CN103436685A - 一种低电压大电流超声冲击装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低电压大电流超声冲击装置，包括在壳体内依次设置有施力装置、压电陶瓷换能器、与压电陶瓷换能器连接顶端带有工作头的变幅杆，所述压电陶瓷换能器的陶瓷片片数选用14-30偶数片，厚度选用0.5-3mm，为全波长和半波长两种形式。本发明的有益效果是：能够有效改变现有压电式超声表面加工装置大电压低电流的不稳定和极不安全的工作方式，在显著降低其负载阻抗并加大其谐振带宽、改善频率跟踪条件、提高有效功率输出的同时，大幅降低装置的工作电压，从而保障操作安全，同时适用处理较高强度材质的结构件。另外，换能器散热条件的改善也可以使负载阻抗降低，同时延长换能器的使用寿命。

Description

一种低电压大电流超声冲击装置

技术领域

本发明涉及机械结构疲劳性能改善技术领域，特别是涉及一种低电压大电流超声冲击装置。

背景技术

现阶段国内外主要采用TIG熔修、锤击和喷丸等方法来提高机械部件和结构的疲劳性能，但这些方法劳动强度大、能耗高而且会产生负面影响。超声冲击以其执行机构轻巧，可控性好，使用灵活方便、噪音极小、效率高、应用时受限少，成本低而且节能等优点，适用于各种接头，是一种理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的方法。半波长超声冲击法的提出，解决了如管道内壁等狭小空间或特殊位置的处理问题，使超声冲击法的适用性更强。随着超声冲击方法的不断使用，对其性能的改进提出了新的要求。

现有的全波长和半波长两种设计方式的压电式超声冲击装置均属于大电压低电流的工作方式，瞬间失谐电压可达上千伏，极不安全，尤其是在水下环境冲击作业时，对操作人员的人身安全造成极大威胁。同时处于该种工作方式的负载阻抗一般比较大，谐振频带相对较窄，频率跟踪条件极为苛刻，致使系统无法始终工作在最佳谐振状态，从而大大降低了有效功率的输出。

发明内容

本发明目的在于改变现有压电式超声冲击装置大电压低电流的不稳定和极不安全的工作方式，提出一种低电压大电流压电式超声冲击装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低电压大电流超声冲击装置，包括：壳体，在壳体内依次设置有施力装置，压电陶瓷换能器，在压电陶瓷换能器上连接顶端带有冲击头的变幅杆，所述压电陶瓷换能器的陶瓷片片数选用14-30偶数片，厚度选用0.5-3mm。

所述超声冲击装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆的全波长形式和1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆的半波长形式。

所述施力装置为风冷装置。

所述变幅杆的轴向截面呈阶梯、锥台或其组合。

所述冲击头为冲击针式或滚动式，所述冲击头形状有平头针、半球头或半椭球头针、球体、椭球体、卵球体、柱体或相应阵列。

所述超声冲击装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为3mm，所述冲击头为冲击针阵列、冲击单针、球体滚动、柱体滚动或其相应阵列工作头。

所述超声冲击装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为1.5mm，所述冲击头为冲击针阵列、冲击单针、球体滚动、柱体滚动或其相应阵列工作头。

所述超声冲击装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为30片、厚度为0.75mm，所述冲击头为滚动球体、滚动柱体或二者相应阵列的加工头。

所述超声冲击装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为20片、厚度为2mm，所述冲击头为半球头冲击针阵列工作头。

本发明的有益效果是：本发明采用全波长或半波长低电压大电流压电式超声冲击装置对工件进行超生冲击，能够有效改变现有压电式超声冲击装置大电压低电流的不稳定和极不安全的工作方式，在显著降低其负载阻抗并加大其谐振带宽、改善频率跟踪条件，提高有效功率输出的同时，大幅降低装置的工作电压，从而保障操作安全。另外，换能器散热条件的改善也可以使负载阻抗降低，同时延长换能器的使用寿命。阶梯－锥台－阶梯型全波长或半波长低电压大电流压电式超声冲击方法能够有效提高输出功率，可用来处理较高强度材质的结构件。

附图说明

图1是本发明低电压大电流压电式全波长超声冲击装置示意图；

图2是本发明的滚动工作头及阵列示意图；

图3是本发明阶梯-锥台-阶梯型的低电压大电流压电式半波长超声冲击装置示意图；

图4是本发明阶梯-锥台-阶梯型的低电压大电流压电式全波长超声冲击装置处理T型接头焊趾示意图；

图5是本发明低电压大电流压电式半波长超声冲击处理管道内壁焊缝示意图。

图中：1为风冷装置，2为半波长压电陶瓷换能器，3为半波长变幅杆，4为冲击针阵列，5为平头冲击针，6为平头冲击针阵列，7为半球头或半椭球头冲击针，8为半球头或半椭球头冲击针阵列，9为球体冲击头，10为球体冲击头阵列，11为椭球体冲击头，12为椭球体冲击头阵列，13为卵球体冲击头，14为卵球体冲击头阵列，15为柱体冲击头，16为柱体冲击头阵列，17为风冷装置，18为1/4波长压电陶瓷换能器，19为1/4波长变幅杆，20为冲击针阵列，21为风冷装置，22为半波长阶梯-锥台-阶梯型压电陶瓷换能器，23为半波长变幅杆，24为半球头冲击针阵列，25为被加工T型接头，26为风冷装置，27为1/4波长压电陶瓷换能器，28为1/4波长变幅杆，29为滚动球体加工头，30为被加工管壁焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

