TWI353904B - Welded joints with new properties and provision of - Google Patents

Description

1353904 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於具有新強度與過程所造成之性質的焊接結 合，及藉由超音波衝擊處理απτ)提供此性質予焊接結合的 過程。本發明的焊接結合具有改良焊接結合之品質與可靠 度的特定性質。在焊接結合中，待獲得或增強的性質是根 據焊接結合待服務的任務而界定，諸如品質、可靠度與可 製造性的領域。 【先前技術】 美國專利6,171,415 B1與6, 338, 765 B1號說明使用 脈波衝擊能量-特別是超音波衝擊能量-於焊接結構處理的 超音波衝擊方法。這些專利教導依據隨機超音波衝擊處理 以用於焊接結構的製造與維修處理。超音波換能器的頻率 與振幅是衝擊的基本特點。嚴格（striction)回授信號允許 選擇足夠及需要的參數，以獲得特定的處理效應。 現在已經發現欲使焊接結合結構的性質客製化。鑑於 進一步增強接合的品質與可靠度之特殊任務與對應的接合 結構，此對於焊接結合特別有利。 【發明内容】. 因此，本發明關於具有改良的性質之不可拆卸的焊接 結合及當焊接結合承受超音波衝擊時提供此性質予焊接結 合。鑑於焊接結合企圖執行的特殊任務，新的結構性質在 焊接結合中獲得。此處的說明的提出是關於焊接結合。然 而，等效的不可拆卸的焊接結構也可以依據此處說明的本 5 r1353904 發明而處理，且此處說明的工程解決方案可以應用於任何 其他等效的不可拆卸的焊接結合及藉以形成的結構。 本發明也涉及用於施加在具有新及預定性質的焊接結 合及結構上之超音波衝擊應用的參數選擇。 如在美國專利6,171,415 B1與6,338,765 B1號中說 明的工程解決方案，本發明也利用隨機超音波衝擊以處理 焊接結合。然而，本發明顯示，某些超音波衝擊處理參數 一起改良焊接結構-特別是焊接結合-的技術性質。這些參 • 數包括（1)超音波衝擊的重複率與長度（或持續時間），（2) 施加在頂住處理表面的超音波衝擊工具上的壓力或壓力及 (3)衝擊振幅。本發明的超音波衝擊處理的新狀況也涉及用 - 於激發超音波換能器-其在超音波衝擊工具的壓痕器中產生 . 載體超音波振盪頻率-之標準參數範圍的延伸。鑑於接合待 服務的任務，這些參數的某一組合使得可在焊接結合中獲 得新性質或修改現有的性質。用於超音波衝擊處理的所選 擇的參數控制超音波衝擊且產生所需的狀況，以界定用於 ® 焊接結構的品質與可靠度標準，及獲得適用於服務焊接結 構的預定任務之焊接結構性質。 本發明可用於任何型式的不可拆卸的焊接結構，但是 主要提供焊接結合以導致可觀的性能增強的性質。本發明 的焊接結合結構的例子包括高強度鋼中的焊接結合；具備 應力集中的焊接結合；承受不平衡負載的焊接結合；具有 缺陷或損壞區域-諸如裂痕-的焊接結合；需要預定製造精 確度的焊接結合；已修理的焊接結合；需要修理的焊接結 6 1353904 合；搭接接合；用於接合的定位焊接；隅角焊接結合；易 於形成熔離、粗顆粒與孔的焊接結合；藉由初步加熱製成 的焊接結合；具有預定的應力腐蝕抗力的焊接結合；具備 孔的焊接結合；托架或硬化器中的焊接結合；及易於形成 麻田散鐵的焊接結合。 【實施方式】 超音波衝擊處理利用超音波換能器的激發所造成的振 動。如圖1所示，振動發生在一界定時間的某一振幅。當 • 換能器引動時可以強迫發生振動，或在暫停期間無振動。 在無振動期間，振幅將隨著時間減小。如圖2所示，圖1 所示的振動隨機傳送力脈衝至一軸向自由移動的衝擊元件 • 或壓痕器。超音波換能器的強迫振動-如圖1所示-中斷， . 以獲得超音波換能器在負載下的自由振動的資訊，及修正 振盪器操作模式。此資訊的來源是在暫停期間自主動元件 的繞組或電極輸送的回授信號。注意，此原則對於使用在 超音波換能器中的全部型式的主動材料-特別是磁致伸縮或 ® 壓力陶瓷式-而言保持通用。為了分析與修正發電機及換能 器的操作，通常產生嚴格回授信號（如1981年3月30日的 俄羅斯專利817931號所述）。於是，為了依據用於特殊焊 接結合的任務選擇超音波衝擊處理狀況，使用嚴格回授信 號，且針對在解除負載與施加負載狀況下的換能器振動的 頻率與振幅而調諧技術系統。 除了超音波換能器振動參數-其在超音波衝擊處理時是 重要的-以外，現在已經決定，超音波衝擊的相關參數在藉 7 1353904 由接合的超音波衝擊材料獲得或修改何拆卸的焊接处人 之性質與-於是-特徵時是重要的。經由殊定參數的選^ 這些參數的最佳化’可以獲得具有料的改良性質的焊接 結合。超音波換能器振動參數與超音波衝擊參數的選擇是 根據換能器-壓痕器-處理物件振H㈣㈣特徵其^ 特徵與處理時施加在接合的壓力、接合材料的物理與機械 性質、接合本㈣聲學性質相關。圖3输示本發明如何導 致超音波衝擊延長，於是改&傳送至_處理物件的超音波 能量的效率，以在焊接結合與結構中獲得新預定性質Y因 此，超音波衝擊效率標準直接影響接合材料與超音波衝擊 的相關長度、頻率與振幅參數。 此聲學與機械系統的參數提供用於在焊接結合結構中 獲得新或修改的性質的鏈接。決定選擇參數的正確組合的 過程涉及： (a) 界定焊接的實際物理性質與形成焊接結合的材 料， (b) 界定（a)的性質與欲滿足用於一特定接合之品質與 可靠度需求的性質之間的一致性， (c) 界定在提供所欲的性質至接合的程序中由烊接結 合的超音波衝擊處理所致的物理因素， (d) 界定超音波衝擊處理對於提供所欲的接合性質之 效應的標準， (e) 界定超音波衝擊處理的狀況以提供所欲的接合性 質， 8 1353904 (f) 界定與換能器、超音波衝擊、壓痕器、壓力、所 處理的接合材料之機械性質與聲學特徵的參數組合的超音 波衝擊處理狀況，及 (g) 依據以上建立的界定，執行超音波衝擊處理於接 合0 關於上述，更特別地，為了藉由超音波衝擊處理提供 不可拆卸的焊接結合以預定的新或修改的性質，待處理的 焊接結合的實際物理性質起初由傳統測試技術決定。 • 然後，處理以後的焊接結合之所欲性質-關於它們與處 理以前的焊接結合之性質的不同-必須界定與評估。此可藉 由本發明稍後提到的算法或一系列程序步驟達成，以達成 - 所欲目的。算法大體上包括（1)界定接合材料的實際性質與 . 特定需求之一致性；（2)界定一焊接結合的超音波衝擊處理 的物理因素與機構；（3)界定決定所欲的焊接結合品質與可 靠度的標準；（4)界定一焊接結合的超音波衝擊處理的基本 標準；（5)界定用於提供不可拆卸的焊接結合以所欲性質之 ® 超音波衝擊處理的參數，及（6)決定用以提供預定性質之焊 接結合的超音波衝擊處理的結果。本發明的算法更詳細說 明如後。更特別地，算法涉及起初決定待處理之不可拆卸 的焊接結合的實際性質與鑑於接合待服務的任務所致之接 合的所欲性質的一致性，及符合一組獲得焊接結合的所欲 性質所需的超音波衝擊處理參數。 焊接結合的超音波衝擊處理的物理因素與機構包括低 頻衝擊造成的塑性變形；衝擊期間的超音波塑性變形；當 9 -層（其飽和㈣頻衝擊產生的塑性變形與超音波塑性變形） 的超音波振動在衝擊期間發生時，在一既定接合的材y中 <超音應力波的振幅與衰減（阻尼的減量）；及衝擊期間在 接觸點的溫度與排熱率。 決定所欲的焊接結合品質與可靠度的標準包括幾何精 確度；餘留變形與它們的公稱尺寸公差；在接合的體積^ 接合材料的結構區段中平衡的餘留應力；可接受的應力集 中位準與料接合的負載載運能力之應力提升器的構造； 在低循裱與高循環逆向及變動負載下的疲勞限度與疲勞抗 力；及在低循環與高循環逆向及變動負載下的有害環境申 之疲勞限度與腐姓抗力及腐触_疲勞失效，以及焊接結合材 料的性質。 焊接結合的超音波衝擊處理效應的基本標準包括所造 成的餘留應力與變料位準；表面射的過渡區域之離隙、 粗度與幾何形狀修改及處理區域中的材料性質的修改；超 音波衝擊處理以冑由一既定接合的製造技術產生的餘留應 力的鬆他與S分佈；及接合的型式與它對S服務負載之抗 力狀況的修改。 用於提供不可拆卸的焊接結合以所欲性質之超音波衝 擊處理的參數包括⑴在約0.1至5G公斤的範圍内之超音 波衝擊工具上的壓力’⑵在約1G與8GG千赫之間的換能 器的載體超音波頻率，（3)在約0.5與120微米之間的載體 超音波頻率的超音波振動振幅，（4)在約5與2500赫之間 • v'壓痕器系統的超音波衝擊頻率與自振盧頻率，而隨 1353904 機超音波衝擊的持續時間於載體超音波頻率是在約2至5〇 振動週期的範園内’⑸在0 05與5公厘之間的工具的自 .. 振1振肖（6)工具的自由轴向移動的壓痕器與換能器之間 • 的連接位準，其依上述ϋΙΤ參數的範園而定，及⑺依據任 冑、材料的性質與尺寸及焊接結合而將參數Μ在上述範 圍内的自由超音波衝擊。 用以提供預足性質之焊接結合的超音波衝擊處理結果 包括下列正向改變至少之〜·約G.1冑米與以上的表面粗 度與離隙’約〇· 5公厘與以上的表面之間的半徑；到達约2 公厘的沿著烊接趾部線或應力集中區域中的任何表面之間 的溝槽深度’而溝槽寬度到達約1〇公厘；應力集中區域中 " 之材料機械強度的改良，強度不小於約1.5倍，且衝擊強 ' 度不小於约h2倍；塑性變形、到達約7公厘深度之有利 的壓縮應力及微硬度的有利的相對改變；到達1〇公厘深度 的與表面正交之剖面中的材料塑性變形所致的彈性壓縮應 φ 力分佈；到達約12公厘深度的超音波變動應力波所致之過 轾造成的餘留應力的鬆弛，而振幅不小於材料降伏強度的 約0.05;不小於材料降伏強度與極限強度之在表面上與表 面下的特定深度之第一與二種有利的餘留應力，依任務的 定義而定；不小於不施加UIT而發生者的約40%之對於餘留 過程造成的變形的補償，而應力腐蝕抗力的改良到達約1〇 倍；到達約2.5倍之腐蝕-疲勞強度的改良與在可變負載下 到達約20倍的腐蝕環境中的壽命延長；不小於約15倍的 在重複或變動應力下之空氣中的疲勞限度的改良與不小於 11 1353904 約10倍的壽命延長，接合強度的增加不小於1類別；不小 於約50微米深度的—白層與一無定形結構的形成。 