[实用新型]用于改善金属材料性能的高频振动焊接系统

说明书

用于改善金属材料性能的高频振动焊接系统，包括上位机、信号发生器、功率放大器、高频激振器、高频振动能量放大与传递装置、加速度传感器、冷却模块；上位机控制信号发生器输出幅值和频率均能够独立且连续可调的正弦激振信号；正弦激振信号经功率放大器输入到高频激振器；小尺寸工件通过阶梯型安装块装夹于高频振动能量放大与传递装置的工作台，小尺寸工件被压紧于阶梯型安装块的上平台与工作台之间，阶梯型安装块的下平台通过螺钉压紧于工作台。本实用新型具有能够对处于凝固结晶过程中的金属材料以及金属固体材料进行高频振动焊接处理，从而从缺陷产生的源头去改善金属材料的性能的优点。

技术领域

本实用新型涉及焊接技术领域，特指一种用于改善金属材料性能的高频振动焊接系统及方法。

背景技术

焊接是一项重要的材料成型工艺，被广泛应用于航空航天、海洋工程、汽车等领域。然而焊接是一个材料的局部区域快速加热和冷却的过程，非均匀的温度场会在成型后的材料中产生残余应力，尤其是焊缝区域会产生较大的拉伸残余应力，从而降低了材料的屈服强度和疲劳寿命，增加了应力腐蚀开裂作用，同时也是材料产生变形和裂纹萌生、扩展、开裂的重要原因。因此，如何消除材料焊接成型时产生的拉伸残余应力一直是机械制造技术领域中的一项重要研究课题。

传统的残余应力消除工艺有自然时效和热时效技术。自然时效技术是最古老的时效方法，这种时效技术处理效果很差、耗时太长、占地面积大。热时效技术相对于自然时效技术极大地缩短了时效的周期，应用广泛，然而热时效技术的缺点也是明显的：时效周期较长、能耗高、工件容易氧化、经济成本高、环境污染严重且不易处理大型工件、小尺寸工件、加热易受损伤的工件以及装配后无法热处理的装配件。

磁处理技术是一种通过动态磁场与钢铁材料相互作用来改善构件中残余应力分布的时效方法。磁处理技术具有操作简捷、能耗低等特点，但是该技术仅能处理铁磁性材料。电脉冲时效技术是将高能量脉冲电流注入材料内部，激发材料内部带电粒子的运动，最终达到降低材料内部残余应力的目的。电脉冲时效技术具有处理设备简单、环境污染小等特点，然而电容器放电产生的脉冲电流能量有限，只能处理小尺寸构件。爆炸法和锤击法是两种采用机械法消除残余应力的时效技术。这两种方法消除残余应力的效果有限，并且爆炸法只适用于那些在强大的冲击波作用下不会造成破坏的材料，锤击法需要锤击者具有较高的操作水平、合理的把握锤击的时机。

振动时效技术，是通过振动，使构件内部残余应力与附加振动应力之和超过材料的屈服极限，材料内部产生微量塑性变形，从而使材料内部残余应力得以降低。振动时效技术具有处理效果好、处理时间短、环境污染小、能耗低、易于现场操作等特点，属于高效节能绿色环保的时效处理技术；在二十一世纪振动时效技术具备了取代传统热时效技术的可能。

从上面的各种残余应力消除工艺的研究看出，这些残余应力消除工艺都是消除金属固体材料的残余应力，然而对于以凝固过程作为其最终加工环节的工件，凝固过程的影响尤为重要！对于凝固后还要经过进一步加工处理的工件，凝固的影响也特别明显，因为凝固过程形成的粗大微观组织和缺陷是很难在进一步加工处理中消除的。因此在材料制造的开始就控制好凝固过程具有特别重要的意义。

综上所述，我们不难发现上述的残余应力消除工艺都可以在一定程度上消除金属材料焊接成型后的残余应力，然而在焊接成型过程中金属在焊接高温的作用下会被熔化，金属液体在凝固结晶过程中会产生微观组织粗大缺陷，这些缺陷很难通过残余应力消除工艺进行消除。与此同时，随着微制造技术的不断发展，小尺寸工件的应用越来越广泛，比如MEMS器件朝着更小的尺寸发展，然而小尺寸工件焊接成型时产生的残余应力会对材料的性能产生严重的影响，如何消除小尺寸工件的残余应力已经成为微制造技术领域的一项重要研究课题。

为了改善金属材料焊接成型后的性能，本实用新型提出一种用于改善金属材料性能的高频振动焊接系统及方法，尤其适用于改善小尺寸工件焊接成型后的性能。

实用新型内容