或应变进行补偿。随后，与改变负载一起实施超声波冲击处理，并且通 过以上使用的测量程序来建立对危险工作应力或应变的补偿水平，如 果需要，对超声波冲击处理的设计参数进行修正以补偿焊缝现实现的 目的所限定的应力或应变。可以在不固定结构上、在固定结构的刚性轮廓中或者在恒定、可 变及平衡负载下以自由状态进行与负载一同实施的对焊缝的超声波冲 击处理。为了解决上述问题，为了提供具有希望特性由碳结构及不锈钢以 及铝及钛合金制成的焊缝，超声波冲击处理的参数包括在冲击期间于大于零并高达80kHz的频率下大于零并高达约5(Him的振幅、沖击频 率大于零并高达500Hz (其中平均主要冲击时段不小于约lms)、工 具自身振荡振幅为约0.2mm且更大、不小于3kg的压力、以及通过 上述获得的冲击能量，并等效并足以产生压应力并改变材料在应力集 中区域内的最终强度特性使得大于原始压应力及强度特性并足以补偿 外部工作力。
通过示例性梁结构，在图6a及图6b中示出了因同时发生的超声 波冲击处理(其对外部因素导致的危险影响进行补偿)所引起的负载 状态的改变。图6a示出了在不同应力负载下的梁。梁10示出了在静 态负载Fc下的梁。梁11处于循环波动或动态负载Fv下。梁12处于 复合负载下，即Fc + Fv。图6b示出了相较于超声波冲击处理之后相 同梁的应力状态，各个梁10， 11及12的应力集中区域中的初始应力 状态。另一示例性结构是图7a所示的所谓"承插焊缝，，。在图7a中， 20表示承插焊缝而21表示对焊缝进行处理的超声波冲击工具。该独 特的"承插焊缝，，的特征在于该焊缝通常被用于具有波动及交替负载 两者、其中形成焊缝的材料的厚度相对较小的结构中。在此情况下， 根据本发明对应力集中区域的超声波冲击处理形成尺寸及深度不大于 处理材料厚度约0.15mm的槽。图7b示出了超声波沖击处理之前及 之后的焊缝。在处理之后，焊缝具有最小约0.5mm的半径22、大于 零并高达约10mm的宽度、大于零并高达约2mm的深度、以及当整 体厚度为约4mm时约0.15mm的腹板(web )厚度。因此，对应力集中区域内的材料特性进行改变引起焊缝的应力集 中区域中形成的特定水平的压应力。相关于焊缝尺寸及形成承插焊缝 的材料厚度，用于产生上述应力及槽尺寸的条件使得承插焊缝在波动 及循环负载(其在应力集中区域中引起高于焊接材料的屈服强度的应 力)下整体具有良好的破坏强度。图7c相对视示在超声波冲击处理 之前及之后焊缝的循环应力。因此，负载状态及对焊边的超声波沖击 处理以及恒定负载一侧的负载承载部件及/或改变负载位置引起超声波 塑性变形、压应力的产生及分布以及焊料与基础材料之间过渡的形 成，由此补偿静态或循环或改变应力(由于沿焊边及/或根部的基础材 料的屈服点之上的应力集中，其导致工作中裂缝的形成)的影响。 (D)存在缺陷及损坏区域(包括裂缝)的焊缝对焊接结构的制造及操作实践显示了 一系列与对焊缝的寿命及可 靠性的改进相关联的问题，包括焊接缺陷、材料结构缺陷、半微结构 损坏以及裂缝。根据本发明进行的超声波冲击处理的优点使得其能够在焊缝中提 供检测上述缺陷的特性，由此形成可靠的焊缝。在这种情况下对焊缝
改变很重要的是超声波塑性变形、外力脉冲(冲击)导致的应变以及 引入焊缝材料中的残余压应力，其中上述因素处于上述参数范围内， 因为这些超声波冲击因素会对材料状态产生影响。对改变缺陷焊缝非常重要的是超声波塑性变形，即由冲击造成的 应变，以及被引入覆盖上述缺陷并延迟其因工作负载在外力下的发展 的焊缝材料内的残余压应力。裂缝是焊缝材料中最普通的示例。利用不同的裂缝尺寸实际上可 限定内部状态并模拟在外力下由其他类型缺陷造成的初始状态或故障 阶段。如图8a-8c所示，所有焊接缺陷(包括裂缝)的危险区域均是应 力集中。在图8a-8c中还示出了在压应力场内因超声波冲击处理而引 起的缺陷延迟机理。在图8a中，30表示在超声波沖击处理之前包括 裂缝的缺陷焊缝以及与其相关联的应力。图8b示出了利用超声波冲 击工具31对缺陷区域进行处理以产生压场。图8c示出了在超声波冲 击处理之后的焊缝32以及其中存在的应力的改变(比较图8a与图 8c)。当张力矢量垂直于最大缺陷区域存在平面时缺陷会带来最严重的 危险。在图8a-8c所示的情况下，裂缝外周限定出应力集中区域。当缺陷因根据本发明的超声波冲击处理而承受压应力场时，其能够补偿 应力集中区域中不利的张应力并将其转移至材料的应力集中危险不容 易出现的区域。在此情况下，超声波冲击处理仅局部地位于表面，其尺寸足以将 可能的张应力转移远离可能的应力集中达到在不利的外力作用条件下 足以维持合成压应力的距离。如上所述在模拟缺陷发展及延迟状态期间确定上述表面的尺寸。在此情况下提供希望焊缝的超声波冲击处理 参数包括以下大于零并且不大于约10kg的工具压力；大于零并不 大于约500Hz的超声波冲击频率；超声波冲击的主要时段平均不小于 约lms;取决于待处理的材料特性以及表面状态要求，超声载波频率 大于零并高达约lOOKHz;冲击期间压头的超声波振荡振幅不小于约 30 jim;并且振幅不小于约0.2mm。根据上述过程限定并通过上述参 数及相应压头质量表达的冲击能量被设定为在塑性变形区域内产生压 应力到达不小于约2mm的深度，并在弹性变形区域中到达足以补偿
张应力的残余影响的深度。由此获得的新的特性及焊缝材料状态允许对因给定焊缝上的工作 负栽导致的危险应力的影响进行补偿，由此允许在焊缝工作时对缺陷 发展予以延迟。(E)对制造精度有特殊要求的焊缝焊缝的几何学精度是首要的品质及可靠性特性。根据本发明的超 声波冲击处理的特性在于一系列特性，其可确保符合基本技术要求。 这些特征主要包括(对应力及应变的)超声波释放，超声波及脉冲塑 性变形(材料再分布)，以及压应力的产生(张及压应力及应变的再 分布)。因此，如下有四种方法来获得焊缝的特殊精度(l)根据本发 明进行的超声波冲击处理，使用刚性安装件(固定部)并对固定引起 的残余焊接应力进行超声波应力释放，(2)无固定焊接，根据本发 明的在焊接区域中的焊料及基础金属的超声波及脉冲塑性变形，焊缝 中的材料再分布，对收缩以及焊接应变的补偿，(3)在超声波冲击 处理中结合上述(1)及(2),以及(4)考虑在这些方向上对焊缝 应变的补偿，通过方向及超声波冲击处理来区别(差异化)焊接收缩。在焊接期间，或者取决于目的及其方案的具体情况，当焊料被冷 却或在焊接之后处于冷(约环境温度)金属之上时，对热(高于环境 温度)金属适用具有特殊结构精度要求获得焊缝的上述示例。考虑方向性焊接收缩，利用对称角焊缝作为示例在图9a，图9b 及图9c中示出了对焊接应变进行补偿的技术。图9a示出了焊缝40 以及其中的公差。图9b示出了通过超声波冲击工具"进行超声波冲 击处理之后的焊缝。在图9b中如下表示应变及公差a及f分别表示 超声波冲击处理之后的残余应变，b及e分别表示公差；而c及d则 分别表示残余焊接应变。图9c示意性地示出了应变补偿方向匹配。 当焊缝中的残余焊接应变通过随后对残余焊接应力或超声波及脉冲塑 性变形及焊接金属再分布进行超声波释放而生成刚性安装或者通过组 合这些影响而被补偿时，由此取决于焊缝类型及烊接过程，这样做可 将焊接金属的塑性变形的方向及大小与其纵向及横向收缩之间的比率 进行匹配。在在目的所特定的方向上对应变进行补偿期间，使用选择超声波
