CN102981008A - 超声冲击针速度测量实验设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声冲击针速度测量实验设备，包括底座、石英管、试样夹、固定螺钉、红外线测速仪和高速摄像机，其中底座、石英管、试样夹、固定螺钉用来固定试样和超声冲击枪，红外线测速仪和高速摄像机用于测速和摄像。本发明主要用于测量冲击过程中冲击针速度的变化和观察冲击针的具体运动情况，可以对冲击过程有更加直观的认识，从而达到更加深刻地分析超声冲击的机理，优化超声冲击工艺参数的作用。

Description

超声冲击针速度测量实验设备及其应用

技术领域

本发明属于超声冲击技术领域，更加具体地说，涉及一种新型超声冲击针测速实验设备。

背景技术

焊接过程中由于温度变化不均匀，会在焊后产生焊接残余应力。特别是接头部位，是整个结构中的薄弱环节，往往在焊接接头的焊趾处存在着各种焊接缺陷、应力集中和拉伸焊接残余应力，这些原因造成焊接接头处的疲劳强度远低于母材金属的水平。而残余应力对结构疲劳强度的影响是人们非常关心的问题，并且投入了大量的人力物力进行研究。研究结果表明焊接残余应力对疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力比有关，当应力比数值较低时影响非常大。

超声冲击通过发生器驱动冲击针产生机械振动，冲击针快速撞击工件表面，引起工件表面得到强化并产生变形。从而达到使金属表面产生一定深度的残余压应力层，从而改变焊接残余应力的分布来改善其性能。由于该方法使用灵活、效率高,因此适用范围广,不仅可以应用于焊接结构的制造过程中,而且可以应用于安装现场,是一种有效改善焊接接头残余应力的方法。

然而虽然超声冲击工艺的原理简单，和普通喷丸处理工艺类似，但由于实际冲击过程是冲击针在换能器和试件之间反复多次的撞击，冲击针的速度变化又及其复杂，且由于实际冲击过程中冲击针头和试件之间的距离太近而无法观察，导致国内外对超声冲击针在冲击过程中的最大速度，冲击针的加速机制以及冲击针作用于被处理金属材料之后形成塑性变形层的本质物理演变机理一直未得到很好的解释。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，为了解决超声冲击过程中冲击针速度变化复杂，冲击针头和试件之间距离太小无法之间用肉眼观察的问题，设计的实验设备、实验流程以及实验数据处理方法。以达到更加直观的观察冲击过程，分析超声冲击的机理，优化工艺参数的目的。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

超声冲击针速度测量实验设备，包括底座、石英管、试样夹、固定螺钉、红外线测速仪和高速摄像机五部分。

所述底座整体上为圆柱形，其一端设置为锥脚形，其端部设置有用来和石英管相连的圆孔；其另一端的圆周上设置有螺纹和装卸凸起，用于和超声冲击枪体外壳连接，其内部为腔室（即内腔），所述超声冲击枪外壳通过螺纹和装卸凸起（法兰扣上并锁死）实现连接后，可使超声冲击枪的传动机构位于腔室（即内腔）中并顶住位于石英管中的冲击针。

所述石英管是透明的，外部标有尺寸，外径和底座端部的圆孔直径相配合，内径和长度有多种尺寸，可以根据实验测试的冲击针直径进行选择，其一端与底座相连，开口位于底座内腔的上方，以避免超声设备直接作用在石英管上造成石英管的损伤；另一端与试样夹相连，管口位于试样夹中部的通孔处，以使冲击针能够作用在试样表面。

所述试样夹是圆柱形的，一端设置有和石英管连接的圆形孔，孔的直径和石英管外径相同，另一端设置有螺纹孔，用于和固定螺钉配合，所述试样夹的中间部位开有一个矩形的通孔，用来装卡试件；一般情况下试样夹和石英管是固定在一起的，对于特殊的试样或者实验要求可以选择拆分型，实验时自行组装，连接处用紧固橡胶垫固定。

固定螺钉的外螺纹和试样夹的内螺纹配合，其作用是固定试样位置，保证实验过程中试样无法移动。

红外线测速仪主要是用于测量实验过程中冲击针速度的。高速摄像机负责对实验的整个过程进行拍摄，并可以通过每毫秒多帧拍摄对冲击针速度和运动情况进行分析。

本方法的技术方案可以用于超声冲击设备对各种材料进行实验，冲击过程中冲击针速度的测量和过程的观察，利用本发明的设备可实现对超声冲击过程中冲击针的速度变化和运动情况：首先按照试样夹的尺寸加工试样，根据实验要求选取合适内径和长度的石英管，组装实验设备，把冲击针放入石英管中，将冲击枪稳定地固定在试验台上，然后把底座和超声冲击枪体相连，冲击枪上的传动机构放置在底座的内腔中，并顶住位于石英管中的冲击针，装卡试样后就可以进行实验了。启动超声冲击设备，冲击针将会在冲击枪和试件之间来回撞击，用固定在特定高度的红外线测速仪记录下冲击针通过该高度时的速度，并可通过高速摄像设备观察冲击过程中冲击针的速度变化和运动情况。

