明尼蘇達(dá)大橋最近倒塌，提醒我們在日常工作中質(zhì)量設(shè)計、制造和檢查的重要性。

NTSB將進行充分的調(diào)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(shù)是否可能已經(jīng)用于這種類型的焊接結(jié)構(gòu)。

電子公司參考圖書館有超過120篇關(guān)于噴丸焊接結(jié)構(gòu)的論文。我想借此機會看一個特殊的技術(shù)的優(yōu)點，稱為應(yīng)力聲波噴丸，可以延長焊接金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

延長疲勞壽命程序在航空航天結(jié)構(gòu)中是常見的，并已成功地應(yīng)用于幾乎每一個主要艦隊。程序的第一步是評估關(guān)鍵位置的損壞，并決定采取何種行動。當(dāng)光損傷被發(fā)現(xiàn)時，它通常被去除，部分以某種方式強化。當(dāng)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(guān)鍵是在顯著損傷發(fā)生之前進行改進。該方法必須是預(yù)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(jié)構(gòu)的壽命。

 

噴丸是提高疲勞壽命的最佳預(yù)防措施之一。與更換或加固結(jié)構(gòu)相比，它非常便宜，可以多次延長構(gòu)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(dāng)裂紋開始時，噴丸產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)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(yīng)用噴丸程序提供了很多機會。

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

由于接入限制，橋梁焊接結(jié)構(gòu)噴丸需要小型便攜設(shè)備，易于使用，產(chǎn)生深的壓縮殘余應(yīng)力，并且不會留下可能污染環(huán)境的介質(zhì)。Sonats發(fā)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(zhí)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(jīng)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(jù)應(yīng)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(jīng)設(shè)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(chǎn)生0.028C以上的強度。

用StressVoyager噴出代表性的焊接鋼結(jié)構(gòu)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(cè)的板的3×4英寸均被處理。

用噴丸處理后的殘余應(yīng)力分布采用X射線衍射測量。結(jié)果可以在圖5中看到。結(jié)果表明，在表面上的深壓縮應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平的增加逐漸變小，但在橋梁中通常看到的較低的應(yīng)力水平更為重要。

這種疲勞數(shù)據(jù)也可以從不同的角度來看待。聯(lián)邦公路管理局統(tǒng)計（參考文獻(xiàn)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(shù)量的循環(huán)，圖6表明噴丸可以承受更高的應(yīng)力水平。在1000萬個循環(huán)中，例如，噴丸可以承受單獨焊接的應(yīng)力水平增加68%。在橋梁上使用噴丸將以非常低的成本導(dǎo)致安全水平的提高。

StressVoyager噴丸是一種偉大的技術(shù)，它可以重建或延長橋梁和其他焊接結(jié)構(gòu)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(yù)防措施。

StressVoyager 是一種清潔、易于使用和非常有效的工具，以提高疲勞壽命。焊接結(jié)構(gòu)的測試表明，它提供了深的壓縮殘余應(yīng)力和顯著的疲勞壽命改善。

為了延長橋梁的使用壽命，或者為了防止不斷增加的載荷，噴丸是一種成本有效的技術(shù)，以提高老化的基礎(chǔ)設(shè)施的安全性。