冲击处理工具痕迹重叠系数(K )的原则。Ko的最大值对应于应当补 偿的最大残余应变的方向，由此以提供特定的精确度，同时最小值& 对应于最小残余应变的方向。在各个不同方向上的残余应变对应于在 这些方向上的焊接金属以及焊接附近区域的收缩，而应变补偿对应于 因超声波冲击处理由塑性变形引起的焊接金属局部体积及焊接附近区 域总的累积。当表面完全由工具痕迹覆盖时，将Ko取为正值并等效 于缩进直径差与缩进中心至中心间距之间的关系，而在间歇处理期间 间歇缩进间距与缩进中心至中心间距之间的比率对应于负重叠系数， 然后超声波冲击处理在值的范围内在特定方向上提供对应变补偿的控 制，使得满足1>^>-1。因此，当工具或工件运行速度为约90m/min时，即使在500Hz 的超声波沖击频率下且缩进直径为3mm， Ko也变为正值。但是，实 际超声波冲击处理处于大于零高达5m/min的范围内。根据本发明的 方法这样增强了超声波冲击处理的可靠性，并增强了在较宽处理条件 范围内控制Ko的可靠性，即，工具上约4kg及以上的压力、约100Hz 及以上的沖击频率、约0.2mm及以上的冲击振幅、约lms及以上的 冲击持续时段、不小于约15kHz的栽波超声波频率、冲击期间当处理 钢及高强度合金时不小于约30nm的超声波振动振幅以及当处理铝合 金及具有高达350MPa屈服强度的金属时不大于约30nm的超声波振 动振幅。(F )修复焊缝修复焊缝覆盖焊接结构制造及工作的较宽区域，例如，修复焊接 缺陷、故障及裂缝；增强其结构及构件；对结构稳定性及负载承受性 能提供额外改进；并在制造及工作过程中修正结构性设置。同时，对 焊缝的修复是造成残余焊接应力、应变、应力集中区域以及未调节金 属疲劳的原因。根据本发明的超声波冲击处理解决了这些问题，并使得焊缝被修 复以具有改进的特性，即残余应力水平不大于焊缝材料的屈服强度的 约0.5倍、残余焊接应变不大于对给定焊缝规定的尺寸公差的100%、且疲劳强度不小于给定焊缝的基础金属的疲劳强度。在图10a至10d中示出了由于超声波冲击处理作用在修复焊缝及 裂缝及应力再分布机理。
如图10a所示，在垂直于张力的平面中或在接近平面的空间表面 中的裂缝引起大于因这些力导致的正常设计应力数倍的应力集中。修复焊缝某种程度上改进了上述情况。但是，由于焊接沉积的纵 向收缩，其在修复焊缝的末端产生新的残余张应力集中(图10b)。根据本发明的超声波冲击(图10c)使不利的残余张应力重新分 布，其由危险焊接沉积区域内的压应力所取代(图10d)。当发生此 情况时，张应力移动进入就焊缝负载承载性能而言安全的正常应力区 域，并可利用标准处理计算得到。在焊接期间对正在冷却金属及冷金属实施由焊缝的目的限定的对 修复焊缝的超声波冲击处理。因此，为了改进焊接金属质量及其对结构缺陷应变的抵抗力，在 焊接期间完成根据本发明的超声波冲击处理。为了对局限在修复焊接 区域中的残余焊接应变及应力进行补偿，在正冷却金属上完成根据本 发明的超声波冲击处理。在冷(环境温度)金属上完成超声波冲击处 理以使焊缝金属硬化，在危险区域中产生有利的压应力，并替代释放 危险张应力。为了如上所述提供焊缝，在对钢手工处理期间作用在超声波工具 上的压力约为3kg或以上，其在机械处理的情况下可增大至20kg，冲 击频率不小于约80Hz，冲击振幅不小于约0.2mm，冲击时长平均不 小于约lms、压头超声波振动的栽波频率约为15kHz及更高，在冲击 期间当处理热(环境温度以上)金属时超声波振动振幅不小于约 20nm，当处理正在冷却金属或冷金属时不小于约30jun。当处理铝合 金焊接沉积时，因材料强度将超声波振动频率减小高达40%。(G)被保护而防止根裂缝的不完全焊透(penetration)的角焊缝通过选择完全、部分或不完全焊透的焊缝的类型及尺寸而获得被 保护而防止根裂缝并具有负载承载性能的焊缝。当焊缝具有部分或不 完全焊透时很难获得上述结果。引起要裂缝形成的原因主要与焊接金属与腹板端部及两者间缝隙 中的侧平面之间的侧角有关，可以角焊缝为例。在负(锐)侧角的情 况下，裂缝的形成直接源于焊缝的该区域内的应力集中。在焊接期间进行的对焊缝的超声波处理通过改变熔化金属与焊接
根部中固体金属之间的边界处的热交换状态解决了上述问题。这种现 象可以解释如下。焊接期间的超声波冲击引起脉沖及超声波应力波以 在焊接金属及熔化金属中传播。因此，在焊接根部中的熔化固体金属 边界处形成较强的声流，其有助于热交换由此有助于在该区域中对形 成腹板与凸缘之间的缝隙的金属表面更多的焊透。因此，基于程序发 明，可以提供对焊接根部中的腹板及凸缘金属的焊透结构进行控制的 指令，由此使得焊缝实质上全新的外观具有焊接金属与凸缘表面及腹 板端部的正(钝)侧角，由此确保给定焊缝可抵抗应力集中并防止在 焊接根部形成疲劳裂缝。在图lla及图lib中示出通过焊接金属与腹板及两者间缝隙中的 凸缘金属之间的正(钝)侧角对被保护以防止根部裂缝形成的焊缝的 形成。图11a示出未经超声波冲击处理的焊缝50。图llb示出在焊接 期间的初始工作位置52以及连续工作位置53处利用超声波冲击工具 经过超声波冲击处理的焊缝51。如图lla及图lib所示，对工具角及超声波冲击处理区域的选择 允许在熔化池中形成相对于池边界特定取向的声流。然后，这有助于二:焊透强度的4能性。 土' 、。因此，当凸缘侧面经过超声波沖击处理时(图lib中的工作位置 53)，就为相较于腹板对凸缘金属更好的融合创造了先决条件。通过 相对于凸缘平面增大工具角超过45° (图11b中位置52)，可以获得 封闭效果。在处理期间对处理条件、工具角以及位置的选择取决于焊 缝的焊接过程、材料及尺寸。为了提供这类由碳钢制成的焊缝，上述 优选超声波沖击处理条件包括在手工处理期间约3kg及以上的工具 压力、在机械处理期间大于零并高达约25kg的工具压力；大于零并 高达约800Hz的冲击频率；约0.2mm及以上的冲击振幅；约18kHz 及以上的超声波振动载波频率；冲击期间在约400GC以上温度范围内 大于零并高达20jim的超声波振动振幅、在约400flC以下温度范围内 不小于3(Hun的超声波振动振幅；以及平均不小于约lms的超声波冲 击持续时段。通过有利地在凸缘与腹板之间再分布焊接金属，根据本发明的超 声波冲击处理将残余焊接应力减小最小为焊缝应变标准模式的40%。
在实现上述热交换效果的同时，根据本发明的超声波沖击引发对 熔化金属的表面张力减小的效果，由于该情况，增大了熔化金属的流 动性。即，由于超声波冲击处理，超声波及脉冲应力波通过焊接金属 被传递至被焊接金属，并增大了屈服以及在焊料上及两者之间缝隙中 的凸缘端部上熔化金属的流动性。由声流造成的熔化池的温度额外地熔合了边缘，由此形成类似于图12a及图12b中所示的毛细管中的凹 入弯月状。公认熔化金属流动性在较宽的范围内增大了高达300kHz 的超声波振动载波频率以及高达2500Hz的超声波沖击重量率。取决 于焊接材料及可消耗材料的特性、焊缝的类型及尺寸、焊接过程以及 条件，根据本发明的处理来限定超声波冲击处理参数。在图12a及图 12b所示的焊缝的示意性视图中，图12a示出了未经过超声波冲击处 理并且其中形成裂缝的焊缝60。图12b示出了经过超声波沖击处理的 焊缝61。焊根中的弯月形由62表示。在图中示出超声波冲击工具处 于焊接的初始工作位置63，并在焊接处理期间处于连续工作位置64。 在焊接金属、凸缘或腹板上制造根部期间在本发明的参数范围内通过熔化金属填充紧固件或腹板与凸缘i腹板之i;"缝隙(在超声波沖下)，其中在缝隙中在焊料与基础金属之间存在或不存在扩散或粘附， 由此基于从基础金属与焊接金属之间的平滑过渡的固化产生弯月形62 并熔合了尖锐边缘，由此增大了给定焊缝对应力集中影响及焊接根部 中形成疲劳裂缝的抵抗力。