A、冲击装置

如图1所示一种低电压大电流压电式全波长超声冲击装置，包括在壳体内设置有施力装置1、半波长压电陶瓷换能器2、一端连接在所述压电陶瓷换能器2上的半波长变幅杆3、在半波长变幅杆3另一端设有的工作头4，所述施力装置1为风冷装置，所述冲击头4为如图2所示的冲击针阵列，或可更换为冲击单针、球体、柱体或其相应阵列工作头，所述半波长压电陶瓷换能器2的片数为14片，厚度为3mm。

对于压电式换能器，是本发明实现低电压大电流超声技术部分，改变了现有技术的压电陶瓷片的个数的普遍选用值，现有技术中陶瓷片一般选择4—6片，本发明在大量的实验中发现，当压电陶瓷片的个数增加为原来的n倍，负载阻抗降低为原来的1/n²，相同电流情况下，输出的振幅变为原来的1/n；压电陶瓷片的厚度减少为原来的1/n，负载阻抗降低为原来的1/n²，相同电流情况下，输出的振幅变为原来的1/n。因此，通过增加压电陶瓷片的个数和减少陶瓷片的厚度可以有效降低负载阻抗，改善系统频率跟踪的条件，大幅提高有效功率的输出，从而在获得相同输出功率的前提下显著降低输出电压，甚至可以达到谐振电压仅为几个伏特的超低电压工作方式。由于整个系统的功率并不改变，电流的可调节范围将会大大增加。

另外，该种方法在不改变晶堆总体直径和厚度的同时，加大了铜极的面积，因此有利于换能器散热，防止其因散热不良而造成的阻抗上升和换能器老化。

晶堆一般选用14～30片压电陶瓷片，陶瓷片数量为偶数，单片厚度一般为0.5～3mm。该种工作方式下，系统瞬间失谐的峰值电压不超过90伏，大大提高了操作安全系数，输出功率50～450W连续可调，电流最大可调节至100A。由于单位电流值所提供的振幅同比例下降，为了获得相同的振幅，必须同比例地增大电流，因此，该超声冲击机构工作在低电压大电流的状态。

本发明超声冲击机构采用半数字或全数字化超声波发生器作为加工电源，其作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给工作头能量；采用半波长或1/4波长压电换能器，其作用是将高频电振荡信号转换成机械振动；半波长或1/4波长变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要；可滚动的球体或柱体工作头被设计为不同材质和一系列不同的直径以及相应的阵列，如图2所示，图中5为平头冲击针，6为平头冲击针阵列，7为半球头或半椭球头冲击针，8为半球头或半椭球头冲击针阵列，9为球体冲击头，10为球体冲击头阵列，11为椭球体冲击头，12为椭球体冲击头阵列，13为卵球体冲击头，14为卵球体冲击头阵列，15为柱体冲击头，16为柱体冲击头阵列，应根据待加工试件软硬程度、加工部位尺寸、表面质量要求以及生产效率等因素进行选择。此外，在执行机构的底部可用弹簧或压缩空气为加工过程提高静压力，压缩空气还能起到冷却装置的作用。

本发明冲击装置还有除图1中所示的标准全波长的执行机构外多种实施方式，如图3所示阶梯-锥台-阶梯型的低电压大电流压电式半波长超声冲击装置，包括：1/4波长压电陶瓷换能器18、1/4波长变幅杆19，回转半径小于150mm，施力装置为风冷装置17，工作头20为冲击针阵列，可更换为冲击单针、球体或柱体滚动工作头或其相应阵列，所述1/4波长压电陶瓷换能器18的陶瓷片数为14片、厚度为1.5mm，所述1/4波长变幅杆阶梯-锥台-阶梯型。

单一形状变幅杆存在着放大系数相对小或形状因数小等缺点，而单一的阶梯型变幅杆由于界面存在突变会引起应力集中，使用时自身也会产生疲劳等一系列问题，因此，如图3所示，本发明设计了半波长或1/4波长阶梯－锥台－阶梯过渡型变幅杆，有效的降低了界面突变引起的应力集中现象，同时保证了较大的放大系数。

