CN103045845A - 一种残余应力的高能超声声场调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种残余应力高能超声声场调控的方法。该方法从残余应力得以消除的过程实质出发，主要是利用高能声波的粒子波动能量给位错原子以足够的动力，克服其阻力，通过滑移出晶体内部，实现晶格畸变的减少，残余应力得到消除。该方法同时还给出高能超声提供给材料质元的能量公式，依此给出选择高能超声换能器的方法，实现对金属或非金属构件残余应力的高能超声声场调控。本发明工艺简单，能有效地解决现阶段残余应力对构件的使用性能、尺寸稳定性、疲劳强度、耐磨性及应力腐蚀开裂等造成的诸多影响，具有高效、节能、环保等特征，应用前景非常广阔。

Description

一种残余应力的高能超声声场调控方法

一、技术领域

本发明涉及一种消除弹性固体构件中残余应力的方法，尤其涉及一种利用高能超声声场，实现对在役金属或非金属构件局部残余应力分布的原位消除、抑制和重建。

二、背景技术

弹性固体构件在冷、热加工过程中都会不同程度地产生残余应力，残余应力的存在对构件的静态强度、疲劳强度、结构变形和使用寿命等方面有着重大的影响。

传统采用自然时效、热处理等方法进行残余应力消弱和消除。但是自然时效耗时长、效率低、占地面积大、不易调控；热处理法周期长、能耗高、经济成本高、工件易氧化、污染严重，而且不易处理大型构件或加热易受损的构件。

由于传统的消除方法不尽人意，随着理论研究的深入和在生产实践中不断的创新，残余应力消除新技术不断涌现。如论文：（林健,赵海燕,蔡志鹏,等.脉冲磁处理法降低工程结构的焊接残余应力[J].清华大学学报(自然科学版),2007,47(2):161-164.）中提到了一种通过动态磁场与钢铁材料相互作用来改善工件中残余应力分布的新方法。但这种技术的不足之处是磁路装置较为复杂，现场使用操作较不方便，且仅仅应用于焊接产生的残余应力。

专利：（李斌,刘志强.一种超声冲击消除焊接中残余应力的方法及其应用[P].申请号:201010593757.8,2010.）中提出了利用超声冲击来消除残余应力的方法。该方法同样存在不足：超声冲击在均化在役构件残余应力的同时，机械构件表面由于受到变幅杆冲击影响，通常会带来冲击损伤甚至是裂缝或微小裂纹，对在役金属构件来说，这些冲击损伤是绝对不允许出现的，将极大地影响机械结构的安全和可靠性。实质上，以上两种方法都不适合非金属构件（如复合材料、陶瓷、玻璃等）残余应力的消除。

利用高能超声声场不仅能实现金属或非金属构件残余应力的原位消除和调控，提高构件的使用性能、尺寸稳定性、疲劳强度、耐磨性等，而且本发明工艺简单，具有高效、节能、环保等特征。

三、发明内容

本发明的目的是通过研究高能超声声场对残余应力的调控方法，给出高能超声声场与构件内残余应力的作用关系，以及调控效果与高能声场的频率、功率和作用时间的关系，并提出最佳调控方案。

本发明所述的残余应力高能超声声场调控方法，其原理在于：

残余应力得以消除的过程实质是储存在材料中的弹性应变能通过微观或局部塑性变形逐渐释放的过程，也即与位错的运动有关。要消除残余应力，就是给位错原子以足够的动力，克服其阻力，通过滑移出晶体内部，实现晶格畸变的减少，残余应力得到消除。

声场中取一足够小的质元，其体积为V₀，压强P₀，密度为ρ₀，

质元V₀在速度为c的声波作用下获得的总能量E＝E_k+E_p，即：

$E=E_k+E_p=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_0{V}_0{c}^2+\frac{1}{2}\frac{p^2}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}^2}{V}_0---\left(1\right)$

式中，E_k为该质元所活动的动能，E_p为该质元所活动的势能。

传声媒质中任何一点的声压P都是时间t与频率f的函数：

P＝sA iπn                              （2）

式中，A为声压振幅。

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，声束扩散和散射以及介质吸收等会使超声波在传播过程中引起衰减，当平面波在介质中传播时，其声压衰减可用下式表示：