因此，另一机理使得能够通过根据本发明的超声波冲击处理形成 焊接金属与腹板端部及凸缘表面之间的正(钝)侧角。这解释了新焊 缝是如何形成以防止应力集中及疲劳导致的根裂缝的形成。 (H)点焊缝与基于疲劳抵抗标准提高焊缝的质量及可靠性相关的具体任务涉 及点焊接。主要问题是传统应力集中处理技术不能到达焊缝中的危险 区域。这使得在焊接材料的整个厚度上改变焊缝的应变模式成为必 要。因此，必需考虑危险热量影响区域以包括局部应力集中并表示具 有平均直径的圆或环，其等于沿焊缝边界的圆的直径。通过根据本发明的超声波冲击处理制成的点焊缝的特征在于在焊 接区域中整个金属厚度上的高水平超声波塑性及脉冲应变，疲劳极限 比未处理焊缝大最小约1.3倍，并具有不小于基础金属的强度的最终 强度。在图13a-13e中示出了点焊缝的示意性视图。图13a于70处示出 未处理点焊缝及相关的应力。图13b示出了结合有止动板73的对点 焊接进行处理的超声波冲击工具71。在图13c中，相关于点焊接使用 两个超声波工具71及72。图13d是从止动板或工具74及工具75到 点焊接的沖击接触点的放大视图。图13e于76处示出了处理后焊缝 及相关的应力。可以在焊接期间(当焊接电极同时作为振动速率集中器及压头 时)及焊接之后进行对点焊缝的超声波冲击处理。取决于焊缝尺寸及 其焊接后条件，压头可具有圆形、扁平及圆周工作表面。事实上，可以利用被动或主动谐振声学退耦、被动非谐振声学退 耦、以及起"砧，，作用的刚性止块来进行超声波沖击处理。这意味着 可以顺序地从各个侧面及同时从两侧在焊缝区域中形成塑性变形。如图13a所示，最大张应力作用下的点焊缝的危险区域定位在"点 焊接"边界并位于工作应力临界集中区域内。根据本发明的超声波沖击处理使焊缝完全经过有利的压应力区 域，并将张应力区域转移至不存在应力集中结构条件的区域。因此，基于试验数据，根据本发明的超声波冲击处理将点焊接的 疲劳极限增大至少约1.3倍，并将疲劳抵抗力、屈服点、最终强度及 沖击强度提高至不低于基础材料的水平。为了获得由碳钢及铝合金制成的点焊缝，超声波冲击处理条件包 括以下条件并基于焊缝类型及材料在描述量的范围内改变不小于约 80Hz的超声波冲击频率，在不小于约0.2mm的振幅下平均不小于约 lms的冲击持续时段，在冲击期间大于零并高达约100kHz的压头超 声波振动载波频率，在沖击期间在约5至40pm范围内的超声波振动 振幅，以及约3至30kg的工具压力。在经过超声波冲击处理的焊接 期间或在超声波冲击处理期间使系统"结构内工具焊缝"的谐振频率 稳定是对这种类型焊缝的方法处理终止标准。 (I)搭焊及定位焊搭焊缝或定位焊缝极易在焊接端部产生裂缝，且裂缝会迅速在较 短的焊接部分上扩散。主要因为焊接缺陷、不利的焊趾角、应力集中、
焊缝局部稳定性及强度损失、以及疲劳而造成这些焊缝中的裂缝。可 通过产生如下的焊缝来解决这些问题，其经过根据本发明的超声波冲 击处理以在焊料与基础金属之间形成平滑的过渡。同时，在定位焊端 部处以及沿焊趾线的这些过渡经过超声波塑性变形，同时定位焊的疲劳极限相较于未处理情况最小大约1.3倍，且疲劳抵抗力、最终强度 及冲击强度不小于基础金属。在图14a至图14c中示出了经过超声波 冲击处理的焊缝及其应变模式的示意性视图。图14a示出了未处理搭 焊缝及相关应力80。图14b示出了处理期间的搭焊缝，其上示出产生 压应力区域的超声波沖击工具82。图14c示出处理搭焊缝84及相关 应力。具体而言，图14a示出了因纵向及程度略小的横向焊接收缩导致 的位于定位焊端部的最大张应力。定位焊端部区域与工作应力集中区 域重合的事实恶化了该情况。根据本发明的超声波沖击处理改变了应变的焊缝模式的特性，重 新分布了张应力，将其替换为压应力并由此施加至(应力集中易于发 生的)焊缝区域的工作负载转移了张应力。根据本发明的超声波沖击 处理提高了给定焊缝对由于给定焊缝的设计特征因应力集中以及在改 变及反向负载循环的不利特性下金属疲劳导致的裂缝形成的抵抗力。因此，如图14a-14c所示，在对残余应力再分布的同时，通过在 其超声波塑性变形期间改变焊缝的材料特性还实现了提高给定焊缝对 裂缝形成的抵抗力。根据本发明提供了希望焊缝的超声波沖击处理的参数包括以下 大于零并高达约2000Hz的超声波沖击频率，平均不小于约lms的超 声波冲击时长，不小于约0.2mm的冲击振幅，约"kHz及以上的压 头超声波振动载波频率，冲击期间对于碳钢不小于约25jim的压头超 声波振动振幅以及对于铝合金不小于约30jim的压头超声波振动振 幅，以及抵抗处理表面约3kg及以上的工具压力。 (J)角焊缝获得制造精度及高疲劳抵抗力的角焊缝(其中槽沿焊缝周边变 化，同时改变侧角小于90。并且完全焊透)是非常困难的技术问题。 该问题因特定焊接应力及应变分布，以及依赖于沿焊接周边在空间焊 缝中复杂取向形成的几何结构状态的焊缝疲劳极限而恶化。
在焊接期间于冷金属上根据本发明进行的超声波冲击处理使得能 够沿这种复杂焊缝的周边形成规定的尺寸精度，并将疲劳极限最小增大1.3倍。在图15a及图15b中示出了通过超声波冲击处理所处理的 具有沿周边改变的槽及小于90。的角的角焊缝的示意性视图。焊缝表 示为90而焊料表示为91。在图中示出超声波冲击工具93处于不同焊 接处理位置。广泛地应用具有腹板与凸缘之间小于90。的角以及完全或不完全 焊透的角焊缝，其带来的首要问题是技术成本的降低，为其提供尺寸 精度及适当的疲劳极限及使用寿命。根据本发明的超声波沖击处理通 过对纵向及横向焊接收缩的超声波及脉冲补偿、凸缘相对于腹板的对 称角变形、材料特性以及应力集中区域中的条件改变解决了该问题。 这样便提供了一种焊缝，其中腹板与凸缘之间的角小于90°,并获得 了规定的焊缝尺寸精度以及分别提高不小于1.3及10倍的疲劳极限以 及使用寿命。在图16a及图16b中示出了根据本发明的角焊缝的示意性视图。 图16a示出了用于在焊接前形成角的工件100。图16b示出了包括由 超声波沖击工具102处理的角焊缝101的工件。以超声波冲击处理之 后，处理材料的特性发生改变。在超声波冲击处理之后从规定尺寸的 偏离处于纵向及交叉变形范围内。在处理之后角焊缝的疲劳极限最小 为未处理状态下角焊缝的1.3倍。在处理之后角焊缝的使用寿命最小 为未处理状态下角焊缝的IO倍。因此，如图15a-15b及16a-16b所示，对具有改变及"恒定"槽倾斜角的角焊缝进行制造及维护需要找到工程方案，其通过最小制造 成本一方面为这种焊缝提供必需的精度，另一方面提供规定的寿命。角焊缝的精度应当确保其工作可靠性、设计负载承受性能以及外 部负栽抵抗性。焊缝的耐用性应当确保焊缝对改变及反向负载的抵抗 力的寿命。通常通过热处理并使用昂贵的导体工具设备来实现焊缝精度。通 过特殊方法，即选择基础金属及焊接可消耗材料、更大的焊接尺寸及 用于残余应力减小的热处理来实现焊缝的耐用性。根据本发明的超声波冲击处理减小了制造成本，消除了对热处理 以及在焊接中使用大量焊接金属的需求。这通过对残余焊接应力及应
