桥梁疲劳延寿新技术：Needle Peening

2018-07-16 11:39:58 作者：本网整理来源：金属材料科学与技术分享至：

明尼苏达大桥最近倒塌，提醒我们在日常工作中质量设计、制造和检查的重要性。

NTSB将进行充分的调查和报告，但由于事故涉及腐蚀和疲劳开裂信息，它也提出了一个问题，例如喷丸技术是否可能已经用于这种类型的焊接结构。

电子公司参考图书馆有超过120篇关于喷丸焊接结构的论文。我想借此机会看一个特殊的技术的优点，称为应力声波喷丸，可以延长焊接金属结构的疲劳寿命。

延长疲劳寿命程序在航空航天结构中是常见的，并已成功地应用于几乎每一个主要舰队。程序的第一步是评估关键位置的损坏，并决定采取何种行动。当光损伤被发现时，它通常被去除，部分以某种方式强化。当损伤太大时，只需简单地更换零件即可。修理损坏或更换零件可能非常昂贵。这样一个程序的关键是在显着损伤发生之前进行改进。该方法必须是预防性的，而不是纠正，以最大限度地降低成本和提升效益。在航空航天中使用的方法也可用于延长焊接金属结构的寿命。

喷丸是提高疲劳寿命的最佳预防措施之一。与更换或加固结构相比，它非常便宜，可以多次延长构件或部件的寿命。为了显着提高疲劳寿命，必须在裂纹萌生阶段进行喷丸处理。当裂纹开始时，喷丸产生的压缩残余应力会减缓裂纹的形成。如果裂纹长度超过压缩层，则喷丸作用就不大了。幸运的是，裂纹的萌生阶段通常比扩展阶段长2到3倍（见图1）。这为应用喷丸程序提供了很多机会。

研究已经表明，通过在固定间隔内重新喷丸，部件的疲劳寿命比单个喷丸应用延长。无论是飞机结构还是在许多桥梁中使用的焊接金属结构，这是疲劳延寿的目标。

由于接入限制，桥梁焊接结构喷丸需要小型便携设备，易于使用，产生深的压缩残余应力，并且不会留下可能污染环境的介质。Sonats发明了一种“StressVoyager”，通过压电传感器将能量传递给机械振动。该传感器在超声频率（20-40kHz）振动，但具有非常小的位移。因此，位移通过一系列增压器被放大，以便为执行喷丸的针头提供有用的机械运动。

StressVoyager 的中心单元重量约为44磅，并且经常在小轮上移动，如图3所示。它需要正常的1V电流和少量的压缩空气来冷却喷丸针头。喷丸枪的重量大约是9磅，感觉就像一个大钻。针头安装在枪尖以进行实际喷丸（图4）。

根据应用，可以使用不同尺寸的喷丸针和头部几何形状。例如，一个特殊的角度头已经设计用于有限的访问位置。较大的针头，也称为“球状”，直径为0.197英寸，可以产生0.028C以上的强度。

用StressVoyager喷出代表性的焊接钢结构的接头。使用0.157英寸直径的球体进行喷丸处理，覆盖率为100%。为了获得最佳的效益和足够的覆盖范围，每个焊趾以及焊缝两侧的板的3×4英寸均被处理。

用喷丸处理后的残余应力分布采用X射线衍射测量。结果可以在图5中看到。结果表明，在表面上的深压缩应力水平（-45 kSi）和压缩的总深度大约为0.070英寸。这种大深度的压缩确保喷丸在裂纹萌生时是有效的。

焊接试样的疲劳试验证实了喷丸过程的有效性。在“焊接”和“针刺硬化”条件下对试样的疲劳寿命进行了评估。在60kSi的δ应力水平下，喷丸处理在焊接条件下提供15X的疲劳寿命改善。但是，这种效果会随着应力水平的增加逐渐变小，但在桥梁中通常看到的较低的应力水平更为重要。

这种疲劳数据也可以从不同的角度来看待。联邦公路管理局统计（参考文献4）报告表明在过去35年里美国公路上重型卡车的重量不断增加。针尖敲击可以用来补偿这样的重量增加。对于固定数量的循环，图6表明喷丸可以承受更高的应力水平。在1000万个循环中，例如，喷丸可以承受单独焊接的应力水平增加68%。在桥梁上使用喷丸将以非常低的成本导致安全水平的提高。

现代飞机机翼壁板数字化喷丸成形技术作者：杨永红，吴建军，乔明杰　着当当广告购买StressVoyager喷丸是一种伟大的技术，它可以重建或延长桥梁和其他焊接结构的使用寿命。最好的和最划算的方法是在初始制造过程中对焊缝进行针尖喷丸或在退化变得太显着之前作为预防措施。