[發明專利]超聲波應力消除方法及系統

有效

• 申請號: 201510979574.2
• 申請日: 2015-12-23
• 公開（公告）號: CN105483360B
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 趙夙
• 申請（專利權）人: 沈陽遠大科技園有限公司
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司11327
• 代理人: 許向彤,陳英俊

技術領域

本發明涉及超聲波振動領域，尤其涉及一種超聲波應力消除方法及系統。

背景技術

金屬構件經過焊接、鑄造、鍛造、機械加工等工藝過程，引起內部晶格形變，必然會產生殘余應力，極大地降低構件的極限強度和疲勞強度，甚至會產生裂紋和脆性斷裂，而且在加工及使用中由于殘余應力的松弛，使零件產生變形，大大地影響了構件的尺寸、位置精度和整機性能。降低這種內應力目前主要通過時效的方法。時效處理工藝目前已廣泛應用于造船、冶金、機床、礦山、化工、電力等各行業，并收到了顯著的經濟效益。

首先，本文提到的術語的定義如下：

時效處理：時效處理是工程材料常用的一種消除其內部殘余內應力的方法。

超聲波：頻率高于20000赫茲(20kHz)的聲波。

導波桿：超聲波振動系統中的主要作用是把機械振動的質點位移或速度傳導到被激勵對象上，并根據需要將超聲振幅放大或縮小。

超聲波換能器：是超聲波設備的核心器件，實現電能、機械能或聲能從一種形式的能量轉換為另一種形式的能量的裝置。

目前在使用的有四種時效處理工藝，即自然時效、熱時效、振動時效和超聲波沖擊時效。其中，超聲波沖擊時效為目前最新的應力消除方法，其技術路線與本發明最為接近，如申請號為CN200810162683.5的中國發明專利“一種用于焊縫應力消除的高效超聲波沖擊頭”所公開的。此方法主要用于焊接構件的焊縫處局部應力的處理，無法對整個構件的內部應力進行消除。

超聲波振動系統包括超聲波驅動電源、超聲波換能器、導波桿、沖擊頭。利用超聲波驅動電源來驅動超聲波換能器，產生高頻超聲振動，經導波桿振幅放大后，振動能量傳遞到沖擊頭上。沖擊頭與導波桿為分體結構，在導波桿端部沖擊下，沖擊頭在導波桿與被處理構件之間往復發生撞擊，被沖擊的局部區域隨沖擊頭做小幅振動，使作用區域內晶格發生形變，達到消除應力的效果，其作用原理與噴丸工藝類似。

然而，上述超聲波沖擊時效設備具有以下局限性：

1.不能激勵被處理構件的整體共振，而僅在被沖擊區域附近激勵局部振動以消除附近殘余應力；而且作用層的深度有限，一般為1-10mm，無法消除整個構件內部的殘余應力。

2.超聲波振動系統不直接與被處理構件連接，沖擊頭與被處理構件為單點非固定接觸或多點不連續的且非固定的接觸，需要移動沖擊頭才能對不同部位進行處理，效率低下。

3.沖擊頭會對被處理構件的表面造成凹坑、凹槽等損害，影響所述構件表面質量，不適合對表面精度及尺寸要求高的構件。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本申請提供一種超聲波應力消除方法，旨在對被處理構件的應力進行整體消除，達到更深的作用深度，并且避免對被處理構件的表面造成凹坑、凹槽等損害。從而提高被處理構件的表面精度及尺寸要求。

本申請的超聲波應力消除方法，與被處理構件形成常規的固定連接，而非不固定連接。其中，固定連接的方式可以是直接焊接、壓板等多種形式；非固定連接是指沖擊頭抵靠在被處理構件上，在實時的振動中會隨時接觸構件以及離開構件。連接的各種方式均為現有技術，在此不再贅述。

本發明提供一種超聲波應力消除方法，包括如下步驟：

超聲波換能器連接到導波桿，導波桿固定連接到被處理構件，其中，順序連接的超聲波換能器、導波桿、被處理構件組成振動系統；

超聲波驅動電源對振動系統進行頻率掃描，選擇出距離超聲波換能器的共振頻率最近的且振幅最高的振動系統共振頻率作為激振頻率，對被處理構件進行超聲波激振處理；

對振動系統進行頻率跟蹤，維持振動系統的共振狀態；

對超聲波驅動電源輸出的激振頻率進行調頻，由此激發與該振動系統共振頻率所對應的模態有耦合關系的至少一個共振模態，實現多個共振模態同時激振。

在一個方面，超聲波驅動電源對振動系統進行頻率掃描進一步包括：超聲波驅動電源在超聲波換能器的共振頻率附近進行頻率掃描，找到一個或多個振動系統共振頻率；將超聲波驅動電源輸出的激振頻率設置為高于所找到的振動系統共振頻率的0％-10％的頻率，從而進行亞共振激勵。

在一個方面，對振動系統進行頻率跟蹤進一步包括：實時檢測超聲波驅動電源的電流和電壓，通過調整激振頻率來保證電流與電壓間的相位差保持不變，從而維持振動系統的共振狀態。

在一個方面，對超聲波驅動電源輸出的激振頻率進行調頻進一步包括：在激振頻率的正負10-500Hz的范圍內往復掃描，掃描速度為每秒1-1000次。