通过本发明的技术方案可以得到正常冲击过程中的冲击针速度值，并可根据冲击过程中的速度变化通过有限元模拟的方式获得试件表面的残余应力分布情况。

本发明针对超声冲击过程中由于冲击针在换能器与试件之间的撞击运动过于复杂且由于运动空间太小不易观察，导致无法分析超声冲击过程与实验结果之间关系问题而研发的一种实验设备。该实验设备的发明主要用于测量冲击过程中冲击针速度的变化和观察冲击针的具体运动情况，可以对冲击过程有更加直观的认识，从而达到更加深刻地分析超声冲击的机理，优化超声冲击工艺参数的作用。本发明的技术方案解决了由于冲击过程中冲击针和试件之间距离太小、冲击针速度变化复杂、影响因素太多而导致无法直观观察超声冲击过程，分析冲击针速度变化机制的问题，为进一步分析超声冲击的机理，优化工艺参数的作用奠定了基础。本发明也为窄间隙，复杂变化型实验数据的获得提供了思路，对超声冲击的理论研究方面有重要的意义。

附图说明

图1本发明的超声冲击针速度测量实验设备的结构示意图，其中1为底座，2为石英管，3为试样夹，4为固定螺钉，5为红外测速仪，6为高速摄像机。

图2本发明的超声冲击针速度测量实验设备的剖面示意图，其中1为底座，2为石英管，3为试样夹，4为固定螺钉，5为红外测速仪。

图3本发明的超声冲击针速度测量实验设备的剖面示意图，其中1为底座，2为石英管，3为试样夹，4为固定螺钉，6为高速摄像机。

图4实验测得的冲击针速度变化图片

图5实验测得的冲击针速度视频截图

图6超声冲击处理过后的试件沿厚度方向的残余应力分布模拟图

图7超声冲击处理过后的试件沿厚度方向的残余应力分布的实测图

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，使用的红外测速仪为英国真尚有集团深圳市真尚有科技有限公司的ZLS-C50测长传感器，高速摄像机为北京中西远大科技有限公司的SHJQ-MotionPro-Y3。

实施例1：装配红外线测速仪

如附图1-2所示，本发明实验过程中可以用红外线测速仪进行冲击过程中冲击针速度的采集，其结构包括：底座1、石英管2、试样夹3、固定螺钉4和红外线测速仪5。

圆柱形的底座末端带有螺纹和超声冲击枪体配合，还带有装卸凸起，可以用法兰将底座和枪体固定，底座前端成锥脚形，端面开有圆形孔用来和石英管连接。石英管作用是延长冲击针的行程，有利于对冲击过程中冲击针的速度变化进行观察和速度的采集，连接底座和试样夹。试样夹成圆柱形，一端开有直径和石英管外径相同的孔，另一端带有和固定螺钉配合的螺纹孔，中部带有矩形通孔，用来装卡试件。固定螺钉用来和试样夹固定试件，保证实验过程中试样不会发生移动。红外线测速仪负责进行冲击过程中冲击针速度的采集。

实施例2：装配高速摄像机

如附图1-3所示，本发明实验过程中可以用红外线测速仪进行冲击过程中冲击针速度的采集，其结构包括：底座1、石英管2、试样夹3、固定螺钉4和高速摄像机6。

圆柱形的底座末端带有螺纹和超声冲击枪体配合，还带有装卸凸起，可以用法兰将底座和枪体固定，底座前端成锥脚形，端面开有圆形孔用来和石英管连接。石英管作用是延长冲击针的行程，有利于对冲击过程中冲击针的速度变化进行观察和速度的采集，连接底座和试样夹。试样夹成圆柱形，一端开有直径和石英管外径相同的孔，另一端带有和固定螺钉配合的螺纹孔，中部带有矩形通孔，用来装卡试件。固定螺钉用来和试样夹固定试件，保证实验过程中试样不会发生移动。高速摄像机负责拍摄超声冲击的整个过程，通过每毫秒的多帧拍摄对冲击针速度的变化进行分析。

方案3：拆分式石英管和试样夹的装配

本发明在实验过程中多数都是石英管和试样夹一体式，但为了满足某些实验的特殊要求，也设计有拆分是的石英管和试样夹。石英管和试样夹外形和尺寸与一体式的相同。装配时试样夹一端的圆孔和石英管连接，连接处用紧固橡胶垫固定。其余的装配和方案1及方案2相同。

对5A06铝合金进行超声冲击过程中冲击针速度变化的观察测试实验，5A06铝合金的化学成分如表1-1。

表1-15A06铝合金化学成分（%）

天津天东恒科技发展有限公司生产的HJ-III型超声冲击设备，超声冲击设备的频率为17000HZ，其他可调的工艺参数主要包括：振幅，电流，冲击针直径。所选的工艺参数如表1-2。