不可拆卸的焊接結合可以由任何接合材料，利用超音 波衝擊處理（使所接合的材料介㈣合或料合，使用或不 使用充填材料)製成，且在聚集物或任何組合中可含有焊接 材料、-材料在另-材料中的固體溶液的過渡區、及相對 於接合與未接合的材料結構與變形模式變換的區^不可拆 卸的接合可以由對接、填角、搭接、狹窄間隙或點焊接及 沿著任何既定形狀的結構元件的孔隙而使用或不使用完 全、部分或不完全穿刺、使用或不使用邊緣穿刺的焊接製 成，且藉由改變手段而產生，例如，電弧、電阻、雷射、 電子束、擴散、摩擦、壓力、潛弧、屏蔽金屬、氣體屏蔽、 敞開與㈣焊接、使用充⑽料的烊接、超音波焊接的露 焰、軟焊等。 現在將於以下所述說明本發明的特殊焊接結合。 (A)高強度鋼中的焊接結合 實際上，高強度鋼之使用在焊接結合的製造受限於與 低及平均強度鋼-即，與高強度鋼相比，降伏強度至少低達 一半五疲勞限度高達二倍的低碳與低合金鋼—相比之此鋼製 成的焊接結合的低疲勞抗力。業界了解，這些鋼之間的狀 況邊界是到達500MPa的降伏強度或極限強度值。 所得之本發明的高強度鋼的焊接結合具有_疲勞抗 力，其至少是低及平均強度鋼的二倍高。此繪示於圖4a = 4b。圖4a顯示高強度鋼1、低碳或低合金鋼2的焊接結合 12 及無超音波衝擊處理的高強度鋼3㈣接結合的疲勞限度。 圖4b顯π在超音波衝擊處理以後的高強度鋼4的焊接結合 及在，音波衝擊處理以後的低竣或低合金鋼5的焊接結合 的疲勞限H所示’承受依據本發明的超音波衝擊處理 的材料顯m。高強度鋼與合金製成的焊接結合具有降 伏強度〇 ’在依據本發明所決定的超音波衝擊處理以後， 0>500MPa’且落在以上提出的參數内，以在焊接結合的材 料中提供疲勞限度’其至少比GSOOMPa之鋼與合金的疲 勞限度大30%。 更特別地，為了獲得上述，超音波衝擊處理施加於焊 接趾部的危險的應力集中區域。於是，依據本發明，首先 決足似焊接的接合與基部金屬的特徵。考慮提供可比擬於 不小於500MPa的基部金屬強度之焊接結合的疲勞限度藉 由計算足以產生塑性變形與壓縮應力的衝擊能量，決定超 音波衝擊處理狀況《然後，以實驗方式驗證及修正超音波 衝擊處理狀況，以服務於任務，在约27千赫的振盈系統頻 率及到達約1G公斤的工具壓力，提供不可拆卸的焊接結合 以所欲性質之超音波衝擊處理狀況是如下：不小於約3〇微 米的衝擊期間的超音波換能器振動振幅、在约8〇至25〇赫 範圍内的衝擊頻率、到達约2公厘的工具自振盪振幅、約3 至6. 35公厘的壓痕器直徑、及依焊接結合型式而定的在約 10-35公厘範園内之壓痕器的平均長度或持續時間。以上的 超音波衝擊處理狀況用於強化危險的伸張應力集中區域， 及在其中產生有利的壓縮應力至不小於約2公厘的深度， 13 限度大到約15的因子:材料的降伏強度與疲勞 後的應力集中區域在此狀況，超音波處衝擊處理以 造，溝#㈣成到達约1公厘的規則溝槽的構 供平料财轉接與_金狀間。 且& 合焊麵之包含於谭接結構的製造及所得的接 (Β)具有應力集中的焊接結合 對於具有應力集中及集中因子（依焊接與在烊接趾部的 _邵金屬之間的過渡的幾何形狀而定）的焊接結合而言，在 接°的烊接趾部之材料的物理與機械性質 '操作應力的 性與它們在-應力集中區域的分饰是基本強度與疲勞抗 立依據本發明’焊接結合的獲得是藉由應力集中區域的 超音波衝擊處理，以相對於形成焊接結合的未處理的材料， 良斤處理的坪接結合材料的強度、延展性與衝擊強度至 爯值以上。此外，，焊接結合被修改及適應於外部負載， 為所執行的應力集中區域的超音波衝擊處理在處理區域 中造成有利的餘留壓縮應力。 處理區域的狀況、特徵與性質是由超音波與脈衝塑性 4C形的特性決定，其依超音波衝擊的振幅與長度及在超音 波衝擊處理期間之它們的重複率而定。結果，在應力集中 區域中的焊接結合材料的極限強度與疲勞限度大於形成焊 接結合的材料者。 1353904 在此狀況下的焊接結合的變形模式是由餘留應力愈等 效的塑性及彈性變形界定。超音波衝擊處理所致之超音波 ‘ 冑性變㈣域巾的有利的餘留I縮動科於材料的較大 ·. @公稱降伏點。彈性變形與個㈣彈性應力自與彈性應力 、+銜的餘留壓縮應力的最大值，在處理材料的深度中以指 數形式減小，而在表面上與表面下的餘留及彈性應力的位 準與分佈被建立，以補償環境效應與操作應力。 鲁 冑力集中區域中的應力與變形分佈及依據此處說明的 算法執行超音波衝擊處理所致之此區域中的材料性質改變 顯示在圖5。 眾人皆知，危險的應力集中大體上位在一焊接趾部。 這是因為焊接與基部金屬之間的不利的尖銳過渡、存在於 此區中的明顯的焊接缺陷（諸如重疊、不規則、過切）及由 冷卻時的焊接收縮造成的伸張餘留應力。 依據本發明，藉由形成一溝槽，溝槽邊界的半徑約〇 . 5 • 公厘及更大’寬度大於零且到達約10公厘，深度大於零且 到達约2公厘，依金屬厚度與焊接趾部角而定，超音波衝 擊處理產生平滑的過渡於焊接與基部金屬之間。超音波衝 擊處理狀況界定離隙、溝槽粗度（不小於Ra=75微吋）、所 造成的壓縮應力的大小與本性（不小於材料的極限強度）、 在塑性變形區域中到達不小於約2公厘及在彈性塑性變形 區域中不小於约5公厘的深度之它們的效應、到達不大於 原始狀態的約20%之程度的餘留焊接應力鬆弛。 ^供焊接結合的參數包括在大於零且到達約千赫之 15 頻率的大於零且到達約50微米的衝擊期間的超音波振動振 幅、大於零且到達約500赫的衝擊頻率、約0 2公厘與更 大的工具自振盪振幅、大於零且到達约〇 5的衝擊脈衝的 備用因子、至少約3公斤的壓力 '以上所導致的衝擊能量（其 篱於且足以產生壓縮應力及修改應力集中區域中的材料 極限強度性質，以便大於原始應力和強度性質，且足以補 償外部操作力）。 以上提出的物理因子的組合作用及藉由焊接結合材料 ㈣㈣㈣焊接缺陷的結果’依據在上述狀況下的方法 執行之碳鋼的超音波衝擊處理增加焊接結合的疲勞限度。 (C)承受平衡與不平衡負載的焊接結合 基本需求-其界疋原始狀況時在平衡與不平衡負載下之 焊接結合抗拒失效的能力-是在依據本發明以獲得性質的超 音波衝擊處理以後之這些接合上的負載的不平衡本性。然 而，焊接結合的最後應力狀態將總是依焊接結合上的外部 負載的狀況而定。因此’焊接結合的超音波衝擊處理是依 據本發明的算法及同時依據接合上的平衡或不平衡負載-其 接近實際負載-而執行。 在一既定的焊接結合上之外部負載的位準與本性及所 執行的超音波衝擊處理的相關參數是由適當的狀況決定及 匹配’以補償既料接結合之操作期間造成裂痕形成的因 予的效應》 當作本發明之-部分的超音波衝擊處理的適當性之評 定程序可以提出如下。 16 起初，變換負載-其符合實際負載-在似焊接的狀況施 加至-樣品或實際的淳接結合，且負載所致的應力或等效 ^形由任何傳統手段測量。然後，藉由計算所需的衝擊能 里’決定超音波衝擊處理的參數，以補償應力或變形。发 後，超音波衝擊處理與變換負載-起施加，且用於危險的 操作應力或變形之補償位準是由以前使用的測量程序建 立:如果需要，修正超音波衝擊處理的設計參數，以補償 焊接結合待執行的任務所界定的應力或變形。 平仃於負載而施加的焊接結合的超音波衝擊處理可以 在自由狀態執行於-不固定結構上，或執行於一固定結構 上的剛性輪廓，或在恆定、可變與平衡負載下執行^ 為解決以上說明的問題，用於提供碳結構與不銹鋼及 鋁與鈇合金製成的焊接結合以所欲性質的超音波衝擊處理 的參數包括在大於零且到達約8Q千赫之頻率的大於零且到 達約50微米的衝擊期間的超音波振動振幅、大於零且到達 500赫而普遍的衝擊持續時間平均不大於约i毫秒的衝擊頻 率、約0.2公厘與更大的工具自振盪振幅、不小於約3公 斤的壓力、以上所導致之衝擊能量（其相當於且足以產生壓 縮應力，及修改應力集中區域中的材料極限強度性質，以 大於原始壓縮應力和強度性質，且足以補償外部操作力）。 同時發生的超音波衝擊處理-其導致補償外部因素的危 險效應-所致的負載狀況的改變經由示範性的樑結構顯示在 圖6a與6b。圖6a顯示在不同應力負載下的樑。樑1〇繪示 在靜態負載Fc下的樑。樑u是在循環、變動或動態負載ρν 17 下樑12是在複雜負載-即，Fc+Fv_下。圖此針對各樑ίο、 U,與12 ’顯示應力集區域中的初始應力狀態’以比較超音 波衝擊處理以後的相同樑的應力狀態。 曰 另不範性結構是如圖7a所示的所謂「套節焊接妗 °」°在圖7a中’ 2G指示套節焊接結合，21標示在洋接的 處，時用於接合的超音波衝擊工具。&「套節焊接結合二^ 其是唯-的-的特性是接合通常使用在具有變動與交變負」載 二者而形成焊接結合的材料厚度相當小的結構。在此2況， 依據本發明的應力集中區域的超音波衝擊處理形成—溝 槽溝槽的尺寸與深度不大於約為〇. 15公厘的處理材料的 厚度。圖_示超音波衝擊處理以前與以後的接合。處理 以後’焊接結合具有至少約G 5公厘的半徑22、大於零且到 達約1G公厘的寬度、大於零且到達約2公厘的深度、當總厚 度約4公厘時的約〇15公厘的腹板厚度。 〜予 於疋，應力集中區域中的材料性質的修改導致接合的 應力集中區域中所造成的壓縮應力的特定位準。用於產生 相關於焊接結合尺相此應力與溝槽尺寸及形成套節坪接 、·》β的材料厚度的狀況賦予聚集物中的套節焊接結合以— 在變動與循環負載-其造成應力集中區域中之接合材料的降 2強度以上的應力-下的優良斷裂強度。圖7c比較顯示超 曰波衝擊處理以前與以後的接合的循環應力。因此，在恆 定負載側的焊接趾與負載載運部件的負載狀況與超音波衝 擊處理及/或變動負載的局部化啟始超音波塑性變形、壓縮 應力的產生與分佈及焊接與基部金屬之間的過渡的形成， 18 1353904 =態=變動應力-其由於沿著焊接趾部及/或 -中<基邵金屬的降伏點以上之應力集中而 服務申的裂痕-的影響。 >成 (D)具備缺陷與損壞區域（包括裂痕）的烊接結合 焊接結構的製造與操作的實施展示—獨立群問題並 關聯於具铸接缺陷、材料結構㈣、中央結構損壞與裂 痕的焊接結合之壽命與可靠度的改良。

