振动对焊缝影响的微观分析

焊接过程施加振动可以使应力分布得到降低和均化，从热弹塑性理论是可以解释的，并且因此而使焊缝疲劳寿命和断裂韧性得到了提高也不难理解。但是振动焊接能够使焊缝材料的基本力学性能（σ_S和σ_b）得到普遍的提高，这就不单单是焊接应力下降所能解释的了。也就是说，焊接过程中施加振动，即在边振动过程中边结晶，使晶粒细化，这应该是上述结论的根本原因。上述分析通过焊口区金相照片的对比可以得到证明。焊口区的金相照片，其中a、b、c分别为正常焊接、简支振动焊接和平台振动焊接的三种试件焊缝区的金相照片。对比可见，两种振动焊接的焊缝区晶粒比正常焊接的晶粒要细得多，而且位错分布均匀，位错密度增大。“金属疲劳理论”一书中已做了较好的阐述，即晶粒细化必然导致材料疲劳极限，屈服极限和强度极限的提高。且遵循Hall-Petch公式：

σ_-1=σ₀+Kd^-1/2

上式中符号为

σ_-1—疲劳极限

σ₀，K—材料常数

d—晶粒直径尺寸

从上述中不难看出，晶粒直径与材料的强度成一定的反向关系，即当直径减小，则材料强度提高，反之则降低。

晶粒细化也影响到位错塞积群顶端的应力集中值，即位错塞积分散了应力集中。也就是说晶粒减小（即细化）延缓或阻止了疲劳裂纹的成核，且遵守下列公式

式中  n_c—疲劳裂纹成核所需循环周数

G=切变模量

ω_S—单位面积表面能密度

—泊松比

—循环应力振幅

k—位错运动阻力

d—晶粒直径

从上述也同样可见当晶粒细化，即式中d减小时，疲劳裂纹成核周次随着晶粒细化（晶粒直径的减小）而正比的增加。不难看出振动焊接后，由於晶粒细化不但可使开裂寿命提高，并且也使裂纹扩展速度减慢而提高总的疲劳寿命。在这一点上与振动时效的效果有显著的不同。振动时效对疲劳寿命的影响主要是消除了残余应力对疲劳寿命的影响，即使构件开裂寿命延长，而裂纹扩展寿命与未振动时效件几乎相同。其原因是振动时效未能改变材料（焊缝区）的组织结构。

由於晶粒细化，使位错变小密度增高，减小应力集中，受力均化，使流变应力提高，正如下述表达式

式中  a—材料系数

G—切变模量

b—位错强度

—位错密度

从式中不难看到材料的流变应力在其它量为常数时，正比於位错密度的平方根。

这些通过疲劳理论的分析，充分说明了振动焊接使晶粒细化所带来的技术效果远远优於振动时效的效果。同时也充分说明了前面关於振动焊接对焊缝材料机械性能影响的基本试验是符合规律和可信的，同时也给出了振动焊接工艺参数选择的范围。