[发明专利]超声波应力消除方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及超声波振动领域，尤其涉及一种超声波应力消除方法及系统。

背景技术

金属构件经过焊接、铸造、锻造、机械加工等工艺过程，引起内部晶格形变，必然会产生残余应力，极大地降低构件的极限强度和疲劳强度，甚至会产生裂纹和脆性断裂，而且在加工及使用中由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大地影响了构件的尺寸、位置精度和整机性能。降低这种内应力目前主要通过时效的方法。时效处理工艺目前已广泛应用于造船、冶金、机床、矿山、化工、电力等各行业，并收到了显著的经济效益。

首先，本文提到的术语的定义如下：

时效处理：时效处理是工程材料常用的一种消除其内部残余内应力的方法。

超声波：频率高于20000赫兹(20kHz)的声波。

导波杆：超声波振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移或速度传导到被激励对象上，并根据需要将超声振幅放大或缩小。

超声波换能器：是超声波设备的核心器件，实现电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。

目前在使用的有四种时效处理工艺，即自然时效、热时效、振动时效和超声波冲击时效。其中，超声波冲击时效为目前最新的应力消除方法，其技术路线与本发明最为接近，如申请号为CN200810162683.5的中国发明专利“一种用于焊缝应力消除的高效超声波冲击头”所公开的。此方法主要用于焊接构件的焊缝处局部应力的处理，无法对整个构件的内部应力进行消除。

超声波振动系统包括超声波驱动电源、超声波换能器、导波杆、冲击头。利用超声波驱动电源来驱动超声波换能器，产生高频超声振动，经导波杆振幅放大后，振动能量传递到冲击头上。冲击头与导波杆为分体结构，在导波杆端部冲击下，冲击头在导波杆与被处理构件之间往复发生撞击，被冲击的局部区域随冲击头做小幅振动，使作用区域内晶格发生形变，达到消除应力的效果，其作用原理与喷丸工艺类似。

然而，上述超声波冲击时效设备具有以下局限性：

1.不能激励被处理构件的整体共振，而仅在被冲击区域附近激励局部振动以消除附近残余应力；而且作用层的深度有限，一般为1-10mm，无法消除整个构件内部的残余应力。

2.超声波振动系统不直接与被处理构件连接，冲击头与被处理构件为单点非固定接触或多点不连续的且非固定的接触，需要移动冲击头才能对不同部位进行处理，效率低下。

3.冲击头会对被处理构件的表面造成凹坑、凹槽等损害，影响所述构件表面质量，不适合对表面精度及尺寸要求高的构件。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本申请提供一种超声波应力消除方法，旨在对被处理构件的应力进行整体消除，达到更深的作用深度，并且避免对被处理构件的表面造成凹坑、凹槽等损害。从而提高被处理构件的表面精度及尺寸要求。

本申请的超声波应力消除方法，与被处理构件形成常规的固定连接，而非不固定连接。其中，固定连接的方式可以是直接焊接、压板等多种形式；非固定连接是指冲击头抵靠在被处理构件上，在实时的振动中会随时接触构件以及离开构件。连接的各种方式均为现有技术，在此不再赘述。

本发明提供一种超声波应力消除方法，包括如下步骤：

超声波换能器连接到导波杆，导波杆固定连接到被处理构件，其中，顺序连接的超声波换能器、导波杆、被处理构件组成振动系统；

超声波驱动电源对振动系统进行频率扫描，选择出距离超声波换能器的共振频率最近的且振幅最高的振动系统共振频率作为激振频率，对被处理构件进行超声波激振处理；

对振动系统进行频率跟踪，维持振动系统的共振状态；

对超声波驱动电源输出的激振频率进行调频，由此激发与该振动系统共振频率所对应的模态有耦合关系的至少一个共振模态，实现多个共振模态同时激振。

在一个方面，超声波驱动电源对振动系统进行频率扫描进一步包括：超声波驱动电源在超声波换能器的共振频率附近进行频率扫描，找到一个或多个振动系统共振频率；将超声波驱动电源输出的激振频率设置为高于所找到的振动系统共振频率的0％-10％的频率，从而进行亚共振激励。

在一个方面，对振动系统进行频率跟踪进一步包括：实时检测超声波驱动电源的电流和电压，通过调整激振频率来保证电流与电压间的相位差保持不变，从而维持振动系统的共振状态。

在一个方面，对超声波驱动电源输出的激振频率进行调频进一步包括：在激振频率的正负10-500Hz的范围内往复扫描，扫描速度为每秒1-1000次。