依據本發明執行的超音波衝擊處理的利益使得可以提 供性質於烊接結合，其中以上的缺陷被制，以導致可靠 的接合。料在此狀況之焊接結合修改而言，重要的是超 Ε»波塑性@形、引人焊接結合的材料中的外力脈衝（衝擊）及 餘留壓縮應力所致的變形，其中對於材料狀關超音波衝 擊效應的這些因子而言，此是在上述參數内。

在修改缺陷的焊接結合時，關鍵性重要的是超音波塑 性變形，即，由引入焊接結合之材料中的衝擊與餘留壓縮 應力造成的變形，其遮蓋上述缺陷，且使操作負載所致的 外力下的它們的發展遲滯。 裂痕是烊接結合材料中的危險的缺陷之最常見例子。 使用不同的裂痕尺寸_實際上-允許界定内部狀況，及模擬 由外力下的其他型式的缺陷產生之失效的初始狀況或階 段。 全部型式的焊接缺陷-包括裂痕-的危險區域是應力集 中區域，如圖8a-8c所示。也顯示在圖8a-8c的是在超音 波衝擊處理造成的歷縮應力場中的缺陷遲滯機構。在圖8a 19 1353904 中，30標示一有缺陷的焊接結合，其在超音波衝擊處理以 前含有-裂痕’且應力存在於彼。圖8b繪示藉由一超音波 衝擊工具31處理有缺陷的區域，以產生-壓縮場。圖8c 繪不超音波衝擊處理以後的焊接結合32及存在於其十的應 力的改變（比較圖8a與8c)。 〜 田張力向量垂直於最大的缺陷區域所投射的平面時， -缺陷展示最嚴重的危險性。在圖8心_示的狀況裂 痕周邊描述應力集中區域。當藉由依據本發明的超音波衝 擊處理使㈣承受壓縮應力場時，此使得可以補償應力集 中區域中之不利㈣應力，及使它們移位至不可能有應力 集中危險的材料區域。 在此狀況，超音波衝擊處理局限在表面上，它的尺寸 足以使可能的張應力移位離開可能的應力集中至一距離'， 其足以在外力作用的不利狀況下維持所得的I縮應力。在 模擬此處說明的缺陷發展與遲滯狀況期間，決定此表面的 尺寸。在此狀況提供所欲的焊接結合之超音波衝擊處理參 數包括下列：大於零且不大於約1G公斤的工具壓力；大於 零且不大於约500赫的超音波衝擊頻率；不小於平均約i 毫秒的超音波衝擊的普遍持續時間；大於零且到達約ι〇〇 千赫之超音波載體頻率，依所處理的材料性質與表面狀況 需求而定；在不小於約3G微米的衝擊期間之壓痕^的超音 波振i振幅；及不小於約〇.2公厘的衝擊振幅。依據過程 而界定且由以上參數與對應的壓痕器質量界定的衝擊能量 設定為在塑性變形區域中產生壓縮應力到達不小於八 20 厘的深度，及在彈性變形區域中到達足以補償張應力的餘 留效應的深度。 如此獲得的新性質與谭接結合材料狀況允許補償在— 既定的焊接結合上之操作負載所致的危險應力效應及當接 合在服務時的缺陷發展的遲滯。 (E)具有特定的製造精確度需求的焊接結合 焊接結合的幾何精確度是基本的品質與可靠度特徵。 依據本發明的超音波衝擊處理的特徵為—具有保證滿足此 基本技術需求之特性的系統。這些特性基本上包括（應力與 變形的）超音波鬆弛、超音波與脈衝塑性變形（材料再分佈） 及壓縮應力的產生（伸張與壓縮應力及變形的再分佈 於是，在一焊接結合中獲得特定精確度的四方式是如 下：（1)依據本發明使用剛性連結（固定位置）執行的超音波 衝擊處理及由固定造成的餘留焊接應力的超音波鬆弛，（2) 無固定的焊接、依據本發明的接合區域中的焊接與基部金 屬的超音波與脈衝塑性變形、接合中的材料再分佈、對於 收縮與焊接變形的補償，（3)組合以上的（1)與（2)於超音波 衝擊處理，及（4)藉由方向分割（區分）焊接收縮及考慮這些 方向的接合變形之補償的超音波衝擊處理。 獲得具有特定構造精確度的焊接結合的以上例子可在 烊接期間或當焊接冷卻時施加於熱（在周圍溫度以上）金屬 上’或在焊接以後施加於冷（約在周圍溫度）金屬上，依任 務與它的解決方案的特定狀況而定β 使用考慮方向焊接收縮的對稱隅角焊接結合為例，焊 21 1353904 接變形補償的技術顯示在圖9a、9b與9c。圖9a繪示焊接 結合40與其中的公差。圖9b繪示使用超音波衝擊工具41 的超音波衝擊處理以後的焊接結合。.變形與公差標示在圖9b 中如下：a與f各指示超音波衝擊處理以後的餘留變形，b 與e各指示公差，c與d各指示餘留焊接變形。圖9c示意 繪示變形補償方向匹配。雖然接合中的餘留焊接變形的補 償是藉由產生一剛性連結，隨後是餘留焊接應力的超音波 鬆弛或超音波與脈衝塑性變形及焊接金屬的再分佈，或藉 β 由這些效應的組合，於是，在如此作時，匹配焊接金屬的 塑性變形的方向和大小及它的縱向與橫向收縮的比例，依 焊接結合型式與焊接過程而定。 在補償任務指定的方向的變形期間，原則用於選擇超 - 音波衝擊處理工具標誌重疊係數（k。）。k。的最大值對應於必 須補償以提供所指定的精確度之較大餘留變形的方向，而k。 的最小值對應於較小餘留變形的方向。各方向的餘留變形 對應於在這些方向的焊接金屬與近焊接區的收縮，且變形 ® 補償對應於超音波衝擊處理所致的塑性變形造成的焊接金 屬與近焊接區之局部體積的累積位移之和。取k。為正值且 等於當表面由工具標誌完全遮蓋時的壓痕直徑差與壓痕中 心距之間的關係，且壓痕之間的距離與壓痕的中心距之比 例對應於間歇處理期間的負重疊係數，則超音波衝擊處理 提供對於在某範圍之值（對於彼而言，下列為真：1> kQ>-l) 中的特定方向之變形補償的控制。 於是，在約90公尺/分的工具或工件行進速率，k。變 22

成正，即使超音波衝擊頻率為500赫且壓痕直徑為3公慶 减。然而，實際超音波衝擊處理速率是在大於零且到達 約5公尺/分的範圍内。此強調依據木發明的方法之超音波 衝擊處理的可靠度及在廣大範圍的處理狀況内之k。的可能 控制’即’约4公斤與以上的工具上的壓力、約⑽絲盥 以上的衝擊頻率 '约0.2公厘與以上的衝擊振幅、约】毫 秒與以上的衝轉續時間、不小於約15千赫的載體超音波 衝擊頻率、當處理鋼與高強度合金時的不小於約⑽微米及 當處理降伏強度到it 35〇MPa的銘合金與金屬時的大於零且 不大於約30微米的衝擊期間之超音波振動振幅。 (F)已修理的焊接結合 已修理的焊接結合遮蓋焊接結構之製造與操作的廣大 區域例如，焊接缺陷、失效與裂痕的修理、強化結構與 它的疋件、及在製造與操作過程中對於結構穩定度與負載 載運能力提供額外的改良及修正結構性的構造。同時，焊