变的超声波释放及再分布，并通过将焊缝材料特性改变到受焊缝材料 的超声波塑性变形影响的区域中的基础金属的水平来实现。取决于制造条件及焊接过程，根据本发明的超声波冲击处理可在 焊接期间应用于热金属，在冷却期间应用于金属或在焊接后应用于冷 金属。通过对焊接金属的层处理、在应力集中区域内形成去应力集中 槽、以及在处理过程中对超声波冲击处理结果的过程中或在线控制来 获得根据本发明的超声波冲击应用的结果。根据本发明的用于角焊缝的超声波沖击处理条件包括高达约 1200Hz的超声波冲击频率、不小于约lms的超声波冲击时长、不小 于约0.2mm的沖击振幅、约18kHz及以上的压头超声波振动载波频 率、冲击期间对碳钢不小于约25jim的压头超声波振动振幅以及对铝 合金不大于30nm的压头超声波振动振幅、手工或机械处理时抵抗处 理表面约3kg及以上的工具压力。(K)熔析、粒度、脱气及气孔在对焊接金属长时冷却的条件下由大体积熔化池形成的焊缝易于 熔析。可主要通过大晶粒的生长以及熔化池在基础金属在中央的情况 下从其边界结晶化的方向来解释该现象。基于对熔化金属的大量超声波结晶及对大晶粒的超声波及脉冲再 结晶，在对焊接金属的焊接及冷却过程中在本发明参数范围内的超声 波冲击处理解决了上述问题。由于作用在其上的超声波冲击的结果， 沿焊缝传播的超声波引起的超声波震动造成的声流及提高的气穴现象 而在熔化池中发生大量结晶。基于焊缝及焊缝旁金属被冷却，在超声 波沖击方向作用下焊接金属及焊接附近区域被再结晶。这样在全部方 向上在焊接截面上提供了规定的焊接金属相均匀性。可以根据图na 及图17b所示的示意性视图来形成具有结构相均匀性的焊缝，其中代 表部分被放大。图17a示出了在焊缝中央具有熔解物110的焊缝。图 17b示出了超声波冲击工具112，其在本发明的参数范围内处理焊缝 以提供具有超声波冲击激活结晶111的焊缝。如箭头所示在图17b中 所示的焊缝上提供冲击，而工具112示出为实线及虚线。对焊缝可靠性而言最重要的特性(例如，冲击强度、屈服及最终 强度、零度以下及高温及环境温度下的纤维性及裂缝抵抗性)取决于
粒度。对应于熔化金属对结晶中心形成的最大灵敏性在距离焊弧一定 距离，在方向参数范围内进行超声波冲击处理，并随后在晶粒生成过 程中固化金属以再结晶解决了上述问题。由此产生了一种新型的焊 缝，由于焊接金属精细的晶粒结构及热效应区域，其符合严格的机械强度要求，并具有规定的物理及机械特性。在图18a及图18b中示意 性地示出了如何获得这种焊缝。图18c图形地示出由超声波冲击处理 产生的焊缝的机械强度及冲击强度。图18a示出了未经过超声波冲击 处理的焊缝120 (放大部分用于说明)。图18b示出了通过超声波冲 击工具122处理具有超声波冲击激励结晶(放大部分用于说明)的焊 缝121，超声波沖击工具122依箭头所示移动经过焊缝，且工具由实 线及虚线示出。图18c列出了焊缝120及焊缝121的数据。焊缝的一个基本质量标准是在焊接金属中是否存在气孔。主要由 焊接过程中的熔化池脱气效果决定该特性。根据本发明的超声波冲击 处理基于在焊接过程中开始对熔化池的超声波脱气而很好的解决了该 问题。利用上述参数在距离焊弧对应于熔化池液相距离处在焊接金属或 相关金属上方进行的超声波冲击处理实现了该效果，其等效于包含焊 接金属中的气体的最小溶度。在图19a及图19b中示出了焊缝及其脱 气的示意性视图。图19a示出了未经过超声波冲击处理且在焊缝的才艮 部区域中存在可视气孔的焊缝130。在图19b中，通过超声波冲击来 处理焊缝131以开始脱气由此没有可视气孔。由箭头所示在焊缝上利 用超声波冲击工具132进行处理，且工具132以实线及虚线示出。因此，描述了在焊接期间对根据本发明的超声波冲击处理的三种 可能应用，其旨在制造具有新特性(例如大量熔化金属的熔解抵抗性、 可靠的再结晶及形成精细的晶粒结构、以及焊接金属对气孔形成的抵 抗性)的焊缝。根据本发明的超声波冲击处理对焊接金属及焊缝的熔化金属的性 能、结构及特性的整体影响基于对超声波冲击区域距离熔化池的间距 及超声波沖击参数的相应方法选择。在各个具体情况下，根据本发明 进行的相对于焊接区域对超声波处理区域位置的选择标准分别是熔化 金属及焊接金属的有效结晶及再结晶温度范围，以及在熔化池中最小 气溶度的温度范围。在此情况下，相关于处理材料的特性以及超声波
冲击处理区域的温度，根据本发明的超声波冲击处理的参数被设定在以下范围内约0.1至50kg的工具压力，换能器约10至800kHz的 超声波震动栽波频率，在载波频率下在无负载条件下在冲击期间约0.5 至120jim的超声波震动振幅，约0.05至5mm的工具自振荡振幅，以 及不小于约lms的平均超声波冲击持续时段。
(L)氢扩散在焊新年好前预先或在焊接期间同时对由钢(具体而言铁素体中排出扩散氢。这在操作者工作位置造成高温，污染了环境，并因结 构的额外热量增大了残余焊接变形。
在距熔化池一定距离及/或在冷金属边缘之上在焊接过程中或在焊 接之后根据本发明进行的超声波沖击处理(其中超声波冲击的强度及 范围共同地对应于扩散氢的最大流动性)产生对破碎具有高抵抗性的 焊缝。因此，最小化了预先及同时加热要求。
在图20a及图20b中示出了焊缝的示意性视图。图20c是示出在 超声波沖击处理之后在焊接金属中对残余扩散氢含量最小化。图20a 示出了未经过超声波冲击处理的焊缝140 (具有说明性放大截面)， 因此其具有可视气孔。图20b示出使用工具142伴随超声波冲击处理 准备的冷却或冷边缘造成的激励结晶(无气孔)的焊缝141 (具有说 明性放大截面)，工具142在处理期间依箭头所示在焊缝上移动，且 超声波冲击工具142以实线及虚线示出。在以下所述参数范围内进行 处理。图20c示出了钢所允许的氢含量极限。常规在焊接之前，对于 钢而言，在焊接金属中的残余氢的允许水平不应超过5cm3/100g。如 相应参考标号所示，图20c示出了图20a及图20b所示的焊缝的氢含 量。
考虑到金属易于浸透氢的情况，在以下任何制造条件下，根据本 发明对焊缝进行超声波冲击处理在焊接前在冷边缘上或在焊接期间 在熔化池前方一定距离的边缘上，或在焊接期间在焊接池后一定距离 的焊接金属上，或在形成新结构，进行再处理，预防维护或修复时在 焊接后在特定温度范围内焊接金属上。
在上述所有条件下，先于根据本发明的处理，确定温度范围或临 时条件以提供有效的扩散氢去除并将金属维持在该状态。 由图21中所示的浸透图可看出根据本发明的超声波冲击处理在 较宽的温度范围内将扩散氲的含量减小了至少2倍。根据本发明确保上述结果的超声波冲击处理参数包括高达约 2S00Hz的超声波冲击频率，不小于约0.2mm的超声波冲击振幅，不 小于约lms的超声波沖击平均统计时长，约15kHz及以上的超声波 震动载波频率，取决于温度及处理的金属等级在沖击期间不小于约 l5Hm的超声波震动振幅及在处理冷金属时不小于约30jun的超声波 震动振幅，手工处理时抵抗处理表面不小于约5kg的工具上压力及在 机械处理时不小约10kg的压力。(M)恶劣环境-应力腐蚀(处理前及期间)在波动负载下焊缝对应力腐蚀或失效的抵抗性限定了具有较长工 作周期的负载结构的可靠性及寿命。这种结构的示例是主管路及海面 平台。对抗应力腐蚀的保持成本极高。根据本发明的处理提供的新特性解决了该问题。以下所述是在恶 劣环境下在受压状态或波动负载状态下超声波沖击处理主要参数对金 属表面的影响在0.8mm的取样长度下不小于5fim的粗糙度以及在2.5mm的取 样长度下不小于15jim的波度，在超声波及脉冲应变区域内的压应力，其不小于材料屈服强度， 不小于1.5mm的塑性变形深度及引起的残余压应力，以及 取决于材料特性形成白层的不小于50fim的非晶微观改变。 