P_a＝P₀e^-ax                           （3）

式中，P₀为起始声压，P_a为超声波从声压为P₀处传播一段距离x后的声压，a_x为衰减系数。

金属晶粒引起散射衰减，晶粒尺寸远小于超声波的波长，所以，散射衰减系数可以用下示表示：

a_s＝CFd³f³                             （4）

式中：C常数，f超声频率，F各项异性因子，d晶粒直径

吸收衰减主要是由介质内摩擦引起的吸收和热传导造成的。吸收衰减的表达式为：

$a_x=\frac{{2\mathrm{\π}}^2{f}^2{K}^2}{{\mathrm{\ρc}}^3}(\frac{1}{c_v}+\frac{1}{c_p})---\left(5\right)$

式中：f超声波频率，ρ介质密度，K热传导系数，c_v定容比热，c_p定压比热

由式（5）可知，超声传播的衰减系数a_x与频率f的平方成正比，而与声速的立方成反比，由于ρ、c_v、c_p与材料属性有关，所以超声传播能量的衰减与传播超声的材料本身也有关系。

联立方程（1）（2）（3）（4）（5）得：

高能超声提供的离功率超声源距离为x的质元所获得的能量为：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_0{V}_0{c}^2+\frac{1}{2}\frac{{\left(A\sin 2\mathrm{\πft}\right)}^2{V}_0}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}^2}\exp [-2x({\mathrm{CFd}}^3{f}^3+\frac{{2\mathrm{\π}}^2{f}^2{K}^2}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_3}(\frac{1}{c_v}+\frac{1}{c_p}))]---\left(6\right)$

由上诉原理分析可知，当高能超声声场提供给构件内部质元的能量E大于由于位错产生的束缚能W时，金属内部的残余应力将得以释放。这从理论上初步证明了利用高能量超声波是可以控制残余应力的，但是，控制的效率和效果与材料特性、激励频率、耦合方式和控制的局部位置等因素有关。

由方程（6）可知，高能超声提供金属内部质元的能量与金属材料本身的密度ρ₀、材料的定容比热c_v，定压比热c_p等固有属性成正比，与超声在其内部传播的速度c成反比；同时，与超声本身提供的声压振幅A和频率f的平方成正比。由于对某一材料内部残余应力进行调控时，其材料本身的密度ρ₀、定容比热c_v，定压比热c_p等固有属性不变。因此，对于残余应力较大的工件，为了达到最佳调控效果，应使用较大功率的高能换能器以提供较大的声压振幅A，且高能换能器能够激励出较大频率f的超声声场。

四、具体实施方式：

下面对本发明的具体实施步骤进行详细说明：

1）测量工件待调控区域的残余应力值的大小，对于残余应力较大的工件，需要采用激励频率和功率较大的高能超声换能器；对于残余应力较小的工件，可采用相对较小激励频率和功率的高能超声换能器进行调控。

2）高能声场处理一定时间后，再次测量调控区域的残余应力值。

3）对比当前残余应力值与所需调控值，若达到调控效果，则停止继续调控，若未达到，则重复步骤2，直到达到调控效果后，停止调控。

Claims (6)

1.一种残余应力的高能超声声场调控方法，其特征在于：通过研究高能超声声场对残余应力的调控方法，给出高能超声声场与构件内残余应力的作用关系，以及调控效果与高能声场的频率、功率、作用时间、耦合夹持方式的关系，提出最佳调控方案。

2.根据权利要求1所述最佳调控方案，其特征在于：1）先测量工件待调控区域的残余应力值大小，根据应力值，选择一定激励频率和功率的高能超声换能器进行调控；2）待处理一段时间后，再次测量调控区域的残余应力值；3）对比当前残余应力值与所需调控值，若达到调控效果，则停止继续调控，若未达到，则重复步骤2，直到达到调控效果后，停止调控。

3.根据权利要求1所述的高能声场的频率，其范围为20KHz~600KHz，其具体选值由应力调控状态而定。

4.根据权利要求1所述的高能声场的功率，其范围为40W~1000W，其具体选值由应力调控状态而定。

5.根据权利要求1所述的高能声场的作用时间，其范围为10分钟~10小时，其具体选值由应力调控状态而定。

6.根据权利要求1所述的耦合夹持方式，其特征在于耦合方式可以选择固体耦合和液体耦合，夹持方式可采用磁吸式螺纹紧固夹持。