CN103135622A - 局部残余应力超声检测与闭环控制装置 - Google Patents

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宋文涛
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Abstract

本发明涉及一种局部残余应力超声检测与闭环控制装置。主要是针对受现场使用环境和条件限制，服役大型金属桁架结构、船体、压力容器等机械构件出现残余应力时，无法或很难用回火、载荷法、冲击振动法等传统方法改变残余应力状态的问题。利用夹持装置，将高能超声换能器与机械构件固连。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，采用聚焦换能器在弹性固体构件内不同深度处形成相对高能的聚焦区，调节构件的残余应力状态。同时，利用声弹效应及时测得构件的宏观残余应力，形成残余应力闭环控制系统。调控后，整体上提高了服役机械构件的强度、抗疲劳和耐腐蚀能力，增强了构件使用寿命、安全性和可靠性。

Description

局部残余应力超声检测与闭环控制装置
一、技术领域
本发明涉及一种利用高能声场，实现对在役机械构件局部残余应力分布的原位消除、抑制和重建的装置。此装置体积小，操作简单，重量轻，便于携带。本发明成果可广泛应用于航空航天、船舶、机床行业、工程机械、煤矿机械、铸造、锻造、焊接、模具、核电、风电等多个领域。
二、背景技术
残余应力是金属加工过程中由于不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性，在形变后保留下来的应力。残余应力对机械构件的可靠性有很大影响，特别是对结构件的疲劳寿命、尺寸稳定性和抗腐蚀能力影响很大并且会导致应力集中，从而导致材料产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下导致材料断裂。因此，针对构件残余应力消除与调控的关系重大。
传统上采用自然时效、热处理等方法进行残余应力消弱和消除，而新的残余应力消除技术有如：冲击振动、频谱谐波、超声波冲击等。传统方法的能耗高、占地面积大、效率低下，而新的技术又难以用于在役机械构件和大型机械装备的残余应力消除。
申请号为：200710156921.7，名称为用电击时效法消除材料内部残余应力的方法及系统。该发明提出的电击时效法是将电能注入材料内部使带电粒子运动或高分子粒子产生极化运动，从而实现微观激励，并最终降低或消除残余应力，该方法适用于所有导电和绝缘材料。但是该设备的不足之处在于受输出功率的限制，被处理材料的尺寸有限，难以处理较大型的在役构件。
申请号为：200620102802.4，名称为：一种用于消除残余应力的激振装置。该发明提供了用于消除残余应力的激振装置。包括底座，自里向外同轴线装置的线圈骨架、交流线圈、直流线圈、内套筒、弹簧和外套筒，线圈骨架的中心孔置于底座的定位凸台上，并与底座紧固，在线圈骨架的中心孔内置有超磁致伸缩棒和定位块，定位块的一端与超磁致伸缩棒接触，另一端置于内套筒的中心定位凹孔内。该装置结构简单，散热性好，通过改变交流电源的频率可以方便的实现高频振动，振动频率可达1000-3000Hz，能有效防止工件产生疲劳损伤。该装置的不足之处在于采用机械振动的方法降低残余应力，处理效果不是很显著。
采用高能声场局部聚焦调控残余应力可以解决上述问题。将在役弹性固体机械构件置于高能声场中，利用外加高功率声能，实施对残余应力状态的局部定量调控。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，采用聚焦换能器在弹性固体构件内不同深度处形成相对高能的聚焦区，以便调节构件表面、亚表面和内部不同深度（包括大小、方向及分布）的残余应力状态。同时，利用声弹效应及时测得构件的宏观残余应力，形成残余应力闭环控制系统，最终实现对构件局部残余应力状态的调节和控制。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种局部残余应力超声检测与闭环控制装置。该装置有效的实现了对在役机械构件局部残余应力分布的原位消除、抑制和重建。
为达到上述目的，本发明的构思是：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，采用聚焦换能器，在弹性固体构件内不同深度处形成相对高能的聚焦区，以此改变应力状态。同时，利用声弹效应及时测得构件的宏观残余应力，形成残余应力闭环控制系统。
根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下：
如图1所示，通过超声信号激励多路控制器控制高功率超声放大器产生驱动信号，驱动信号激励高能超声换能器产生不同频率、相位的高能超声束，利用高能超声束的能量对残余应力进行调节。采用残余应力检测换能器对构件残余应力进行检测，并将信号传输给超声信号处理模块，处理模块将检测到的残余应力信息实时的传给残余应力闭环控制器，闭环控制器与超声信号激励多路控制器相连，从而形成残余应力闭环控制系统。
图2为聚焦高能换能器导向头结构图。利用Snell定律原理，设计出聚焦高能换能器来控制高能声束的入射角度，实现声束在构件内部的局部定量聚焦。
综合以上所采用的技术方案，实现了本发明的目的。
本发明的有益效果是：不仅设计合理、简单实用，而且具有操作方便、提高工作效率、节约成本、减少污染等特点。
四、附图说明
图1本发明的残余应力高能声场闭环调控系统原理图。
图2本发明的聚焦高能换能器导向头三视图。
在图1中，1：高能超声换能器；2：高功率超声放大器；3：超声信号激励多路控制器；4：残余应力闭环控制器；5：超声信号处理模块；6：聚能器；7：耦合剂；8：工件；9：残余应力检测换能器。
五、具体实施方式：
本发明的具体实施方案结合附图详述如下：
如图1所示，是本发明闭环调控系统原理图，其中包括了：高能超声换能器（1）、高功率超声放大器（2）、超声信号激励多路控制器（3）、残余应力闭环控制器（4）、超声信号处理模块（5）、聚能器（6）、耦合剂（7）、工件（8）、残余应力检测换能器（9）。在对某一工件进行残余应力调控时，先通过超声信号激励多路控制器（3）配合软件控制多个高功率超声放大器（2）产生驱动信号，驱动信号激励多个高能超声换能器（1）产生高能超声束，聚焦高能超声束的能量对残余应力进行调节。同时，利用残余应力检测换能器（9）实时检测调节区域的残余应力数值大小，并将采集的信号发送给超声信号处理模块（5），经信号处理后，通过残余应力闭环控制器（4）将实时应力值反馈给超声信号激励多路控制器（3），从而实现了对该工件残余应力高能声场的闭环调控。
聚焦换能器导向头如图2所示，用于控制高能声束的入射角度，实现声束在构件内部的局部定量聚焦。