因为改变了表面及材料特性，故相较于未处理状态在腐蚀环境中 在各种不同负载下增大了焊缝的应力腐蚀抵抗性至少为最终腐蚀的2 倍、增大疲劳强度至少1.3倍，并延长寿命至少7倍。重要的是这些 特性也适用于新的焊缝及工作中焊缝。图21示出了由具有高碳含量的钢制成并经过超声波冲击处理的 焊缝的结果及特性。在图21中示出了在通常在任何材料表面上发生 的不规律腐蚀之后产生稳定过程，其中基于试验数据由根据上述处理 的超声波冲击处理所处理的腐蚀率最小小于焊接金属的4倍。由;f艮据 本发明的超声波冲击处理所处理的碳钢在海水中抵抗应力腐蚀的最小 等效时长为10年。根据本发明确保上述结果的超声波冲击处理参数包括高达约 500Hz的超声波冲击频率，不小于约0.5mm的超声波沖击振幅，不小 于约1ms的超声波冲击平均时长，约15kHz及以上的超声波震动载 波频率，在冲击期间不小于约20nm的超声波震动振幅，以及抵抗处 理表面不小于约5kg的工具上压力。 (N)焊缝中的孔进行焊接结构保持在某种程度上与在焊缝内或附近区域中使用孔 作为裂缝捕集方式的需求有关。这种焊缝中的破坏不仅会从由这种孔 阻止的裂缝发展，还会从这些孔本身发展。原因是在表面中制造孔期 间产生的撕裂，其在操作时变为应力集中区域，然后造成疲劳。为了获得具有裂缝捕集孔的可靠的焊缝，首先将根据本发明的超 声波冲击处理施加至裂缝两侧然后施加至孔。在入口及出口区域，但 距损坏侧不小于孔深的1/5，在制造孔期间对金属损坏的部分进行孔 处理。在经过超声波及脉沖塑性变形的层中形成不小于金属屈服强度 的残余压应力。注意在此情况下选择压头形状以提供对孔损坏部分的 自由进入。在图22a及图22b中示出了具有孔的焊缝及处理结果的示意性视 图。图22a示出了利用常规尖钻(其导致公知的相关应力)准备的焊 缝151中两个孔之间的裂缝。图22b示出了利用常规尖钻并后续通过 利用沖击工具152的超声波沖击处理准备的焊缝151中两个孔之间的 裂缝。由于形成了压应力区域153，故改变了因尖钻导致的相关应力。 图22b还示出了超声波冲击工具152的针压头154，以及处理孔155 及孔156的边缘的方式，以在裂缝的端部在孔中造成材料的撕裂。示 出在钻之后在孔区域中张应力被压应力替代，且可能的张应力被转移 进入工作应力集中的区域，由此不易发生疲劳裂缝。根据本发明为较宽范围的金属确保上述结果的超声波沖击处理参 数包括高达约500Hz的超声波冲击频率，不小于约0，5mm的超声 波冲击振幅，不小于约1ms的超声波冲击平均时长，约"kHz及以 上的超声波震动载波频率，在冲击期间不小于约30nm的超声波震动 振幅，以及抵抗处理表面不小于约5kg的工具上压力。 (O)支架在支架面板与主焊缝相交的位置具有圆形切口的支架的焊缝是广 泛应用在焊接结构制造中的典型焊缝。当支架被焊接至面板时，这种
结构的最危险部件是切口区域中的焊缝端部以及焊趾线。这种焊缝的 尺寸精度也存在很大的问题。在本发明的参数范围内对沿支架的焊缝及圆形切口中焊缝端部的 超声波冲击处理产生符合尺寸精度要求的焊缝，其将疲劳抵抗力最少增大未处理焊缝的1.3倍。在图23a及23b中示出了在超声波冲击处理之前及之后的支架焊 缝的示意性视图。支架面板160在支架焊接未经过超声波冲击处理的 区域中具有裂缝161。支架面板与主焊缝相交，其中通过相对于在圆 形切口中的支架端部进行纵向填角焊来进行与面板的连接。图23b示 出了由超声波冲击处理提供处理区域162的支架。对沿支架的焊缝及 圆形切口中的焊缝端部的超声波沖击处理确保了焊缝符合尺寸精度要 求，并相较于未处理支架结构中的相同特性最少增大疲劳抵抗力1.3 倍。当通过根据本发明的超声波冲击处理来处理切口区域中的焊缝端 部时，使用专用工具头以使压头进入该区域。根据本发明为较宽范围的金属确保上述结果的超声波沖击处理参 数包括高达约300Hz的超声波冲击频率，不小于约0.5mm的超声 波冲击振幅，不小于约1ms的超声波冲击平均时长，约15kHz及以 上的超声波震动栽波频率，在冲击期间不小于约30jim的超声波震动 振幅，以及抵抗处理表面不小于约3kg的工具上压力。(P)易于形成马氏体的焊缝当要减小残余焊接应变时，在某些特殊情况下在焊接过程之后立 即对焊缝进行强烈的受迫冷却。这会造成公知的硬化效果(特别在碳 钢中)，并伴随有排除马氏体并形成具有限制柔顺性的焊缝。通过对 焊缝的额外受迫加热并将焊缝长时间浸渍在较窄的规定温度范围内来 实现对马氏体的分解。该过程会消耗很多能量，要实现加热并浸渍在 较窄温度范围内的条件很困难，且非结果不确定。在距加热弧相应于马氏体分解温度及其被索氏体及回火马氏体取 代的距离处在本发明的参数范围内对这种类型的焊缝进行超声波冲击 处理在最少大于该范围的下限值1.5倍的温度范围内改变了焊缝结 构，同时该范围本身最少大于焊接所需2倍以减小在未进行超声波沖 击处理在上述条件下马氏体形成的可能性。由此将马氏体分解时间缩 短了至少10倍。由此形成在根本上增大的对马氏体分解的处理温度的焊缝，同时相对于解决该问题所需的标准条件减小了平均温度范 围。在图24中示出了用于钢12XH3的示例性样本的过度冷却体(马 氏体)分解图表。线1表示未经过超声波处理的在温度Tl的马氏体 转变。经过根据本发明的超声波冲击处理的线2表示的样本具有在温 度T2的马氏体转变。Tl > T2。在图24中示出标准热处理期间马氏 体分解过程可在495°C到430°C的温度范围内至少进行3小时。在根 据本发明的超声波冲击处理期间，相同的过程可在260°C到390"C的 温度范围内持续3-4分钟。根据本发明为较宽范围的金属确保上述结果的超声波冲击处理参 数包括高达约800Hz的超声波冲击频率，不小于约0.5mm的超声 波冲击振幅，不小于约1ms的超声波冲击平均时长，约15kHz及以 上的超声波震动栽波频率，在冲击期间不小于约30nm的超声波震动 振幅，以及抵抗处理表面不小于约10kg的根据上压力。这样产生了具有在根本上增大的马氏体分解处理温度范围的焊 缝，同时在对焊接结构的实际流水线自动制造或计算机辅助制造期间 该范围平均温度相对于解决该问题的标准条件减小。 (Q)具有保护及/或硬化涂层的焊缝对焊缝的维护在很多方面都与通过使用各种金属或非金属涂层来 对其进行保护及硬化的需求有关。在这种情况下，使用任何类型的机 械操作(包括公知的焊缝、焊缝附近区域及焊趾的塑性变形方法)都 受到涂层整体性要求的限制。因为超声波冲击处理可在涂层之上进行，故利用根据本发明的超 声波冲击进行处理可解决上述问题并能够产生具有特定新特性的焊 缝。在此情况下，伴随焊缝的特定特性获得保护或硬化涂层的整体性 及特性的改进。在图25a、 25b及25c中示出了这种焊缝的示例。图示出了 进行涂层及超声波冲击处理之前的焊缝。图25b示出了在施加了涂层 170之后但在对涂层焊缝进行超声波冲击处理之前的同一焊缝。在图 25c中，示出了超声波冲击处理之后的涂层焊缝。在焊缝中槽及局部 应力集中变化由涂层170上的171示出。在图25c的焊缝中，半径最 小为0.5mm，宽度高达10mm，深度高达2mm，且当厚度为4mm时 涂层厚度为0.15mm。在图25a-25c中示出根据本发明的超声波冲击可能il过焊接制造焊^、施加保护或硬化^层、并根据本发明进行 超声波冲击处理。