表1-2超声冲击工艺参数

频率(KHz)	电流(A)	振幅(μm)	冲击针直径(mm)
				17	1.08	15.2	4

实验测得的冲击针速度变化图片和视频截图如图1-4和图1-5。在图片和视频中可以清晰的看到冲击针的运动情况和速度变化。照片是利用高速摄像机采集的，可以选择拍摄每秒1000-6000张，对连续多帧照片进行分析可以获得冲击针在1毫秒中的速度变化情况，其中冲击针的运动过程和速度变化趋势和超声冲击的实际情况相同。

通过对实验测得的冲击针运动过程和速度进行有限元仿真模拟分析，可以对相应的实际超声冲击处理过后的试件沿厚度方向的残余应力分布进行模拟，模拟所得应力分布图如图1-6，实测得残余应力图如图1-7（测量仪器：RIGAKU D/MAX 2500V/PCX射线衍射仪进行压缩应力的测试）。两者结果十分接近。

模拟软件：使用的是ABAQUS软件，这是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS有两个主求解器模块-ABAQUS/Standard（通用程序）和ABAQUS/Explicit（显示积分）。使用的是ABAQUS/Explicit。冲击针采用的是节点线性四面体单元C3D4模型，共4480个节点，20045个单元。试件是平板形采用的是三维八节点缩减积分单元C3D8R模型，共127961个节点，121600个单元。板件边缘设置三维约束。赋给冲击针模型的初速度就是测得的冲击针刚从冲击枪里发射出去的相应速度，按照测速试验测得的速度相应给冲击针赋予速度，模拟出一个区域内试件被冲击针多次撞击后表面的残余应力场分布，直到应力场基本不再变化为止（参考喷丸的计算机模拟条件进行，Simulation of residual stressesby shot peening，Computers and Structures 72(1999)329–340）。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.超声冲击针速度测量实验设备，其特征在于，包括底座、石英管、试样夹、固定螺钉、红外线测速仪和高速摄像机

所述底座整体上为圆柱形，其一端设置为锥脚形，其端部设置有用来和石英管相连的圆孔；其另一端的圆周上设置有螺纹和装卸凸起，用于和超声冲击枪体外壳连接，其内部为腔室，所述超声冲击枪外壳通过螺纹和装卸凸起实现连接，可使超声冲击枪的传动机构位于腔室中并顶住位于石英管中的冲击针；

所述石英管的外径和底座端部的圆孔直径相配合，其一端与底座相连，开口位于底座内腔的上方，以避免超声设备直接作用在石英管上造成石英管的损伤；另一端与试样夹相连，管口位于试样夹中部的通孔处，以使冲击针能够作用在试样表面；

所述试样夹是圆柱形的，一端设置有和石英管连接的圆形孔，孔的直径和石英管外径相同，另一端设置有螺纹孔，用于和固定螺钉配合，所述试样夹的中间部位开有一个矩形的通孔，用来装卡试件；

所述固定螺钉的外螺纹和试样夹的内螺纹配合，其作用是固定试样位置，保证实验过程中试样无法移动；

所述红外线测速仪是用于测量实验过程中冲击针的速度；所述高速摄像机用于对实验的整个过程进行拍摄，并可以通过每毫秒多帧拍摄对冲击针速度和运动情况进行分析。

2.根据权利要求1所述的超声冲击针速度测量实验设备，其特征在于，所述石英管是透明的，外部标有尺寸。

3.根据权利要求1所述的超声冲击针速度测量实验设备，其特征在于，所述试样夹和石英管是固定连接在一起的，或者所述试样夹和石英管彼此分离，在组装时连接处用紧固橡胶垫固定。

4.如权利要求1或者2所述的超声冲击针速度测量实验设备在超声冲击过程中冲击针的速度变化和运动情况测试中的应用，其特征在于，首先按照试样夹的尺寸加工试样，根据实验要求选取合适内径和长度的石英管，组装实验设备，把冲击针放入石英管中，将冲击枪稳定地固定在试验台上，然后把底座和超声冲击枪体相连，冲击枪上的传动机构放置在底座的内腔中，并顶住位于石英管中的冲击针，装卡试样后启动超声冲击设备，冲击针将会在冲击枪和试件之间来回撞击，用固定在特定高度的红外线测速仪记录下冲击针通过该高度时的速度，并可通过高速摄像设备观察冲击过程中冲击针的速度变化和运动情况。

5.根据权利要求4所述的超声冲击针速度测量实验设备在超声冲击过程中冲击针的速度变化和运动情况测试中的应用，其特征在于，利用红外线测速仪可得到正常冲击过程中的冲击针速度值，并可根据冲击过程中的速度变化通过有限元模拟的方式获得试件表面的残余应力分布情况。

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