接結合的修理是餘留焊接應力、變形與應力集中區域及不 規則金屬疲勞的來源。 依據本發明進行的超音波衝擊處理解決這些問題，且 導致修理成為具有改良的性質的焊接結合，即，不大於焊 接結合材料降伏強度之约〇 5的一位準的餘留應力、不大 於一既定接合的特定尺寸公差的1〇〇%的餘留焊接變形不 小於該既定焊接結合的基部金屬之疲勞抗力的疲勞抗力。 在一已修理的焊接結合上的作用機構及超音波衝擊處 理所致的裂痕與應力緣示於圖l〇a至l〇d。 23 1353904 如圖10a所示，在垂直於張力的平面或在靠近平面的 芏間表面t的裂痕產生應力集中，其比此力所致的一般設 計的應力大很多倍。 一已修理的焊接結合或多或少改善狀況。然而，它在 焊接沈積的縱向收缩造成的修理焊接的端部產生新餘留張 應力集中（圖10b)。 依據本發明的超音波衝擊處理（圖1〇c)使由危險的焊接 沈積區域中的壓縮應力取代之不利的餘留張應力再分佈（圖 l〇d)。當此發生時，張應力移入正常應力的區域，其對於 焊接結合負載載運能力而言是安全的，且可以使用標準程 序計算。 已修理的焊接結合的超音波衝擊處理_由接合所服務的 任務界定者-在焊接程序中施加至所冷卻的金屬與冷金屬。 於是，為了改良焊接金屬的品質及它對於結構缺陷形 成的杬力，依據本發明的超音波衝擊處理在焊接期間執行。 為了辑償在修理焊接區域中局部化的餘留焊接變形與應 力，依據本發明的超音波衝擊處理在金屬冷卻時執行。超 音波衝擊處理是在冷（周園溫度）金屬上執行，使焊接結合 金屬硬化，產生有利的㈣應力於危險區域中，及取代與 鬆弛危險的張應力。 ’ 在如此作以提供焊接結合時，鋼的人工處理期間之超 音波工具上的壓力是约3公斤與以上，其在機械處理的狀 況可以增加至2G公斤，衝擊頻率不小於約8()赫衝擊頻 率不小於約0. 2公厘’衝擊長度不小於平均約】毫秒壓 24 1353904 痕器超音波振動的載體頻率是約15千赫與以上，衝擊期間 ，超音波振動振幅在處理熱（周圍溫度以上）金屬時不^ 約20微米’且在處理冷卻的金屬與冷金屬時不小於約別 微米。當處理銘合金的焊接沈積時，超音波振動頻率由於 材料強度而減小至40%。 (G)具備避免根部裂開之不完全穿刺的隅角接合 ，避免根部分裂且具有負載載運能力的焊接結合是藉由

選擇具有完全、部分或不完全穿刺的焊接結合的型式與尺 寸而獲得。當接合具有部分或衫全穿㈣達成此是特 別困難的。 —根部裂痕形成的原因主要關聯於焊接金屬與腹板端及 :們之間的間隙中的凸緣平面的腹角，其可由隅角接合示 範。在負（銳）腹角的狀況’裂痕的形成直接源自於此焊接 結合區域中的應力集中。

焊接結合的超音波處理-在焊接期間執行_藉由改變焊 接根部中的熔融金屬與固體金屬之間的邊界的熱交換狀 =、，解決此問^此現象可以解釋為如下。焊接期間的超 音波衝擊促使-脈衝與超音波應力波傳播於烊接金屬與溶 融金屬中。結果，強的聲學流形成在焊接根部中的溶融-固 體金屬邊界，其幫助熱交換引動及金屬_其形成此區域中的 ，板與凸緣之間的間隙_表面的更大穿刺。於是，根據本發 月的秸序，可以提供一儀器，以控制焊接根部中的腹板與 ，緣金屬的穿刺構造，因而導致焊接結合之大致上新的外 觀，焊接金屬與凸緣表面及腹板端的腹角為正（鈍），其則 25 確保一既定的焊接結合抗拒焊接根部中 裂痕形成。 谭接精由焊接金屬與腹板及它們之間的間隙中的 凸緣金屬的正⑷腹角’避免根部裂痕形成-的形成顯示在 圖11a與11b。圖lla缚示—無超音波衝擊處理而製成的焊 接50。圖11b繪示-烊接5卜其承受焊接期間使用超音波 衝擊工具餘始操作位置52及後續操作位置53的超音波 衝擊處理。

工具角與超音波衝擊處理區域的選擇_如圖Ua與瓜 所不-允許形成在特別朝向熔融池邊界的聲學流的炼融池 中。此則提供對於在烊接金屬有利地會合基部金屬之方向 的凸緣與腹板金屬熔凝穿刺強度的控制的可能性。

的應力集中與疲勞 於疋，當凸緣侧面承受超音波衝擊處理（圖nb的操作 位置53)時’產生前行物，使得與腹板相比，凸緣金屬有較 佳的熔凝。藉由使相對於凸緣平面的工具角增加超過45 (圖1 lb的位置52)，可以獲得近似的效應。處理期間的 處理狀況、工具角與位置的選擇依焊接過程、焊接結合的 材料與尺寸而定。提供碳鋼製成之此型式的焊接結合之上 述較佳超音波衝擊處理狀況包括： 人工處理期間是約3公斤與以上而機械處理期間是大 於零且到達約25公斤之工具壓力；大於零且到達約8〇〇赫 的衝擊頻率；約0.2公厘與以上的衝擊振幅；約18千赫與 以上的超音波振動載體頻率；在高於約4〇〇<>c以上的溫度範 圍内是大於零且到達20微米及在低於約4〇(rc的溫度範圍 26 内是不小於約30微米的衝擊期間的超音波振動振幅；及平 均不小於約1毫秒的超音波衝擊持續時間。 藉由凸緣與腹板之間的焊接金屬的有利的再分佈，依 據本發明的超音波衝擊處理使餘留焊接應力減小的程度至 少是似焊接結合的標準變形模式的。 與上述熱交換引動效應同時，依據本發明的超音波衝 擊啟始對於炫融金屬的表面張力減小效應，此現象的結果， 增加熔融金屬的流動性。即，超音波衝擊處理的結果超 音波與脈衝應力波經由焊接金屬傳送到所焊接的材料且 增加在腹板與凸緣端上的熔融金屬於它們之間的間隙的降 伏性與流動性。熔融池的溫度_由聲學流引動_額外使邊緣 溶凝，形成一凹入的新月，類似於在毛細管中者如圖 與12b顯示。確定的是，熔融金屬的流動性在到達3〇〇千 赫的超音波振動載體頻率與到達25〇〇赫的超音波衝擊重複 率的廣大範圍内增加。超音波衝擊處理參數是依據本發明 的過程界足，依焊接材料與消耗品的性質、焊接結合的型 式與尺寸、焊接過程與狀況而定。在如圖12&與igb所示 的焊接結合的示意代表圖中，圖12a顯示未承受超音波衝 擊處理且裂痕形成於其中的焊接60。圖12b顯示承受超音 波衝擊處理的焊接61。焊接根部中的新月由62標示。超音 波衝擊工具顯示為在焊接處理期間的焊接上的初始操作位 置63與後績操作位置64。隅角焊接結合具備不完全及/或 部分穿刺’在製造行進於焊接金屬、凸緣或腹板上的根部 期間，由在本發明的參數中進行之超音波衝擊處理製成一導 27 之===其无填硬化器或腹板端部與凸緣或腹板平面 =間隙(在超音波衝擊下)，具備或不具備在間隙中的 /、基邵金屬<間的擴散或黏合物，在自基部與焊接金 屬（間的平滑過渡固化時產生新月62與尖銳邊緣的炫合， 因而Jw加H焊接結合料焊接根部中的應力集中效腐 與疲勞裂痕形成的抗力。 〜 於是，依據本發明的超音波衝擊處理的結果，另一機

