CN103076821A - 弹性固体残余应力场的原位声能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料残余应力消除领域，具体为一种弹性固体残余应力场的原位声能控制方法。该方法主要是采用一个或多个聚焦高能换能器，通过控制高能超声束的入射角、频率和相位等不同激励参数，在试件的远场形成高能的聚焦区，利用高能声波的粒子波动能量促进位错滑移、消弱或改变晶格间约束力，以此定量调节和控制构件表面、亚表面和内部不同深度的局部残余应力状态。发明提出的采用多个聚焦高能超声换能器进行远场聚焦方法很好的解决了单个超声换能器功率不足的问题。本发明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，原理先进、处理效果好、可处理材料多。

Description

弹性固体残余应力场的原位声能控制方法

一、技术领域

本发明涉及金属或非金属材料在加工和使用过程中形成残余应力的调控方法，特别是涉及一种局部残余应力的超声聚焦定量调控方法。

二、背景技术

我国制造业正在从大国走向强国，而产品在生产制造过程中会不可避免的产生残余应力，残余应力的影响贯穿着产品的全寿命周期，这将极大地影响着工业制造水平、机械装备的性能、安全性、可靠性和人民的生命财产安全。

制造过程产生残余应力的原因可以归纳为以下几类：①不均匀塑性变形产生的残余应力；②金属相变产生残余应力；③热作用产生的残余应力；④化学变化产生的残余应力。由此可见，在制造过程中，残余应力的产生是极其普遍的，也是极难预测的，目前为止，仍然没有较好的残余应力的控制理论与方法来满足实际生产需求。

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。

振动时效技术是近五十年才发展起来的采用机械法消除残余应力的技术。当构件产生较强烈机械振动时，振动应力与材料内部残余应力相叠加大于材料的屈服极限时，在工件内部发生微观和宏观的塑性变形，使残余应力降低和均匀化。该方法的不足之处在于：①应用面窄，约77%的构件由于高刚性、高固有频率而无法振动；②效果差，无法进行多维残余应力的消除，处理效果无法达到热时效效果；③操作复杂，传统振动时效设备处理工件时，调整激振点、支撑点和拾振点很繁琐；④噪音污染严重，工件在固有频率附近振动，噪声极大，工作现场环境恶劣。该方法也难以用于在役构件残余应力消除。

爆炸法和静态作用力法是另外两种采用机械法消除残余应力的典型方法，它们的原理都是通过外加载荷与内部残余应力叠加，从而使材料内部发生塑性变形，释放残余应力。不足之处在于：爆炸法只适用于那些在强大冲击波下不会造成破坏的材料，而静态作用力法对构件静态加载的能力有特殊要求。

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。

申请号为200910024032.4的专利公开了一种降低铁磁性金属材料残余应力的方法。该方法通过脉冲电流和脉冲磁场处理铁磁性金属材料，处理时间为10~50s，脉冲电流密度为10²~10⁴A/cm²，磁场强度为0~2.25T。该发明的不足之处在于影响残余应力消除效果的因素较多，操作复杂，难以实现在役构件残余应力的原位消除。

申请号为201010593757.8的专利公开了一种利用超声冲击消除焊接中残余应力的方法。该方法主要是利用超声冲击装置，所述的超声冲击装置主要包括超声波发生器、声学系统与机架。在400℃~800℃的温度下，将超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使焊缝部位表面产生足够深度的塑变层。该发明不足之处在于超声冲击在均化在役构件残余应力的同时，通常会带来冲击损伤甚至是裂缝或微小裂纹，这些裂纹将极大地影响机械结构的安全和可靠性。

申请号为200710012265.3的专利公开了一种消除钢中残余应力的方法。该方法可以在有效消除钢中残余应力的同时，基本不影响钢中的组织结构。对具有残余应力的钢（不如淬火）进行脉冲电流处理，脉冲处理后的材料在保持所需微结构的同时部分乃至完全消除了材料中的残余应力。但是不足之处在于该发明采用单一的脉冲电流，脉冲电流峰值大，作用时间短。

申请号为200610112911.9的专利公开了一种降低钢铜石墨复合板界面残余应力的方法。该发明对钢铜石墨半固态复合板在室温下进行压下率为0.6~1.4%的轧制处理，利用轧制处理产生的铜石墨覆盖层与钢板变形量的差异来弥补复合凝固冷却过程中铜石墨覆盖层与钢板收缩量的差异，进而降低复合板界面残余应力。该方法的不足之处在于适用的对象较窄，仅仅局限于钢铜石墨复合板界面处的残余应力。

三、发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种弹性固体残余应力场的原位声能控制方法。该方法采用超声聚焦调控技术，将多个高能超声换能器激励出的超声能量通过高能聚焦，注入到材料局部残余应力集中区域，达到消除局部残余拉应力，提高残余压应力的作用。这种方法对于金属和非金属材料都适合，并且适用于在役机械构件局部残余应力的原位消除。

本发明采用的技术方案：

先将一个或多个聚焦高能换能器布置在残余应力需要调控的区域周围，其布置方式受现场具体工装条件和聚焦换能器的个数而定，聚焦换能器与工件通过夹持装置连接，接触面涂上耦合剂以减小超声能量损失和降低工作温度；然后将换能器正负极与超声激励多路控制柜的正负极输出端相连，控制柜连接高能超声发生器；接通超声发生器电源，使得聚焦超声换能器产生超声波动能量，并对残余应力集中区域进行远场声场聚焦处理。单个换能器的电流较价范围为0.1-1A，处理温度在常温下进行，保持一定的连续聚焦处理时间。