为了维护涂层整体性，选择根据本发明的超声波冲击处理的条件于涂层的破坏强度。根据本发明为较宽范围的金属确保上述结果的超声波冲击处理参 数包括高达约1500Hz的超声波冲击频率，不小于约lmm的超声波 冲击振幅，不小于约lms的超声波冲击平均时长，不小于约20kHz 的超声波震动载波频率，在冲击期间不小于约30jim的超声波震动振;的接触压力及应力梯度，以及抵:处理表面不小于、约3kg的工具上 压力。(R)焊接结构上述焊缝以及获得焊缝的处理使得能够产生符合高质量及可靠性 要求的焊接结构。在图26中示意性示出的结构视图说明可根据本发 明获得的各种焊缝180。构件、细节、焊缝及材料的聚合结构及任意 组合可包括面板、垂直或成一定角度焊接至面板的具有连续或变化 斜角的圆柱构件、扁平结构构件、焊料、支架、角焊缝、及搭焊缝等。 根据本发明，通过对焊缝进行超声波冲击处理而在焊缝中提供改进的 特性而改进焊缝的质量及可靠性。本领域的技术人员将理解，可在上述描述范围内进行各种不同的 改变。在本领域技术人员能力范围内的上述改变是形成本发明的一部 分，并落入所附权利要求中。
权利要求
1. 一种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括通过对所述焊缝 进行超声波冲击处理获得的至少一种预定结构特性，所述至少一种预定结构特性包括以下至少一者至少约O.lnm的表面粗糙度及起伏度； 表面之间至少约0.5mm的半径；高达约2mm的在应力集中区域中沿焊边线或任意表面之间的线 的槽深度以及高达约10mm的所述槽的宽度；提高应力集中区域中的材料机械特性，对强度提高至少约1.5倍 并对冲击强度提高至少约1.2倍；塑性变形、有利的压应力以及有利的微硬度的相对改变深达约 7mm.，由于在与表面垂直的截面中的材料塑性变形导致的弹性压应力的 分布深达10mm;对因为具有材料屈服强度的至少约0.05的振幅的超声波波动应力 波引起的处理导致的残余应力的释放深达约12mm;基于目标应用在表面上及表面之下至少材料屈服强度及最终强度的预定深度的第一及第二类的有利的残余应力；对残余处理导致的应变进行补偿达到未应用超声波冲击处理时发 生的至少约40%，同时提高应力腐蚀抵抗性高达约IO倍；提高腐蚀疲劳强度高达约2.5倍并在可变负载下延长腐蚀环境中 的寿命高达约20倍；在重复或波动应力下提高空气中的疲劳极限至少约l.5倍并延长 寿命至少约IO倍以提高焊缝强度至少1个等级；或者形成至少约50pm深的的白层及非晶态结构。
2. 如权利要求1所述的由超声波冲击处理的不可拆焊缝，其中 所述焊缝由在超声波沖击处理之后具有(T > 500 MPa的屈服强度的高 强度钢或合金制成，所述焊缝还具有最小大于具有<r ^ 500 MPa的钢 或合金约30%的疲劳极限。
3. 如权利要求1所述的由超声波冲击处理的不可拆焊缝，其中 所述有利的压应力具有约2mm的深度，其中位于表面的大小大于屈 服强度并大于所述焊缝的未处理基础材料的疲劳极限高达约l.5倍。
4. 如权利要求1所述的由超声波冲击处理的不可拆烊缝，其中 所述焊缝具有少于所述焊缝的屈服强度约0.5倍的残余应力水平；约 为为所述焊缝预定的尺寸公差100%或更小的残余焊接应变；以及/或 等于或大于所述焊缝的未处理基础材料的疲劳强度的疲劳强度。
5. 如权利要求1所述的由超声波冲击处理的不可拆焊缝，其中 点焊的所述疲劳极限增大未处理基础材料的至少约1.3倍，并将疲劳 强度、屈服点、最终强度以及冲击强度增大至等于或大于所述焊缝的 未处理基础材料的疲劳强度、屈服点、最终强度以及冲击强度。
6. 如权利要求1所迷的由超声波冲击处理的不可拆焊缝，其中 定位焊的所述疲劳极限至少大于所述焊缝的未处理基础材料的疲劳极 限至少约1.3倍，并且疲劳强度、最终强度以及冲击强度等于或大于 所述未处理基础材料的疲劳强度、最终强度以及冲击强度。
7. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括通过对所述焊缝 进行超声波冲击处理获得的结构特性，其中所述处理的参数包括大于零到约800kHz的振荡系统频率， 超声波冲击工具上的大于零到约50kg的压力， 在冲击期间大于零到达约120jim的超声波换能器振幅， 在大于零到约2500Hz范围内的超声波频率， 冲击工具的大于零到约5mm的自振荡振幅，以及 所述超声波沖击工具的至少约lms的冲击平均时段。
8. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括具有(5 > 500MPa 的屈服强度的钢或钢合金，以及通过对所述焊缝进行超声波冲击处理 获得的结构特性，其中所述处理的参数包括约27kHz的振荡系统频率， 超声波冲击工具上的大于零到约10kg的压力， 在冲击期间至少约30pm的超声波换能器振幅， 在约80-250Hz范围内的超声波频率， 冲击工具的大于零到约2mm的自振荡振幅， 约3-6.35mm的压头直径，以及 在约10-35mm范围内的压头长度， 其中所述焊缝具有深达至少2mm的有利的压应力。
9. 一种由超声波冲击处理的存在改进的应力集中状况的不可拆 焊缝，包括在焊接材料与基础材料之间的过渡区域中的槽，所述槽在所述槽的边界处具有至少约0.5mm的半径、大于零到约10mm的宽 度以及大于零到约2mm的深度，以及通过对所述焊缝进行超声波沖 击处理获得的特性，其中所述处理的参数包括在冲击期间于大于零到约80kHz的频率下大于零到约50fim的超 声波振幅，大于零到约500Hz的超声波频率，超声波冲击工具的至少约0.2mm的自振荡振幅，沖击脉沖大于零到约0.5的频宽比，以及超声波冲击工具上至少约3kg的压力。
10. —种由超声波冲击处理的具有改进外部负载特性的不可拆焊 缝，包括碳结构钢、不锈钢或者铝及钛合金的焊缝金属，以及通过对 所述焊缝进行超声波沖击处理获得的特性，其中所述处理的参数包 括在冲击期间于大于零到约80kHz的频率下大于零到约50fim的超 声波振幅，持续平均时段至少约lms的大于零到约500Hz的超声波频率， 超声波沖击工具至少约0.:2mm的自振荡振幅，以及 所述超声波沖击工具上至少约3kg的压力，由此所述焊缝的应力集中区域内的压应力及强度大于未经过超声 波沖击处理的焊缝中的压应力及强度，以对导致工作中裂缝的外部工 作力进行补偿。
11. 如权利要求10所述的焊缝，其中所述超声波冲击处理包括 对所述焊缝的焊边的超声波沖击以及在处理塑性变形期间提供负载侧 上的负载承载部分以产生并分布所述压应力。
12. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括具有在塑性变形 区域中深达至少约2mm的压应力以及在弹性变形区域中足以补偿张 应力的残余影响的相应压应力的焊缝，以及通过对所述焊缝进行超声 波沖击处理获得的特性，其中所述处理的参数包括超声波冲击工具的大于零到约10kg的压力， 大于零到约500Hz的超声波沖击频率， 超声波冲击至少约lms的平均持续时段， 大于零到约100kHz的超声波栽波频率， 在冲击期间压头至少约30fim的超声波振荡振幅，以及 至少约0.2mm的冲击振幅。
13. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括在所述焊缝内达 到1>1^>-1的值的变形补偿，其中Ko是工具痕重叠系数，以及通过 对所述焊缝进行超声波冲击处理获得的特性，其中所述处理的参数包 括超声波沖击工具的至少约4kg的压力， 至少约100Hz的超声波冲击频率， 至少约0.2mm的冲击振幅， 至少约lms的平均冲击持续时段， 至少约15kHz的超声波载波频率，在冲击期间当所述焊缝由钢或钢合金制成时至少约30nm的超声 波振动振幅以及当所述焊缝由具有高达约235MPa的屈服强度的铝合 金或金属制成时约30fim或更小的超声波振动振幅。
14. 如权利要求13所述的焊缝，其中所述特性包括通过随后对 残余焊接应力的超声波释放、或对焊接金属的超声波塑性变形以及再 分布，对残余焊接应变的改变以产生刚性安装。
15. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括 不大于所述焊缝的屈服强度的0.5的残余应力， 不大于对所述焊缝特定的尺寸公差的100%的残余焊接应变，并且所述焊缝的疲劳强度不小于所述焊缝中的基础金属的疲劳强度，其中所述焊缝的超声波冲击处理的参数包括在手动处理时通过钢压头作用于超声波冲击工具上的压力至少约为3kg，而在机械处理时大于零到约20kg, 至少约0.2mm的超声波冲击频率， 至少约15kHz的压头超声波振动的载波频率，以及 在处理期间当金属的温度高于环境温度时在冲击期间至少约20|im的超声波振动振幅以及在处理期间当金属的温度等于或约等于环境温度时约30nm的超声波振动振幅。
16. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括构造为角焊缝的钢焊缝，其具有用于焊缝的焊接金属的钝侧角，所述角焊缝基于对所 述焊缝进行超声波沖击处理可抵抗根部裂缝，其中所述处理的参数包括在手动处理期间超声波冲击工具的至少约3kg的压力或在机械处 理期间至少约25kg的压力，大于零到约800Hz的超声波频率， 至少约0.2mm的超声波沖击振幅， 至少约18kHz的超声波振动载波频率，在高达约400°C的温度下在冲击期间大于零到约20jim的超声波振动振幅，以及至少约lms的平均超声波沖击时段，由此在角焊缝中在凸缘与腹板之间再分布焊接金属。
17. 如权利要求16所述的焊缝，其中所述超声波处理为所述焊 缝提供弯月并融合尖锐边缘，使得在所述处理之后的凝固时在所述焊 缝的焊料与基础金属之间提供平滑过渡部分，其增大抵抗应力集中及 在焊料根部形成疲劳裂缝的焊缝特性至大于所述焊缝在处理之前的水 平。
18. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括通过对点焊焊缝 进行超声波沖击处理而转移张应力的碳钢或铝合金点焊焊缝，其中所 述处理的参数包括至少约80Hz的超声波冲击频率，在至少约0.2mm的振幅下至少约lms的平均冲击持续时段， 冲击期间大于零到约100kHz的压头超声波振动载波频率， 冲击期间在约5-40nm范围内的超声波振动振幅，以及 冲击工具上约3-i30kg的压力。
19. 一种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括通过对焊缝进行 超声波冲击处理而具有抵抗焊接端部裂缝的定位焊或搭焊的碳钢或铝 合金焊缝，其中所述处理的参数包括大于零到约2000Hz的超声波沖击频率， 超声波冲击至少约lms的平均持续时段， 至少约0.2mm的冲击振幅， 至少约18kHz的压头超声波振动载波频率， 在冲击期间对碳钢至少约25nm的压头超声波振动振幅以及对铝 合金大于零到约30fim的压头超声波振动振幅，以及 超声波冲击工具抵抗处理表面的至少约3kg的压力。
20. —种由超声波沖击处理的不可拆焊缝，包括通过对角焊缝进 行超声波冲击处理而具有增大至少l.3倍的疲劳极限的碳钢或铝合金角焊缝，其中所述处理的参数包括大于零到约1200Hz的超声波沖击频率， 超声波沖击的至少约lms的平均持续时段， 至少约0.2mm的超声波冲击振幅，在冲击期间对于碳钢至少约2^m的压头超声波振动振幅以及对 铝合金不大于约30nm的压头超声波振动振幅，超声波冲击工具抵抗所述焊缝的处理表面的至少约3kg的压力。
21. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括通过对焊缝进行 超声波冲击处理、基于结晶化及再结晶化在焊料的全部方向上具有焊 接金属结构相变均一性的焊缝，其中所述处理的参数包括超声波冲击工具的约0.1-50kg的压力， 换能器的约10-800kHz的超声波振动载波频率， 无负载状态下以及在载波频率下超声波工具沖击期间的约0.5-120nm的超声波振动振幅，超声波冲击工具的约0.05-5mm的自振荡振幅，以及 超声波冲击的至少约lms的平均持续时段。
22. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括通过对焊缝进行 超声波冲击处理而获得的具有激励结晶化及对脆性破裂具有抵抗性的 焊料的铁素体钢焊缝，其中所述处理的参数包括大于零至约2500Hz的超声波冲击频率， 至少约0.2mm的超声波冲击振幅， 超声波冲击至少约lms的平均持续时段， 至少约15kHz的超声波振动载波频率，在冲击期间对于不处于环境温度的金属的至少约l5nm的超声波 振动振幅，以及对于处于或约等于环境温度的金属进行处理的至少约 30[im的超声波振动振幅，以及对于手动处理的超声波冲击工具抵抗处理表面的至少约5kg的压 力或对于机械处理至少约10kg的压力。
23. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，基于对焊缝进行超声 波冲击处理，包括通过超声波沖击修改的焊缝以将对应力腐蚀的抵抗 性增大至大于未通过超声波冲击处理的水平的焊缝，其中所述处理的 参数包括大于零至约500Hz的超声波冲击频率， 至少约0.5mm的超声波冲击振幅， 超声波冲击至少约lms的平均持续时段， 至少约15kHz的超声波振动载波频率， 在冲击期间至少约20nm的超声波振动振幅，以及 超声波冲击工具抵抗处理表面的至少约5kg的压力。
24. 如权利要求23所述的焊缝，其中所述焊缝具有在0.8mm的 取样长度中不小于约5nm的表面粗糙度，在2.5mm的取样长度中不 小于约15fun的波度，不小于焊缝的屈服强度的压应力，塑性变形以 及引起的残余应力的不小于约1.5mm的深度，至少大于未经处理情 况2倍的腐蚀抵抗性，以及焊缝不小于未处理焊缝的约1.3倍的腐蚀 疲劳强度。
25. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括焊缝结构，其在 所述结构中具有至少一个裂缝妨碍孔，所述至少 一个裂缝妨碍孔在包 围所述至少一个孔的结构中具有压应力，其中对包括所述至少一个裂 缝妨碍孔的所述焊缝结构进行超声波冲击处理的参数包括大于零至约500Hz的超声波沖击频率， 至少约0.5mm的超声波冲击振幅， 超声波沖击至少约lms的平均持续时段， 至少约15kHz的超声波振动载波频率， 在冲击期间至少约30jun的超声波振动振幅，以及 超声波冲击工具抵抗处理表面的至少约5kg的压力。