構使焊接金屬與腹板端部及凸緣表面的正（鈍）腹角成為可 能。此_如㈣成新的焊接結合，其避免應力集中與疲 勞所致的根部裂痕形成。 (H)點焊接結合

與增加報據疲勞抗力標準的焊接結合的品質與可靠度 之需求有關的指定任務關聯於點焊接。一主要問題是對於 傳統應力集中處理技術而言，焊接結合區域中的危險區是 不可接近的。此使得必須修改遍及於所焊接的材料的全部 厚度之焊接結合的變形模式。於是，危險的熱影響區必須 考慮為包括應力提升器且代表一圓或環，其平均直徑等於 沿著一焊接結合的邊界之圓的直徑。 使用依據本發明的超音波衝擊處理製成的點焊接結合 的特性是遍及於焊接區域的全部金屬厚度的高位準超音波 塑性與脈衝變形，疲勞限度是未處理的接合的至少約1.3 倍大’且極限強度不小於基部金屬之極限強度。 點焊接結合的示意代表圖顯示在圖13a-13e°圖13a在 7〇繪示一未處理的點焊接結合及與它有關的應力。圖l3b 28 1353904 顯示一超音波衝擊工具71，其在處理關聯於停止板73的點 焊接。在圖13c中，二超音波衝擊工具72與73使用於一 點焊接。圖13d是自停止板或工具.74與工具75至點焊接 的衝擊接觸點的閉合。圖13e在76顯示一處理過的接合及 與它有關的應力。 點焊接結合的超音波衝擊處理可以在焊接期間（當焊接 電極同時存在於振動速度集中器或壓痕器時）與焊接以後執 行。壓痕器可以具有圓、平坦與圓周形工作表面，依焊接 結合的尺寸與它的焊接後狀況而定。 實際上，超音波衝擊處理可以使用被動或主動共振聲 學去耦合、被動非共振聲學去耦合與一當作「鐵砧」的剛 性停止塊而施加。它意指，焊接結合區域中的塑性變形可 以自各侧循序及自二側同時形成。 如圖13a所示，點焊接結合的風險區域-最大張應力操 作在該處-局限於「點焊接」邊界，且位在操作應力臨界集 區中》 依據本發明的超音波衝擊處理使焊接結合完全加諸於 有利的壓縮應力區域，且使張應力區域移位至無任何用於 應力集中的結構前行物之區。 於是，根據實驗資料，依據本發明的超音波衝擊處理 使點焊接的疲勞限度增加至少約1. 3倍，且使疲勞抗力、 降伏點、極限強度與衝擊強度改良至不低於基部金屬的位 準。 為了獲得碳鋼與鋁合金製成的點焊接結合，超音波衝 29 1353904 擊處理狀況包括下列，且根據接合型式與材料，在所說明 的數量中改變：不小於約80赫的超音波衝擊頻率、在不小 於約0.2公厘的振幅之不小於平均约1毫秒的衝擊持續時 間、大於零且到達約100千赫的衝擊期間的壓痕器超音波 振動載體頻率、在自約5至40微米的範圍内之衝擊期間的 超音波振動振幅、自約3至30公斤的工具壓力。在使用超 音波衝擊處理的焊接期間或在超音波衝擊處理期間之系統 「在一結構中的工具焊接結合」的共振頻率穩定化是用於 • 此型式的焊接結合的方法處理終止標準。 (I)搭接接合與定位焊接 搭接或定位焊接結合很容易由於裂痕迅速傳播於短烊 接部分而在焊接端部分裂。裂痕形成於這些接合主要是由 . 於焊接缺陷、不利的焊接趾部角、應力集中、一接合的局 部穩定性與強度的損失、及疲勞。這些問題可以藉由產生 一焊接結合而解決，其承受依據本發明的超音波衝擊處理， 導致形成一平滑的過渡於焊接與基部金屬之間。同時，在 ® 定位焊接端部與沿著焊接趾部線的此過渡承受超音波塑性 變形，而定位焊接的疲勞限度與未處理狀況相比至少是約 1.3倍大，且疲勞抗力、極限強度與衝擊強度不小於基部金 屬者。焊接結合與超音波衝擊處理所致的它的變形模式的 示意代表圖顯示在圖14a至14c。圖14a顯示未處理的搭接 接合及與彼有關的應力80。圖14b繪示一使用超音波衝擊 工具82處理期間的搭接接合，以產生標示於其上的壓縮應 力區域。圖14c繪示處理過的搭接接合84及與彼有關的應 30 1353904 力。 更特別地，圖14a顯示，由於縱向及-較小程度地-橫 向焊接收縮，最大張應力局限在定位焊接端部。由於定位 焊接端部區域重合於操作應力集中區域，此狀況惡化。 依據本發明的超音波衝擊處理改變焊接結合變形模式 的本性，使張應力再分佈，以壓縮應力取代這些，且使操 作負載所致的張應力移位至應力集中不可能發生的焊接結 合區域。依據本發明的超音波衝擊處理改良一既定焊接結 # 合對於一既定接合的設計特性所致的應力集中造成的裂痕 形成的抗力及在可變與逆向負載循環的不利的本性下的金 屬疲勞。 於是，與餘留應力再分佈並行，藉由修改焊接結合的 .. 超音波塑性變形期間之焊接結合材料性質，一既定焊接結 合對於裂痕形成的抗力的改良也達成，如圖14a-l4c所示。 依據本發明的超音波衝擊處理的參數-其提供所欲的焊 接結合-包括下列：大於零且到達約2000赫的超音波衝擊 ® 頻率、不小於平均約1毫秒的超音波衝擊長度、不小於約0.2 公厘的衝擊振幅、約18千赫與以上的壓痕器超音波振動載 體頻率、對於碳鋼而言不小於約25微米及對於鋁合金而言 不大於約30微米的衝擊期間的壓痕器超音波振動振幅、約 3公斤與以上的頂住處理表面的工具壓力。 (J)隅角焊接結合 獲得具備一沿著接合周邊改變的溝槽及具備一小於90° 的變動腹角與完全焊接穿刺之隅角焊接結合的製造精確 31 1353904 度與高疲勞抗力是困難的技術問題。由於存在的特定焊接 應力與變形分佈及接合疲勞限度（其依沿著焊接周邊而定向 於空間接合的複雜物形成的幾何狀況而定），此問題惡化。 依據本發明在焊接期間執行於冷金屬上的超音波衝擊 處理使沿著此複雜接合的周邊的特定尺寸精確度成為可 能，且使疲勞限度至少增加1.3的因子。由超音波衝擊處 理所處理的具備一沿著周邊變換的溝槽及具備一小於90° 的角之隅角焊接結合的示意代表圖顯示在圖15a與15b。焊 # 接結合標示為90，而焊接標示為91。超音波衝擊工具93 顯示在不同的焊接處理位置。 具備一小於90°的腹板與凸緣之間的角及具備貫穿或 不完全穿刺之隅角焊接結合被廣泛使用，其帶來技術成本 .. 最小化、提供尺寸精確度與適當的疲勞限度與壽命延長的 問題。藉由對於縱向與橫向焊接收縮的超音波與脈衝補償、 凸緣相對於腹板的對稱角變形、應力集中區域中的材料性 質及狀況修改，依據本發明的超音波衝擊處理解決此問題。 ® 此提供一焊接結合，其中腹板與凸緣之間的角<90° ，且獲 得特定的接合尺寸精確度及各不小於1. 3與10的因子之增 加的疲勞限度與壽命延長。 依據本發明的焊接隅角接合的示意代表圖顯示在圖16a 與16b。圖16a顯示工件100，其用於在焊接以前形成一隅 角。圖16b繪示工件，其包括由超音波衝擊工具102處理 的隅角焊接101。超音波衝擊處理以後，修改處理材料的性 質。超音波衝擊處理以後的特定尺寸的偏差是在縱向與橫 32 1353904 向變形的公差内。處理以後的焊接隅角接合的疲勞限度比 在未處理狀況的焊接隅角接合至少大1.3倍。處理以後的 烊接隅角接合的壽命延長比在未處理狀況的烊接隅角接合 至少大10倍。

於是，具備變換與「恆定」斜角的隅角焊接結合_如圖 15a_15b與16a-16b所示-的製造與維修關聯於尋找工程解 決方案的需求，其經由最小生產成本，一方面提供此接合 的所需精確度，另一方面提供特定的壽命。 隅角焊接結合的精確度必須確保它們的服務可靠度、 設計負載載運能力與外部負載抗力。焊接結合的持久力必 須確保經由焊接結合對於變換與逆向負載的抗力所表示的 _命時間。

焊接結合精確度通常藉由熱處理及使用價格高昂的導 體工具組達成。焊接結合的持久力的達成是經由選擇基部 金屬與焊接消耗品的特定方法、較大的料尺寸與用 小餘留應力的熱處理。 < 依據本發明的超音波衝擊處理使生產成本減至最小， 免：熱處理的需求與大量焊接金屬之使用於焊接。此之達 成是經由超音波鬆弛與餘留坪接應力和變形的再分佈，及 藉由修改在烊接結合材料性質成為在焊接結合材料的超音 波塑性變形所影響的區域中的基部材料的位準。 :據:發明的超音波衝擊處理可以應用於烊接期間的 ^屬，應用於在冷卻期_金屬或應用轉如後的冷 金屬，依生產狀況與焊接過程而定。 33 1353904 依據本發明的超音波衝擊處理的結果之獲得是藉由焊 接金屬的層處理、應力集中區域中的去集中溝槽的形成、 及處理進行中之超音波衝擊處理結果的過程中或線上控 制。 依據本發明的用於隅角焊接結合的超音波衝擊處理狀 況包括：到達約1200赫的超音波衝擊頻率、不小於約1毫 秒的超音波衝擊長度、不小於約0.2公厘的衝擊振幅、約18 千赫與以上的壓痕器超音波振動載體頻率、對於碳鋼而言 • 不小於約25微米及對於鋁合金而言不大於約30微米的衝 擊期間的壓痕器超音波振動振幅、承受人工或機械處理的 約3公斤與以上的頂住處理表面的工具壓力。 (K)熔離、顆粒尺寸、除氣與孔 在焊接金屬的長持續時間與長冷卻狀況下之高體積的 熔融池製成的焊接結合易於熔離。此現象主要由大顆粒的 生長與熔融池自它與基部金屬的邊界至中心之方向的結晶 解釋。 ® 根據熔融金屬的體積超音波結晶與大顆粒的脈衝再結 晶，終止於焊接金屬的焊接與冷卻期間的本發明的參數中 之超音波衝擊處理解決此問題。熔融金屬中的體積結晶的 發生是由於超音波振動-源自於超音波衝擊效應所致之沿著 焊接傳播的超音波-造成的聲學流與增加的孔蝕。在焊接上 的超音波衝擊的直接作用下且近焊接金屬冷卻，焊接金屬 與近焊接區域再結晶。此提供在全部方向遍及於焊接段的 特定焊接金屬相均質性。具備結構相均質性的焊接結合可 34 1353904 以依據圖na肖nb顯示的示意代表圖而形成其中代表 性的部分被放大。圖17a繪示一焊接’其在焊接中心具有 溶離no。圖m繪示-超音波衝擊工具112’其在本發明 的參數内處理烊接，以提供一具備超音波衝擊引動的^晶 ⑴之焊接。衝擊的提供係遍及於圖17b顯示的焊接，如箭 頭及實線與斷裂線顯示的工具112所指示。 引 為焊接結合可靠度負責的最重要的特徵-諸如衝擊強 度'降伏與極限強度、延展性與在零下及高與低周圍溫度 的柷力-依顆粒尺寸而定。在方法的參數中、於一距離（自 對應於熔融金屬的最大敏感度的電孤至顆粒生長過程中的 結晶中心形成與固化金屬至顆粒再結晶）執行的超音波衝擊 處Γ成功解決此問題。於是產生一新型的烊接結合，其滿 足嚴格的機械強度要求，且擁有指定的物理與機械性質， 原因在於焊接金屬的細顆粒結構與熱影響區。如何声得此 =的-示意代表圖顯示在圖18a與18b。圖l8c圖賴合 強度與衝擊強度’其源自於超音波衝擊處理。圖18a ::焊接12G(具有放大的部分以便說明），其未承受超音 :擊處理。圖18b顯示由超音波衝擊工 ::、=線顯示的工具而移動越過叫^ 與坪接峨121。㈣W於焊接120 用於-焊接結合的基本品質標準之—是孔之存 金屬中。此性質主要由焊接過程中的炫融池除 據本發明的超音波衝擊處理根據焊接過程 35 中的熔融池超音波除氣的啟始 案β 關全上提出的參數，藉由在焊接金屬或相 2屬-其與對應於熔融池液體相（相當於焊 物的最小溶解幻的電孤相隔-距離-上執行二: ==達成。焊接結合與它的除氣的示意代表圖顯示

a」9b。圖㈤會不一坪接13〇其未承受超音波 衝擊處理，且在焊接的根部區域中具有可見的孔。在圖挪 中，焊接131由超音波衝擊處理以引動除氣所以無孔可 見。藉由超音波衝擊H 132的處理是遍及於焊接，如箭 頭及實線與斷裂線顯示的工具132所指示。 於是，㈣明的是焊接期間依據本發明的超音波衝擊 處理的三可能的應用，其針對產生具有新性質_諸如在大體 積的溶融金屬⑽離抗力、可#的再結晶與細顆粒結構形 成及對於孔形成的焊·接金屬抗力_的焊接結合。