高能超声聚焦的关键技术在于聚焦控制方式，本发明利用高能超声换能器与多阵元聚焦声透镜组成的聚焦系统，是一种有效、实用的聚焦方式。为了更好的实现材料内部局部残余应力控制，使用多个高能超声换能器同时激发聚焦，利用声场几何聚焦原理，在聚焦处产生高能波动，原理如图1所示。这种高能超声聚焦方法很好的解决了单个超声换能器功率不足的问题，利用自动控制技术协调各个高能换能器在同一坐标系下将超声波聚焦到残余应力需要调控的目标区域，

通过控制高能超声束的入射角度、频率和相位等不同激励参数，在构件内不同深度处形成相对高能的聚焦区，以便调节和控制构件表面、亚表面和内部不同深度的残余应力状态，用上述衍射理论来描述声透镜的高能声场分布能够较好的获得准确的结果。

在高能超声聚焦处理一段时间后，利用残余应力测量系统及时准确测量出残余应力实时状态，这些要依靠相应的计算机控制系统和与之相配套的工作台、夹具等装置实现，将实时残余应力状态反馈到控制系统，系统将根据调控的实时效果控制处理时间，达到准确定量局部调控残余应力的目的。

本发明有益的效果：

采用多个一定功率、频率的聚焦换能器对45#钢试件进行一定时长的高能声场处理，聚焦换能器布置方法如图2所示。试验前，对测量面上的8个测量区域利用超声波残余应力测量系统测量，试验后，再次测量其应力值。

结果表明：聚焦区域的残余应力值变化明显，而远离聚焦区域的残余应力值变化不大。这表明通过调整和控制高能超声的激励规律、远场聚焦，可能实现有效地、量化地对弹性固体构件局部的残余应力状态进行改变和控制，达到消除和抑制有害残余应力，增强有益残余应力的目的。利用超声能量对残余应力场的状态进行调控这一技术将具有广阔的实际应用价值。

同其它消除残余应力的方法相比，本发明提出的利用超声聚焦定量调控材料局部残余应力的方法具有以下几个优点：

（1）原理先进、处理效果好：本发明从残余应力产生的根源着手，将大功率超声的能量注入到应力调控区域，恰当地改变原有的位错结构，使得位错从不稳定的高能位运动到低能位相对稳定的位置。原来的位错构造被打破，重新形成新的低组态能、低弹性性能的构造，即残余应力重新分布，应力水平下降，进而达到消除构件残余应力，增加材料尺寸稳定性；

（2）能耗低、处理速度较快：本发明利用调控系统控制高能超声束的入射角度、频率和相位等不同激励参数，短时间内在残余应力需要调控的部位形成高能的聚焦区，改变该区域内的位错产生滑移和塑性应变，从而对残余应力进行调控；

（3）设备简单、操作简便、成本低廉：本发明的最小硬件配置是高功率超声发生器和聚焦高能超声换能器以及相应的辅助夹持装置即可；

（4）无污染：超声对人体无害，高能超声处理的噪音小，安全可靠，几乎没有任何污染；

（5）可处理材料种类多：本发明适用于所有弹性固体构件，包括金属或非金属材料。

四、附图说明

图1（a）单一换能器声场模型及其坐标系

图1（b）多换能器聚焦阵列声场模型及其坐标系

图2高能声场远场聚焦示意图。图中，1聚焦超声换能器；2聚焦区域；3应力试件。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

图2为本发明高能声场远场聚焦处理示意图。从图2可以看出，本发明采用一个或多个聚焦超声换能器在工件的应力区域产生高能超声聚焦。在常温下，通过一定频率和功率的高能超声，在一定允许发热温度下连续调控一段时间。

实施例1

将45#钢试件局部淬火产生残余应力，在残余应力集中部位布置4个高能聚焦换能器，开启超声发生器电源，4个高能超声换能器同时激发聚焦，在聚焦处产生高能作用，对残余应力集中区域进行残余应力调节。单个聚焦换能器电流为0.1-1A，功率和频率采用三组搭配：60W/28KHz、60W/20KHz、40W/28Kz，保持作用时间分别为10分钟、20分钟、40分钟、80分钟。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

作用材料为H62铜试件，单个聚焦换能器电流为0.1-1A，功率和频率采用三组搭配：60W/28KHz、60W/20KHz、40W/28Kz，保持作用时间分别为40分钟、80分钟、160分钟。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

作用材料为普通平板玻璃试件，单个聚焦换能器电流为0.1-1A，功率和频率采用：60W/28KHz，保持作用时间分别为20分钟、40分钟、60分钟。

实施例4

与实施例1不同之处在于：

作用材料为6061铝合金试件，单个聚焦换能器电流为0.1-1A，功率和频率采用：60W/28KHz，保持作用时间分别为30分钟、60分钟。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (3)

1.一种弹性固体残余应力场的原位声能控制方法，其特征在于：该方法先将一个或多个聚焦高能换能器布置在残余应力需要调控的区域周围，聚焦换能器与工件通过夹持装置连接，接触面涂上耦合剂以减小超声能量损失和降低工作温度；然后将换能器正负极与超声激励多路控制柜的正负极输出端相连，控制柜连接高能超声发生器；接通超声发生器电源，使得聚焦超声换能器产生超声波动能量，并对残余应力集中区域进行远场声场聚焦处理。超声聚焦定量调控后的工件表面残余应力场得以调整，表面残余压应力增加，疲劳强度得到提高。

2.根据权利要求1所述的多个换能器的布置，其布置方式受现场具体工装条件和聚焦换能器的个数而定，考虑布置方式与残余应力调控的关系。

3.根据权利要求1所述的超声远场聚焦处理，为达到残余应力定量调控效果，考虑单个换能器的电流范围为0.1-1A，处理温度在常温下进行，保持一定的连续聚焦处理时间。

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