Claims (5)

1.局部残余应力超声检测与闭环控制装置，其特征在于：它包括高能超声换能器、高功率超声放大器、超声信号激励多路控制器、残余应力闭环控制器、超声信号处理模块、高能超声换能器、聚焦换能器、耦合剂、残余应力检测换能器。
2.根据权利要求1所述的超声信号激励多路控制器，其特征在于：多路控制器（3）处理残余应力闭环控制器（4）反馈的工件实时残余应力值，对比预先设置的残余应力调控效果，控制多路高功率超声放大器（2）输出相应的驱动信号，从而激励高能超声换能器（1）产生不同频率、相位的高能超声束。
3.根据权利要求1所述的高能超声换能器，其特征在于：利用夹具装置将高能超声换能器（1）与工件固连，具有一定的夹紧力，换能器（1）与工件接触的区域涂上耦合剂，以减少高能声束进入工件时的损耗，并降低振动引起的热量。
4.根据权利要求1所述的残余应力检测换能器，其特征在于：采用一发一收模式，将采集到的临界折射纵波在工件被调控区域内传播的声时输入到超声信号处理模块（5），通过算法可以实时的计算出调控区域的残余应力。
5.根据权利要求1所述的聚焦换能器，其特征在于：利用Snell定律原理，设计出聚焦高能换能器导向头与底面保持一定倾斜角度，以实现声束在构件内部的局部定量聚焦。为了便于装夹，在导向头一侧开一个直角槽。
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