半波长低电压大电流压电式超声冲击装置具有重量轻、体积小适应灵活等优点，对于管壁、内环槽等的处理更加理想，必要时可改为单手持握式操作。

图4是低电压大电流压电式全波长超声冲击处理T型接头焊趾示意图，25为待加工的T型接头试件，图中给出了被加工T型接头试件的图示，21为风冷装置，22为低电压大电流半波长压电陶瓷换能器，23为半波长阶梯-锥台-阶梯型变幅杆，24为半球头冲击针阵列，所述半波长压电陶瓷换能器的陶瓷片数为20片、厚度为2mm，所述半波长变幅杆为阶梯-锥台-阶梯型。

图5是低电压大电流压电式半波长超声冲击处理管道内壁焊缝示意图，26为风冷装置，27为低电压大电流1/4波长压电陶瓷换能器，28为1/4波长变幅杆，29为滚动球体加工头，可替换为滚动柱体加工头或二者相应的阵列，30为被加工管壁焊缝所述1/4波长压电陶瓷换能器的陶瓷片为30片、厚度为0.75mm。

B、加工方法

使用全波长或半波长低电压大电流压电式超声冲击方法应根据待加工材料的形状尺寸、材质、表面质量要求以及生产效率等因素来综合选择相应的工艺参数。

对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬材料，超声冲击应选用直径相对较小的滚动工作头或其阵列或冲击针阵列，直径一般在1～10mm的范围内。加工头材质一般应为硬质合金，如果希望获得更好的效果可以使用硬度更高的材料，如各种陶瓷，包括金属化陶瓷，金钢石，非晶态合金等。对于强度级别更高的材料，可选用阶梯-锥度-阶梯型变幅杆相配合，以达到更大的有效输出功率和满意的冲击效果。

对于铝、铜合金、镁合金等较软材料，超声冲击应选用直径相对较大的单针冲击或球体、柱体工作头，冲击头直径一般在10～30mm的范围内。加工头材质一般应为工具钢或硬质合金。该种方法可以使表面过渡平滑，较小的冲击力不至于对材料造成损伤。

单针冲击或单一滚动冲击头可用于较大尺寸过渡的工件，如对接接头等；而对于较小尺寸过渡的工件，如T型、十字接头等则应选择冲击针或头阵列。

对于狭小空间或特殊位置，如管道内壁焊缝或箱体内焊缝等，可选用半波长系列超声冲击方法。同样，可根据具体情况选用合适的冲击头及阶梯-锥度-阶梯型变幅杆。

实施例1

钛合金T型接头，用低电压大电流全波长阶梯-锥台-阶梯型超声冲击方法对其内焊趾进行处理，如图4所示。

实验结果：处理后，工件焊趾光滑过渡，处理位置粗糙度Ra为0.46；处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.6倍；工件表面形成了635MPa的残余压缩应力。疲劳强度提高了56%。

实施例2

壁厚为30mm的16Mn管道，用低电压大电流半波长超声冲击方法对其进行表面处理，如图5所示。

实验结果：处理后，工件焊趾光滑过渡，处理位置粗糙度Ra为0.34；表面硬度提高约1.7倍；工件表面形成了746MPa的残余压缩应力。疲劳强度提高了91%。

Claims (9)

1.一种低电压大电流超声冲击装置，包括：壳体，在壳体内依次设置有施力装置，压电陶瓷换能器，在压电陶瓷换能器上连接顶端带有冲击头的变幅杆，其特征是：所述压电陶瓷换能器的陶瓷片片数选用14-30偶数片，厚度选用0.5-3mm。

2.根据权利要求1所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述超声冲击装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆的全波长形式和1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆的半波长形式。

3.根据权利要求1所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述施力装置为风冷装置。

4.根据权利要求1所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述变幅杆的轴向截面呈阶梯、锥台或其组合。

5.根据权利要求1所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述冲击头为冲击针式或滚动式，所述冲击头形状有平头针、半球头或半椭球头针、球体、椭球体、卵球体、柱体或相应阵列。

6.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述超声冲击装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为3mm，所述冲击头为冲击针阵列、冲击单针、球体滚动、柱体滚动或其相应阵列工作头。

7.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述超声冲击装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为14片、厚度为1.5mm，所述冲击头为冲击针阵列、冲击单针、球体滚动、柱体滚动或其相应阵列工作头。

8.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述超声冲击装置包括1/4波长压电陶瓷换能器加1/4波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为30片、厚度为0.75mm，所述冲击头为滚动球体、滚动柱体或二者相应阵列的加工头。

9.根据权利要求1或2所述的低电压大电流超声冲击装置，其特征是：所述超声冲击装置包括半波长压电陶瓷换能器加半波长变幅杆，所述压电陶瓷换能器片数为20片、厚度为2mm，所述冲击头为半球头冲击针阵列工作头。

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