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橋梁疲勞延壽新技術：Needle Peening

2018-07-16 11:39:58 作者：本網整理來源：金屬材料科學與技術分享至：

明尼蘇達大橋最近倒塌，提醒我們在日常工作中質量設計、制造和檢查的重要性。

NTSB將進行充分的調查和報告，但由于事故涉及腐蝕和疲勞開裂信息，它也提出了一個問題，例如噴丸技術是否可能已經用于這種類型的焊接結構。

電子公司參考圖書館有超過120篇關于噴丸焊接結構的論文。我想借此機會看一個特殊的技術的優點，稱為應力聲波噴丸，可以延長焊接金屬結構的疲勞壽命。

延長疲勞壽命程序在航空航天結構中是常見的，并已成功地應用于幾乎每一個主要艦隊。程序的第一步是評估關鍵位置的損壞，并決定采取何種行動。當光損傷被發現時，它通常被去除，部分以某種方式強化。當損傷太大時，只需簡單地更換零件即可。修理損壞或更換零件可能非常昂貴。這樣一個程序的關鍵是在顯著損傷發生之前進行改進。該方法必須是預防性的，而不是糾正，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長焊接金屬結構的壽命。

噴丸是提高疲勞壽命的最佳預防措施之一。與更換或加固結構相比，它非常便宜，可以多次延長構件或部件的壽命。為了顯著提高疲勞壽命，必須在裂紋萌生階段進行噴丸處理。當裂紋開始時，噴丸產生的壓縮殘余應力會減緩裂紋的形成。如果裂紋長度超過壓縮層，則噴丸作用就不大了。幸運的是，裂紋的萌生階段通常比擴展階段長2到3倍（見圖1）。這為應用噴丸程序提供了很多機會。

研究已經表明，通過在固定間隔內重新噴丸，部件的疲勞壽命比單個噴丸應用延長。無論是飛機結構還是在許多橋梁中使用的焊接金屬結構，這是疲勞延壽的目標。

由于接入限制，橋梁焊接結構噴丸需要小型便攜設備，易于使用，產生深的壓縮殘余應力，并且不會留下可能污染環境的介質。Sonats發明了一種“StressVoyager”，通過壓電傳感器將能量傳遞給機械振動。該傳感器在超聲頻率（20-40kHz）振動，但具有非常小的位移。因此，位移通過一系列增壓器被放大，以便為執行噴丸的針頭提供有用的機械運動。

StressVoyager 的中心單元重量約為44磅，并且經常在小輪上移動，如圖3所示。它需要正常的1V電流和少量的壓縮空氣來冷卻噴丸針頭。噴丸槍的重量大約是9磅，感覺就像一個大鉆。針頭安裝在槍尖以進行實際噴丸（圖4）。

根據應用，可以使用不同尺寸的噴丸針和頭部幾何形狀。例如，一個特殊的角度頭已經設計用于有限的訪問位置。較大的針頭，也稱為“球狀”，直徑為0.197英寸，可以產生0.028C以上的強度。

用StressVoyager噴出代表性的焊接鋼結構的接頭。使用0.157英寸直徑的球體進行噴丸處理，覆蓋率為100%。為了獲得最佳的效益和足夠的覆蓋范圍，每個焊趾以及焊縫兩側的板的3×4英寸均被處理。

用噴丸處理后的殘余應力分布采用X射線衍射測量。結果可以在圖5中看到。結果表明，在表面上的深壓縮應力水平（-45 kSi）和壓縮的總深度大約為0.070英寸。這種大深度的壓縮確保噴丸在裂紋萌生時是有效的。

焊接試樣的疲勞試驗證實了噴丸過程的有效性。在“焊接”和“針刺硬化”條件下對試樣的疲勞壽命進行了評估。在60kSi的δ應力水平下，噴丸處理在焊接條件下提供15X的疲勞壽命改善。但是，這種效果會隨著應力水平的增加逐漸變小，但在橋梁中通常看到的較低的應力水平更為重要。

這種疲勞數據也可以從不同的角度來看待。聯邦公路管理局統計（參考文獻4）報告表明在過去35年里美國公路上重型卡車的重量不斷增加。針尖敲擊可以用來補償這樣的重量增加。對于固定數量的循環，圖6表明噴丸可以承受更高的應力水平。在1000萬個循環中，例如，噴丸可以承受單獨焊接的應力水平增加68%。在橋梁上使用噴丸將以非常低的成本導致安全水平的提高。

現代飛機機翼壁板數字化噴丸成形技術作者：楊永紅，吳建軍，喬明杰　著當當廣告購買StressVoyager噴丸是一種偉大的技術，它可以重建或延長橋梁和其他焊接結構的使用壽命。最好的和最劃算的方法是在初始制造過程中對焊縫進行針尖噴丸或在退化變得太顯著之前作為預防措施。