作出此問題的有效解決方 依據本發明的超音波衝擊處理對於熔融金屬的行為、 焊接金屬的結構與性質及接合整體的效應是超音波衝擊區 域與熔融池的距離及超音波衝擊參數的選擇的澍應方法。 在各特定狀況，依據本發明執行的相對於焊接區域之超音 波衝擊處理區域位置的選擇標準個別是熔融金屬與焊接金 屬的有效結晶與再結晶的溫度範圍，以及熔融池中的最小 氣體溶解度的溫度範圍。在此狀況，依據本發明的超音波 衝擊處理-依賴於處理材料的性質與在超音波衝擊處理區域 位置的溫度-是設定在下列範圍内：自約0.1至50公斤的 36 1353904 工具壓力、自約10至800赫的換能器的超音波振動載體頻 率、在無負載狀況下及在一載體頻率的衝擊期間的自約〇. 5 至120微米的超音波振動振幅、自約0. 05至5公厘的工具 自振盪振幅、及不小於約1毫秒的平均超音波衝擊持續時 間。 (L)擴散氫 由鋼-特別是鐵質鋼-製成的具有嚴格的脆性斷裂抗力 需求的焊接結合在焊接以前或期間係初步或同時加熱，以 # 自接合金屬排出擴散氫。此導致工作場所的高溫、環境的 污染及結構加熱所致的餘留焊接變形的增加。 在與熔融池相隔一距離及/或在邊緣的冷金屬上的焊接 期間或在以超音波衝擊的強度與光譜-其對應於擴散氫的最 . 大移動性-焊接以後之依據本發明執行的超音波衝擊處理產 生一焊接結合，其具備對於脆性斷裂的高抗力。於是，初 步與同時加熱的需求減至最小。 焊接結合的示意代表圖顯示在圖20a與20b。圖20c顯 ® 示超音波衝擊處理以後在接合的金屬中之餘留擴散氫内含 物的最小化。圖20a顯示一焊接140(具備解釋性的放大剖 面），其未承受超音波衝擊處理，於是具有可見的孔。圖20b 顯示焊接141(具備解釋性的放大剖面），其具備冷卻或冷邊 緣製備所致的引動結晶（無孔），由使用工具142的超音波 衝擊處理伴隨，工具142依據箭頭及實與斷裂線顯示的超 音波衝擊工具，在處理期間移動越過焊接。處理發生在以 下說明的參數中。圖20c顯示用於鋼的允許的氫内含物限 37 1353904 度。傳統上，在焊接以前，焊接結合中的餘留氫之允許的 位準不可以超過驗_ 5立方公分侧公克1 2〇c顯 示圖20a # 20b顯示的焊接的氫内含物，如對應的參考號 碼所指示者。 依據本發明㈣接結合的超音波衝擊處理是執行_考慮 金屬易於達成氫飽和的事實—於任何生產狀況：焊接以前執 行於冷邊緣上或焊接期間執行於熔融池前方某距離的邊緣 上，或焊接期間執行於焊接池後方某距離的焊接金屬上， 或焊接以後，在某一溫度範圍内，在新結構的製造、它的 再設計、預防性維修或修理時，執行於焊接金屬上。 對於以上提到的全部狀況而言，在依據本發明的過程 的處理以前，溫度範圍或暫時狀況決定為提供有效的擴散 氫移除及維持金屬於此狀態。 從圖21顯示的飽和圖，可以看到依據本發明的超音波 衝擊處理在廣大的溫度範圍内使振散氫的内含物減小至少2 倍。 確保以上展不結果之依據本發明的超音波衝擊處理的 參數包括：到達約2500赫的超音波衝擊頻率、不小於約〇 2 公厘的超音波衝擊振幅、不小於約1毫秒的超音波衝擊的 平均統計長度、約15千赫與以上的超音波振動載體頻率、 在依所處理的金屬的溫度與等級而定（且當處理冷金屬時係 不小於約30微米）之不小於約15微米的衝擊期間的超音波 振動振幅、人工處理期間不小於約5公斤而機械處理期間 不小於約10公斤之頂住處理表面的工具上的壓力。 38 1353904 (μ)有害的環境-應力腐蚀（處理以前與期間） 焊接結合對於變動負載下的應力腐蝕損壞或失效的抗 界足八有長操作循壤的負載結構的可靠度和壽命。很多 管線與離岸平台是此結構的例子。它們對抗應力腐蝕的保 護物是價值昂貴的。 依據本發明提供新性質的處理解決此問題。以下說明 的是對於在受應力狀況或變動負载下之有害環境中的金屬 表面上之超音波衝擊處理效應的主要參數： -在0· 8公厘的取樣長度時不小於5微米的粗度與在2 5 公厘的取樣長度時不小於15微米的波形， -不小於材料降伏強度的在超音波與脈衝變形區域中的 壓縮應力， -不小於1.5公厘的塑性變形與引入的餘留壓縮應力的 深度，及 -形成不小於50微米的依材料性質而定的白層的無定 形微結構修改。 因為表面與材料性質轉變，所以與在未處理狀況時的 接合相比，在腐蝕性環境中的各種負載下，接合的應力腐 蝕抗力增加至少2的因子，極限腐蝕-疲勞強度增加至少13 倍，且筹命增加至少7倍。重要的是，這些性質同樣關聯 於新焊接的接合與操作中的焊接結合。 具有高碳含量且承受超音波衝擊處理的鋼製成之焊接 結合的結果與性質顯示在圖21。圖21顯示，在不規則腐触 以後（其典型上發生在任何材料的表面上），穩定過程發生， 39 其中根據㈣料，由㈣軸㈣ 之層的腐㈣至少是似焊接金屬者的4擊處:所處理 在該時間内，由仿栌太双 口 〗寺效時間_ 由依據本發明的超音波衝擊 鋼抗拒海水中的應力腐是10年。 所處理义碳 參數2·"^展料果之依據本發明的超音波衝擊處理的 =·到達約500赫的超音波衝擊頻率、不小於约〇 5 ==波衝擊振幅、不小於…秒的超音波衝擊的 、…貝時間 '約15千赫與以上的超音波振動載體頻率、 不小於約2G微㈣衝擊期_超音波振動振幅、不小於約 5么斤之頂佐處理表面的工具上的壓力。 (N )焊接結合中的孔 焊接、’·β構操作的實施某種程度關聯於使用孔當作裂痕 捕捉機件於—㈣結合附近或焊接結合巾的區助。此接 〇中的彳貝壞的發展可能不僅來自於此孔所制止的裂痕，而 且來自於孔本身。㈣是在孔的製造期間產生的表面撕裂， 其在操作時變成應力集中區域，應力集中區域則造成疲勞。 為了獲得具備裂痕捕捉孔的可靠的焊接結合，依據本 發明的超音波衝擊處理首先施加至二裂痕侧，然後施加至 孔。在入口與出口區域（但與損壞側的距離不小於1/5的孔 深）’於孔的製造期間的金屬損壞處，孔被處理。餘留壓縮 應力-不小於材料降伏強度-形成在承受超音波與脈衝塑性 變形之層中。注意，在此狀況的壓痕器形狀選擇為可以對 於孔的損壞部分提供自由接近能力。 具備孔的悍接結合的示意圖與處理結果顯示在圖22a 1353904 與22b。圖22a繪示使用傳統尖端鑽挖-其導致習知的相關 應力-製備的焊接150中的二孔之間的裂痕。圖22b繪示藉 由傳統尖端鑽挖接著藉由衝擊工具152進行超音波衝擊處 理所製備的焊接151中的二孔之間的裂痕。尖端鑽挖所致 也繪示超音波衝擊工具152的針壓痕器154及處理孔 =孔156的邊緣以導致在裂痕端部的孔中的材料撕裂的方

式。、它顯示，在鑽挖以後的孔區域中之張應力由壓縮應力 取代且可旎的張應力移入操作應力集中與疲勞裂痕啟始 不可能發生之處的結構區域。 針對廣大範園的金屬，確保以上展示結果之依據本發 月的超曰波衝擊處理的參數包括：到達約5⑽㈣超音波 ，擊=率1㈣約〇·5公厘的超音波衝擊振幅、不小於 ’勺1笔㈣超音波衝擊的平均持續時間、約π千赫與以上 的超曰波振動載體頻率^ ^ ^

的相關應力由於壓縮應力區域153的形成而改變。圖2扎 音波振動振幅、不』弘二M 3G微未的衝擊期間的超 的壓力。 以5么斤《頂住處理表面的工具上 (〇)托架 交-的焊接^處，—_平面與主要坪接相 合β當托架Μ《使用在製造料結構的典型坪接結 區域二=板時，此結構的最危險的部件是切除 展示，著:::坪接趾部線。此接合的尺寸精確度也 發明的參數中時之JS著托架的焊接與在一半徑 41 切除部中的焊接端部之超音波衝擊處理導致， 其滿足尺讀錢需求，«抗力的最小增量是未處^的 接合的1. 3倍。

超音波衝擊處理以前與以後的托架坪接結合的示音代 表圖顯示在圖23a與23b。在無超音波衝擊處理時，托架族 板_的托架焊接區域中具有裂痕m。托架平面盘主要焊 接相交，其中糾板的連接是藉由相對於_半徑切除部中 的托架端邵的縱向填角焊接而成。圖咖顯示由超音波衝 擊處理以提供處㈣162的托架。沿著托架及在半徑切除 邵中的焊接端部的焊接之超音波衝擊處理確料接結合滿 足尺寸精確度需求，且與未處理的托架結構中的相同性質 相比，導致疲勞抗力的最小增量是1. 3倍。 當切除部區域中的焊接端部由依據本發明的超音波衝 ，處理所處理時，特足工具頭用於為壓痕器提供對於此區 域的接近能力。