26. —种由超声波沖击处理的不可拆焊缝，包括结构组合，该结 构组合包括具有支架及面板的焊缝，其中在所述支架与所述面板之间 存在圆角开槽，所述结构组合具有当未经过超声波冲击处理时的结构 组合至少1.3倍的疲劳强度，其中对所述结构组合的所述超声波沖击 处理处于以下参数内，包括 大于零至约300Hz的超声波沖击频率， 至少约0.5mm的超声波冲击振幅， 超声波冲击至少约1ms的平均持续时段， 至少约15kHz的超声波振动载波频率， 在冲击期间至少约3(Him的超声波振动振幅，以及 超声波沖击工具抵抗处理表面的至少约3kg的压力。
27. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括基于对焊缝的超 声波冲击处理获得的具有减小的马氏体解体的焊缝，所述处理的下参 数包括大于零至约800Hz的超声波冲击频率， 至少约0.5mm的超声波冲击振幅， 超声波冲击至少约1ms的平均持续时段， 至少约15kHz的超声波振动栽波频率， 至少约30nm的超声波冲击，以及 超声波沖击工具抵抗处理表面的至少约10kg的压力。
28. —种由超声波冲击处理的不可拆焊缝，包括其上具有涂层的 焊缝，所述涂层基于超声波冲击处理可抵抗裂缝，其中所述处理具有 的参数包括大于零至约1500Hz的超声波沖击频率， 至少约1mm的超声波冲击振幅， 超声波冲击至少约1ms的平均持续时段， 至少约20kHz的超声波振动载波频率， 在冲击期间大于零至约30jim的超声波振动振幅， 在各个超声波冲击工具痕之间的边界处的不大于涂层破坏强度的 接触压力及应力梯度，以及在超声波冲击工具上抵抗表面的至少约3kg的压力。
29. —种分析并选择对焊缝进行处理以具有一种或更多种预定特 性的超声波冲击处理的方法，包括(1) 限定形成焊缝的材料以及所述焊缝本身的处理前特性；(2) 限定(1)的特性对将为所述焊缝提供的处理后特性的一致性；(3) 限定就将为所述焊缝提供的所述处理后特性而言对所述焊 缝产生影响的物理因素；(4) 限定超声波冲击处理为所述烊缝提供所述处理后特性的正 面结果标准及影响；(5) 限定就为所述焊缝提供所述处理后特性而言对所述焊缝进 行超声波冲击处理的方式，包括与换能器、超声波冲击、压头压力、 机械特性以及待处理的材料声学特性参数一起限定超声波冲击处理条件；并且(6) 根据在(1)至(5)中建立的限定在所述焊缝上进行超声 波冲击处理。
30. 如权利要求29所述的方法，其中(3)中所述的物理因素包 括由低频冲击引起的一个或更多塑性变形、在所述冲击处理期间的超 声波塑性变形、在所述焊缝材料中的超声波应力波的振幅及衰减、以 及超声波沖击期间于接触点处的温度及排热率。
31. 如权利要求29所述的方法，其中(2)中所述的处理后特性 包括一个或更多几何学精度、其残余应变及名义尺寸公差、在焊缝的 体积内及焊缝材料的结构部分内平衡的残余应力、可接受的应力集中 水平以及与焊缝的负栽承栽能力相关的局部应力集中结构、在低循环 及高循环反向波动负栽下的疲劳极限以及疲劳强度、对腐蚀的疲劳极 限以及抵抗性以及在低循环及高循环反向波动负栽下在恶劣环境中的 腐蚀疲劳失效以及所述焊缝的特性。
32. 如权利要求29所述的方法，其中(4)中所述的标准包括一 个或更多引起的残余应力及应变水平；对焊缝的表面及过渡区域的释 放、粗糙度及几何形状的改变以及对处理区域中的材料的特性的改 变；对在沖击处理之前在制造焊缝期间产生的残余应力的释放及再分 布；以及就对工作负载的抵抗性的类型及条件而言对焊缝的改变。
33. 如权利要求29所述的方法，其中(5)中所述的参数包括以 下中的一个或多个在约0.1-50kg范围内的超声波冲击工具上的压 力；在约10-800kHz之间的换能器的载波超声波频率；在所述载波频 率下在约0.5-120nm之间的超声波振动的振幅；在约5-2500Hz之间 的工具的超声波冲击频率及自振荡频率，其中随机超声波沖击的持续 时段处于约2-50个载波超声波频率下的振动周期的范围内；在约0.5-5mm之间的工具的自振荡振幅；处于要求保护参数范围内的自由轴 向移动压头与工具换能器之间的连接水平；着眼于材料及焊缝的目 的、特性及尺寸要求而选择的所述参数范围内的自由超声波冲击。
34. —种对不可拆焊接结构进行处理的方法，包括(a ) 使不可拆焊接结构中的焊料的至少一部分承受通过超声波 冲击工具产生的重复超声波冲击以在所述焊料中引起受控塑性变形并结构中的一种或更多材料特性； ^ ' '(b )通过控制所述重复超声波冲击的一个或更多选择参数来获 得(a)的材料特性，所述选择的参数从由以下参数构成的组的一个或更多参数中选择(1) 在约0.1-50kg的范围内的所述超声波沖击工具上的压力；(2) 在约10-800kHz之间的所述超声波冲击工具的超声波频率；(3) 在约0.5-12(Him之间的所述超声波沖击的振动的振幅；(4) 在约5-2500Hz之间的所述超声波冲击工具的超声波频率 以及所述超声波冲击工具的自振荡频率，其中超声波沖击的持续时段 在约2-50个载波超声波频率下的振动周期的范围内；(5) 在约0.05-5mm之间的所述超声波冲击工具的自振荡振幅；(6) 在参数(1) - (5)内作用的所述超声波沖击工具的自由 轴向移动压头与所述超声波冲击工具的换能器之间的连接水平；以及(7) 基于所述焊接结构的目的、特性及尺寸而落入参数(1) -(5)的范围内的自由超声波冲击。
35. —种对不可拆焊缝的超声波冲击处理进行超声波冲击调节的 方法，包括综合控制所述处理的自由超声波冲击的参数，其中所述 参数是所述自由超声波冲击的压力、振幅、频率以及持续时段以及对 因冲击导致的换能器振动的控制。
36. —种对焊缝进行结构再设置的方法，包括使所述焊缝的至 少一部分承受随机超声波冲击，同时以使能量以重复率进行冲击并在 冲击之间暂停的方式来控制所述超声波冲击的振幅、时长及重复率， 所述暂停足以对材料状态进行释放，并可用于下一次冲击，其中最小 抵抗力不超过当材料处于静止状态时材料中的内部损耗。
37. 如权利要求34所述的方法，其中所述焊接结构从以下结构 构成的组中选择对焊、填角焊、搭焊、窄缝焊、点焊以及焊缝结构 中的孔。
38. 如权利要求35所述的方法，其中所述焊接结构从以下结构 构成的组中选择对焊、填角焊、搭焊、窄缝焊、点焊以及焊缝结构 中的孔。
39. 如权利要求36所述的方法，其中所述焊接结构从以下结构 构成的组中选择对焊、填角焊、搭焊、窄缝焊、点焊以及焊缝结构 中的孔。
40. 如权利要求34所述的方法，其中受影响的所述材料特性是 从以下特性构成的组中选择的一种或更多种特性表面粗糙度及起伏 度、表面之间存在的半径、焊边线或应力集中区域的表面之间的线处 的槽的深度、所述槽的宽度、沖击强度、塑性变形、压应力、超声波 波动应力、残余应力、应力腐蚀、形成白层/非晶结构、以及腐蚀疲劳。
全文摘要
描述了一种不可拆焊缝，具有特定新的或改进的特性，以及通过超声波冲击处理提供这种不可拆焊缝，其中涉及选择处理参数以控制预定特性的形成，由此基于焊缝的目标任务为焊缝提供改进的质量及可靠性。处理参数包括超声波冲击重复率及时长、抵抗表面作用在超声波冲击工具上的压力、以及冲击振幅。在图3中图形地示出这些参数中的一些。
文档编号B23K13/00GK101124063SQ200580047104
公开日2008年2月13日 申请日期2005年11月14日 优先权日2004年11月23日
发明者E·S·斯塔特尼科夫 申请人:U.I.T.有限责任公司