針對廣大範圍的金屬，確保以上展示結果之依據本發 明的過程的超音波衝擊處理的參數包括：到達約_赫的 超均波衝擊頻率、不小於约G.5公厘的超音波衝擊振幅、 不小於約1晕秒的超音波衝擊的平均持續_、約15千赫 與以上的超音波振動載體頻率、不小於約30微米的衝擊期 間的超音波振動振幅、不小於約3公斤之頂 工具上的壓力。 (ρ)易於形成麻田散鐵的焊接結合 曰餘留谭接變形必彡貞減至最小時，緊鄰於焊接過程之 42 1353904 後的焊接結合之劇烈㈣冷卻使用在某讀定狀況。此造 成眾人#知的硬化效應’特別是在碳鋼，其附帶結果是排 出廢田散鐵及具有有限延展性的接合的形成。麻田散鐵分 解的達成是藉由接合的額外強迫加熱及接合的長時間浸泡 在狹窄的㈣温度範圍内。此程序具有大能量消耗，在達 成加熱及浸泡在狹窄的溫度範圍内的狀況方面是複雜的， 且其特徵為結果不夠一致。 在與加熱電弧-其對應於麻田散鐵分解的溫度及它的由 韓斑鐵取代-相隔-距離處之本發明的參數内之此型式接合 的超音波衝擊處理在一溫度範圍内改變焊接結合結構，其 比此範圍㈣底邊界大至少h5 #，而範圍本身比無超^ 波衝擊處理時在上述狀況下減少麻田散鐵形成的可能性之 焊接所需者大至少2倍。當此發生時，麻田散鐵分解時間 減少至少10倍》此產生一具備激烈增加的麻田散鐵分解過 程溫度範圍的焊接結合，而平均溫度範圍相對於解決此問 題所需的標準狀況減小。 用於鋼12XH3的示範性樣品之超冷卻的奥斯田鐵（麻田 散鐵）分解圖顯示在圖24 »線1指示用於未承受超音波處理 的樣品在溫度T1的麻田散鐵轉換。承受依據本發明的超音 波處理的樣品-如線2所指示-具有在溫度T2的麻田散鐵轉 換。T1>T2。圖24顯示，標準熱處理過程期間的麻田散鐵 分解過程能夠以3小時的最小值發生在自495t至43(TC的 溫度範圍内》在依據本發明的超音波衝擊處理的期間，相 同的過程可以在自260°C至390t的溫度範圍内持續3_4分 43 1353904 鐘。 針對廣大範圍的金屬，確保以上展示結果之依據本發 明的超音波衝擊處理的參數包括：到達約800赫的超音波 衝擊頻率、不小於約〇. 5公厘的超音波衝擊振幅、不小於 約1毫秒的超音波衝擊的平均持續時間、約15千赫與以上 的超音波振動載體頻率、不小於約30微米的衝擊期間的超 音波振動振幅、不小於約10公斤之頂住處理表面的工具上 的壓力。 • 此產生一具備激烈增加的麻田散鐵分解過程溫度範圍 的焊接結合，而平均溫度範圍相對於在焊接結構的實際流 動線自動或電腦輔助生產週期中解決此問題所需的標準狀 況減小。 . (Q)具備保護及/或硬化塗層的焊接結合 焊接結合的維修在很多方面關聯於使用各種金屬或非 金屬塗層以用於它們的保護或硬化的需求。在此狀況，任 何型式的機械操作的使用-包括焊接、近焊接區域與烊接趾 ® 部的塑性變形的習知方法-受限於所需的塗層完整性。 使用依據本發明的超音波衝擊的處理解決以上的問 題，且使得可以產生具備特定新性質的焊接結合，因為超 音波衝擊處理可以在塗層上進行。在此狀況，在焊接結合 中獲得保護或硬化塗層的性質的完整性與改良及特定性 質。 此焊接結合的一例顯示在圖25a、25b與25c。圖25a 繪示一在塗佈與超音波衝擊處理以前的焊接。圖25b繪示 44 j塗層no施加以後及已塗佈的焊接的超音波衝擊處理以 前的相同洋接。在圖25c中，已塗佈的焊接顯示成為接續 在超音波衝擊處理以後。焊接中的溝槽與應力提升器修改 =塗層Π0上的⑺標示。在圖25c的焊接結合令，半徑 是至少0.5公厘’寬度到達1〇公厘，深度到達2公厘且 當腹板厚度是4公厘時，塗層厚度是G 15公厘n25c 中顯示，依據本發明的超音波衝擊處理使產生—焊接結合— 其具備以下列順序使用料塗層所致的特定性質_之過程成 為可能：藉由焊接製造-接合，保護或硬化塗層的施加， 及依據本發明的超音波衝擊處理。 為了維持塗層疋整性，依據本發明的超音波衝擊處理 的狀兄選擇為俾使所塗佈的表面上的接觸I力與超音波衝 擊處理區域中的壓力梯度;^大於塗層的斷裂強度。 針對廣大範圍的金屬，確保以上展示結果之依據本發 明的超音波衝擊處理的參數包括：料約15⑽赫的超音波 ，擊頻率 '不小於約i公厘的超音波衝擊振幅、不小於約1 毛移的超日波衝擊的平均持續時間、約千赫與以上的超 音波振動載體頻率、不大於約30微米的衝擊期間的超音波 振動振幅、不大於塗層斷裂強度的個別超音波衝擊處理工 具標誌之間的邊界的接觸壓力與應力梯度 、不小於約3公 斤之頂住處理表面的工具上的壓力。 (R)焊接結構 上述’焊接結合與用於獲得接合的過程使滿足高品質與 可靠度需求的焊接結構的產生成為可能。結構性的代表示 45 1353904 意顯示在圖26中，以繪示在本發明可以獲得的各種焊接結 合180。在聚集物中或在元件、細部、接合與材料的任何組 合中的此結構可以包括：嵌板、垂直或成一角度烊接至嵌 板的具備連續或變換斜角的圓柱形元件、平坦結構元件、 腹板、托架、隅角接合、搭接等。經由接合的依據本發明 的超音波衝擊處理，藉由提供改良的性質於接合中，改良 焊接結合的品質與可靠度。 專精於此技術的人將明白，可以在前述說明的範疇内 作各種修改。在專精於此技術的人的能力内之此修改形成 本發明的一部分，且由附屬申請專利範圍涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1以振幅與時間繪示造成超音波衝擊的超音波換能 器的變化。 圖2以振幅與時間繪示由超音波衝擊隨機傳送的力脈 衝。 圖3以振幅與時間繪示使用本發明的過程獲得的延長 的超音波衝擊。 圖4a與4b個別繪示未處理與依據本發明處理的高強 度鋼的疲勞限度。 圖5繪示在焊接結構材料的應力集中區域中之應力與 變形分伟。 圖6a與6b舉例繪示樑及可能的負載狀況與負載狀況 的改變，其經由補償外部因子的危險效應的超音波衝擊處 理以後之應力集中區域中的改變而缯示。 46 1353904 圖7a、7b與7c繪示在依據本發明的處理以前與以後 的套節焊接結合及對於接合的應力的效應。 圖8a、8b與8c繪示用於超音波衝擊造成的壓縮應力 的缺陷遲滯機構。圖8a顯示處理以前的接合。圖8b是處 理期間，圖8c是處理以後。 圖9a、9b與9c缯'示使用-例如-考慮方向性焊接收縮 的對稱隅角焊接結合之焊接變形補償技術。圖9a繪示超音 波衝擊處理以前的焊接結合與公差，圖9b是處理以後。圖 9c顯示變形補償方向匹配的示意圖。 圖10a、10b、10c與10d繪示藉由超音波衝擊處理所 致的裂痕與應力再分佈之焊接結合的修理作用的機構。 圖11a與lib繪示由焊接金屬的正腹角保護以避免根 部裂痕形成的焊接結合。 圖12a與12b繪示形成為受到保護以避免根部裂痕形 成的另一焊接結合。 圖13a至13e繪示超音波衝擊處理以前、期間與以後 的點焊接結合。 圖14a繪示未處理的搭接；圖14b繪示處理期間的搭 接；圖14c繪示處理以後的搭接。 圖15a與15b個別繪示依據本發明的處理以前與以後 的隅角焊接結合。 圖16a與16b繪示超音波衝擊處理以前與以後的另一 隅角焊接結合。 圖17a與17b個別繪示超音波衝擊處理以前與以後的 47 1353904 焊接結合的結構相均質性（放大部分）。 圖18a與18b繪示未處理及在焊接結合中提供引動的 結晶之超音波衝擊處理以後（圖181?)的焊接結合（包括一放 大部分）：圖18c以圖代表處理過與未處理的焊接結合。 圖19a與19b個別繪示不具備與具備超音波衝擊處理 引動的除氣之焊接結合。 圖20a與20b繪示具備與不具備氫内含物的焊接結合。 圖20c以圖比較一具備允許的氫内含物的接合及一在超音 波衝擊處理以後的具備最小氫内含物餘留擴散的接合。 圖21以圖繪示未處理及由依據本發明的超音波衝擊處 理的具備高碳内含物之鋼的焊接結合的腐蝕率。 圖22a與22b個別繪示在超音波衝擊處理以前與期間 的具備在裂痕尖端之孔的焊接結合。 圖23a與23b個別繪示在超音波衝擊處理以前與以後 的焊接托架接合。 圖24繪示鋼中的超冷卻奥斯田鐵分解圖。 圖25a、25b與25c個別繪示在塗佈與超音波衝擊處理 (UIT)以前、施加保護塗層以後與UIT以前、及塗層上的UIT 以後的焊接結合。 圖26繪示可獲得的焊接結合結構的例子。 【主要元件符號說明】 個數 中文編號 原 文 中 文 1 1 high strength steel 高強度鋼 2 2 low carbon or low alloy steel 低碳或低合金鋼 48 1353904

3 3 high strength steel 1¾強度鋼 4 4 high strength steel 高強度鋼 5 5 low carbon or low alloy steel 低碳或低合金鋼 6 10 Girder 樑 7 11 Girder 樑 8 12 Girder 樑 9 20 socket welded joint 套節焊接結合 10 21 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 11 22 Radius 半徑 12 30 Defected welded joint 有缺陷的焊接結合 13 31 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 14 32 Welded joint 焊接結合 15 40 Welded joint 焊接結合 16 41 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 17 51 Weld 焊接 18 52 initial operating position 初始操作位置 19 53 Continuing operating position 接續操作位置 20 60 Weld 焊接 21 61 Weld 焊接 22 62 Meniscus 新月 23 63 initial operating position 初始操作位置 24 64. Continuing operating position 後續操作位置 25 70 Untreated spot welded joint 未處理的點焊接結合 26 71 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 27 72 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 31 73 stop plate 停止板 32 74 stop plate or tool 停止板或工具 33 75 Tool 工具 49 1353904

34 80 Untreated lap joint 未處理的搭接結合 35 82 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 36 84 Treated lap joint 處理過的搭接結合 37 90 Welded joint 焊接結合 38 91 Weld 焊接 •39 93 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 40 100 work piece 工件 41 101 comer weld 隅角焊接 42 102 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 43 110 Liquation 熔離 44 111 Crystallization 結晶 45 112 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 46 120 Weld 焊接 47 121 Weld 焊接 48 122 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 49 130 Weld 焊接 50 131 Weld 焊接 51 132 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 52 140 Weld 焊接 53 141 Weld 焊接 54 142 Tool 工具 55 150 Weld 焊接 56 151 Weld 焊接 57 152 Ultrasonic impact tool 超音波衝擊工具 58 153 Compressive stress area 壓縮應力區域 59 154 needle indenter 針壓痕器 60 155 Hole 孔 50 1353904

61 156 Hole 孔 62 160 Bracket panel 托架嵌板 63 161 Crack 裂痕 64 162 Treatment area 處理區 65 170 Coating 塗層 66 171 Groove 溝槽 67 180 Welded joint 焊接結合 68 a Residual deformation after ultrasonic impact treatment 超音波衝擊處理以後 的餘留變形 69 b Tolerance 公差 70 c Residual welding deformation 餘留焊接變形 71 d Residual welding deformation 餘留焊接變形 72 e Tolerance 公差 73 f Residual deformation after ultrasonic impact treatment 超音波衝擊處理以後 的餘留變形 74 Fc static loading 靜態負載 75 Fv Dynamic loading 動態負載 51

Claims (1)

1353904 第〇94134637號申请案申凊專利範圍替換修正本（⑽年8月W日） 十、申請專利範圍： 1. 楂超音波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 處理到高強度鋼或其合金所製成的一焊接結合之趾 部上，該咼強度鋼或其合金具有大於5OOMPa的降伏 強度，其中在該處理之後，該焊接結合具有一疲勞限 度，該疲勞限度的最小值比起一低強度鋼或其合金的 疲勞限度來說高出大約30%，該低強度鋼或其合金的 降伏強度為500 MPa，其中該處理的參數包括：約27 千赫的振盪系統頻率、大於零且到達約1〇公斤的超 音波衝擊工具上的壓力、在至少約30微米的衝擊期 間超音波換能器的振動振幅、在約8〇_25〇赫範圍内 的超音波頻率，大於零且到達約2公厘的該衝擊工具 之自振盪振幅、約3-6· 35公厘的壓痕器直徑、及該 壓痕器的長度是在約1〇至35公厘的範圍内。 2. 如申請專利範圍第μ之方法，其中在該處理之 後’該焊接結合具有到達至少2公厘深度的有利壓縮 應力。 3. 一種超音波衝擊處理的不可拆卸的焊接結合，包 含一在過渡區域中的溝槽，該過渡區域在該結合的一 焊接材料與一基部材料之間，該溝槽具有在溝槽邊界 的至少約0.5公厘的半徑、大於零且到達約1〇公厘 的寬度、以及大於零且到達約2公厘的深度，其中藉 由該超音波衝擊處理而處理該結合，該超音波處理的 參數包括：在大於零且到達約8〇千赫之頻率的大於 52 零且到達約50微米的衝擊期間的超音波振動振幅、 大於零且到達約500赫的超音波頻率、至少約〇 2 A厘的超音波衝擊工具的自振盪振幅、大於零且到達 肖G. 5的衝擊脈衝的備用因子、及至少約3公斤的超 音波衝擊工具上的壓力。 4. 種超音波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 處理到-焊接結合上，該焊接接合具有一尖銳的過渡 鲁 域，該過渡區域是在該結合的-焊接金屬及-基部 金屬之間’其中該處理在該結合的焊接材料與基部材 料之間產生一平滑的過渡，該平滑的過渡具有一溝 槽，該溝槽具有在溝槽邊界的至少約0.5公厘的半 徑、大於零且到達約10公厘的寬度' 以及大於零且 到達約2公厘的深度，其中該處理參數包括：在大於 零且到達約80千赫之頻率的大於零且到達約5〇微米 的衝擊期間的超音波振動振幅、大於零且到達約5〇〇 • 赫的超音波頻率、至少約〇·2公厘的超音波衝擊工具 的自振盪振幅、大於零且到達約〇 5的衝擊脈衝的備 用因子、及至少約3公斤的超音波衝擊工具上的壓 力。 5·如申請專利範圍第5項之方法，該處理在該處理 的一塑性變形區域中引起壓縮應力到至少約2公厘 的深度，且在該處理的一彈性變形區域中引起壓縮應 力到至少約5公厘的深度。 一種超音波衝擊處理方法，包含：施加超音波衝 53 6. 1353904 擊處理到一焊接結合上，該焊接結合是由碳結構鋼、 不銹鋼、鈦合金或鋁合金所製成，同時施加一變化負 載到該焊接結合上’該變化負載等於該結合上的實際 操作外部負荷’其中該處理參數包括：在大於零且到 達約80千赫之頻率的大於零且到達約50微米的衝擊 期間的超音波振動振幅、大於零且到達約5 〇 〇赫且平 均持續時間至少約1毫秒的超音波頻率、至少約0 2 公厘的超音波衝擊工具的自振盪振幅、及至少約3 公斤的該超音波衝擊工具上的壓力，且其中在該處理 之後’該結合的一應力集中區域中之壓縮應力與強度 係大於該處理之前。 一種超音波衝擊處理的不可拆卸的焊接結合其 令該结合是一隅角接合’該隅角結合的焊接金屬與該 、’ό σ的凸緣及s亥結合的一網狀物均各具有純腹 角，藉此可以抗拒根部裂痕，其令藉由該超音波衝擊 處，而處理該結合’該超音波處理的參數包括：該處 理是人工處理時，至少約3公斤的超音波衝擊工具的 壓力，該處理是機械處理期間時，至少約25公斤的 超音波衝擊工具的壓力；大於零且到達約_赫的超 音波頻率；至少約0.2公厘的超音波衝擊振幅；至少 約18千赫的超音波振動載體頻率；在高於約 的溫度在大於零且到達約2〇微米的衝擊期間的超音 波振動振幅；以及至少約i毫秒的平均超音波衝擊持 續時間。 54 1353904 8 · 種超a波衝擊處理焊接結合，其中&)該結合是一 搭接或-定位焊接；b)該結合包含—碳鋼或銘合金， 且C) °亥結合能抗拒該結合端部的裂痕，其中藉由該 超音波衝擊處理而處理該m超音波處理的參數 包括：大於零且到達約2000赫的超音波衝擊頻率、 至少約1毫秒的超音波衝擊的平均持續時間、至少約 〇·2公厘的衝擊振幅、至少約18千赫的壓痕器超音 • 波振動載體頻率、對於碳鋼而言係至少約25微米及 對於Is合金而言係大於零且到達約3〇微米的衝擊期 間的壓痕器超音波振動振幅、以及至少約3公斤的頂 住該結合的處理表面的超音波衝擊工具的壓力。 9. 一種超音波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 處理到-隅角焊接結合上，該隅角焊接結合包含一碳 鋼或紹合金，其中該處理使該結合的疲勞限度是該 結合在處理之前的疲勞限度之至少13倍，其中該處 理的參數包括：大於零且到達約刪赫的超音波衝 翔率、至少約1毫秒的超音波衝擊的平均持續時 門至^約0.2公厘的超音波衝擊振幅、對於碳鋼而 言至少约25微米及對於紹合金而言不大於約3〇微米 的衝擊期間的麼痕益超音波振動振幅、以及至少約3 a斤的頂住該焊接結合的處理表面的超音波衝擊工 具壓力。 10.—種超音波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 處理到-焊接結合上，其中在該處理之後，該淳接結 55 1353904 δ的;tp接金屬具有在全部方向上的相均質性且其中 該處理的參數包括··約0.1-50公斤的超音波衝擊工 /、的壓力約1〇-8〇〇千赫的換能器的超音波振動載 • 體頻率、約〇.5-120微米的在無負載狀況下及在一載 體頻率的超音波工具衝擊期間的超音波振動振幅、约 〇·〇5-5公厘的超音波衝擊工具的自振盪振幅、以及 至少約1毫秒的超音波衝擊的平均持續時間。 Φ 丨1.種超音波衝擊處理的不可拆卸的焊接結合，包含 在0.8公厘樣品長度中不小於約5微米的表面粗度、 在2.5公厘樣品長度中不小於約15微米的波動度、 不小於該接合的降伏強度的壓縮應力、不小於約15 公厘的塑性變形與所致的餘留應力的深度、比沒有超 纟波衝擊處理時大至少2倍的腐蝕抗力、以及不小於 在該结合未受到超音波衝擊處理時其腐蝕疲勞強度 的’力1. 3倍，其中藉由超音波衝擊處理而處理該結 • 纟’該超音波衝擊處理的參數包括：大於零且到達約 500赫的超音波衝擊頻率、至少約〇 5公厘的超音波 衝擊振巾W至少約1毫秒的超音波衝擊的平均持續時 間至少約15千赫的超音波振動載體頻率、至少約 20微米的衝擊期間的超音波振動振幅、以及至少約5 公斤之頂住處理表面的超音波衝擊工具上的壓力。 12' 種超3波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 處理到-焊接結合上，其中在該處理之後該結合在 0.8公厘樣品長度中具有不小於約5微米的表面粗 56 1353904 度 '在2. 5公厘樣品長度中不小於約15微米的波動 度、不小於該接合的降伏強度的壓縮應力、不小於約 1.5公厘的塑性變形與所致的餘留應力的深度、比超 音波衝擊處理之前大至少2倍的腐钱抗力、以及不小 於該結合在超音波衝擊處理之前其腐蝕疲勞限度的 約1 · 3倍’其中該處理的參數包括：大於零且到達約 500赫的超音波衝擊頻率、至少約〇 5公厘的超音波 # 衝擊振幅'至少約1毫秒的超音波衝擊的平均持續時 間、至少約15千赫的超音波振動載體頻率、至少約 20微米的衝擊期間的超音波振動振幅、以及至少約5 A斤之頂住該結合的處理表面的超音波衝擊工具上 的壓力。 13. 一種超音波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 處理到-結構組合上，該結構組合包括具備一托架與 嵌板的一知接結合，其中一半徑切除部存在於該托 _ 冑㈣嵌板之間’其巾在域理之後，該結構組合具 有當未受處自之前的結構組合者的至少、13倍的疲 勞抗力其中該處理的參數包括：大於零且到達約 300赫的超音波衝擊頻率、至少約〇 5微米的超音波 衝擊振幅、至少約1毫秒的超音波衝擊的平均持續時 間至）約15千赫的超音波振動載體頻率、至少約 3〇微米的衝擊期間的超音波振動振幅、以及至少約3 公斤之頂住處理表面的超音波衝擊工具上的壓力。 14.-種超音波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 57 1353904 到一含有麻田散鐵的焊接結合上，其中該處理導致該 麻田散鐵的分解，其中該處理的參數包括：大於零且 •爿達約_赫的超音波衝擊頻率、至少約Q 5公厘的 . 料波衝擊振幅、至少約1毫秒的超音波衝擊的平均 持續時間、至少約15千赫的超音波振動載體頻率、 至少約30微米的超音波振動振幅 '以及至少約ι〇 公斤之頂住處理表面的超音波衝擊工具上的壓力。 15. 一種超音波衝擊處理方法，包含施加超音波衝擊 到具有塗層於其上的焊接結合，其中該超音波衝擊 處理的參數使得在該處理的一區域内塗有該塗層的 該結合之一表面上的接觸壓力與壓力梯度不大於該 塗層的斷裂強度，其中該等參數包括：大於零且到達 約1500赫的超音波衝擊頻率、至少約1毫米的超音 波衝擊振幅、至少約1毫秒的超音波衝擊的平均持續 時間、至少約20千赫的超音波振動載體頻率、大於 修零且到達約30微米的衝擊期間的超音波振動振幅、 以及至少約3公斤之頂住一表面的超音波衝擊工具 上的壓力。 58