CN104802096B - 一种超声冲击枪用多针式冲击头的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超声冲击枪用多针式冲击头的设计方法，首先确认冲击针的振幅和变幅杆的最小径向面积；根据变幅杆端面面积与变幅杆径向面积之比增大一倍，冲击针的振幅减小至原来的四分之一，计算得到相应的变幅杆端面的最大面积；根据变幅杆端面的最大面积以及冲击枪枪壳尺寸限制，确认变幅杆端面长宽尺寸，并根据冲击针的直径和冲击针针间间隙，在变幅杆端面形成冲击针矩阵；最后围绕变幅杆端面中心点进行旋转，落入冲击有效面积中的冲击针矩阵即为最后冲击针在变幅杆端面的分布矩阵。本发明实现多个冲击针的安装，较现有冲击头提高工作效率和冲击强度，有效改善焊接结构中存在的应力腐蚀开裂，失稳变形，疲劳寿命缩短等问题。

Description

一种超声冲击枪用多针式冲击头的设计方法
本申请是母案申请“一种超声冲击枪用多针式冲击头及其设计方法”的分案申请，母案申请申请号为2013102016550，申请日为2013年5月27日。
技术领域
本发明涉及金属表面纳米化技术领域，更加具体地说，涉及一种超声冲击(喷丸)枪用多针式冲击头及其设计方法，可广泛应用于抗应力腐蚀、变形矫正、消除残余应力、金属表面纳米化等领域。
背景技术
金属加工过程中，金属焊接是加工过程中常用的一种加工方法，金属材料按照形状、尺寸进行焊接后，由于焊趾的应力集中及残余拉伸应力等因素的作用，通常焊接接头的疲劳性能远远低于基本金属，焊接疲劳裂纹常起裂于接头焊趾处，由此导致如海洋采油平台、桥梁、机车车辆、船舶、飞机等大型焊接结构件事故时常发生，给人们的人身安全、工作、旅行、生活、财产等方面带来一些严重的损失和影响。因此，改善焊接接头的疲劳强度成了人们长期要解决的难题，通常人们常常采用锤击法、熔修法、喷丸法等来提高焊接接头及结构的疲劳性能，但其效率、效果及适用范围等方面都存在不少缺点和问题。近来人们采用磁致伸缩式超生冲击装置来对焊趾进行处理，以提高焊接接头的疲劳强度、延长其使用寿命，但是由于磁致伸缩式超声冲击装置的损耗较大，效率只能达到30％左右；操作时易于发热，需要使用水、油等液体进行冷却；且产品造价很高，体积和重量也较大，操作不方便，因而不利于在各种工作场所中推广、使用和操作。为提高焊接结构抗应力腐蚀性能、消除残余应力以及焊后变形矫正，当今普遍公认的方便、有效的技术之一是采用超声冲击装置对金属焊接部位的焊趾部位进行处理。
申请号为02100037.9的中国发明专利公开了“一种提高焊接接头疲劳性能的压电式超声冲击装置”，目前实际工程应用过程中基本采用这一类型。以往的超声喷丸工具输出端和冲击头均为圆形体，受几何形状所限，喷丸处理过程效率低下，在实际应用过程中表现出一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对上述背景技术论述中已有超声喷丸过程中的不足，提出一种新型高效的超声喷丸枪(超声冲击枪)用多针式冲击头。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种超声冲击枪用多针式冲击头，由变幅杆端面，冲击针罩板和冲击针三部分组成，
所述变幅杆端面的末端直接与变幅杆螺纹相连，其端面设置有冲击针，所述冲击针穿过设置在冲击针罩板上的冲击针孔，所述冲击针罩板与超声冲击枪枪体固定相连。其中冲击针与变幅杆端面之间保留适度的活动间隙以保证冲击针正常振动，将装配好的多针式冲击头放置于超声冲击枪前端，对待处理工件进行喷丸处理。
所述变幅杆端面和冲击针罩板的中央是冲击有效面积(A)，占整个变幅杆端面和冲击针罩板面积的70％—80％，用于安装冲击针和打出冲击针孔；在冲击针罩板的周边设置用于安装和固定的安装孔。
所述冲击针选择如附图所示的两种冲击针，其中一种冲击针选择冲击端为圆头，尾端为圆台，和变幅杆端面相接触；另一种冲击针选择阶梯圆柱形状，冲击端和尾端均为圆头状；可选择在所述变幅杆端面冲击针安装的位置设置凹坑，用于安装冲击针。
所述冲击枪可选用半波长超声冲击枪，该类冲击枪换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一，也可选用全波长超声冲击枪，冲击枪换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的二分之一。
在冲击枪中，使用的换能器可选用压电陶瓷换能器，该换能器由2至12片偶数片压电陶瓷组成，也可选用磁致伸缩式换能器。
变幅杆端面形状为长方形，与冲击针罩板形状相同，变幅杆端面和冲击针罩板尺寸为a×b，冲击针的直径为d(即冲击针针孔)，针间间隙为c，则长度方向上可以分布的冲击针数量(i)为a/(d+c)+1，宽度方向上冲击针的数量(l)为b/(d+c)+1，由此在变幅杆端面和冲击针罩板形成了一个i×l的矩阵，为了保证直线方向上100％的覆盖率并提高冲击效率，将此矩阵围绕中心点旋转θ角，其中θ的取值范围为5—25度，即可依据冲击有效面积(A)得到最终冲击针(孔)的分布图，此时冲击针和冲击针孔充满冲击有效区域内并成行列布置，与水平方向成θ角，其中θ的取值范围为5—25度。
一种超声冲击枪用多针式冲击头的设计方法，按照下述步骤进行：
步骤1，确认冲击针的振幅和变幅杆的最小径向面积s；
步骤2，根据变幅杆端面面积与变幅杆径向面积之比(记为r)增大一倍，冲击针的振幅减小至原来的四分之一，计算得到相应的变幅杆端面的最大面积S；
步骤3，根据变幅杆端面的最大面积S以及冲击枪枪壳尺寸限制，确认变幅杆端面长宽尺寸为a×b，此时冲击针的直径为d，冲击针针间间隙为c，则在长度方向上可以分布的冲击针数量(i)为a/(d+c)+1，宽度方向上冲击针的数量(l)为b/(d+c)+1，即可在变幅杆端面形成i×l的冲击针矩阵；
步骤4，将步骤3得到的冲击针矩阵围绕变幅杆端面中心点旋转θ角，其中θ的取值范围为5-25度，此时整个冲击针矩阵与水平方向呈现夹角θ；
步骤5，设位于变幅杆端面中央的区域为冲击有效面积(记为A)，占整个变幅杆端面面积的70％—80％，整个冲击针矩阵经过旋转θ角后，落入该冲击有效面积中的冲击针矩阵即为最后冲击针在变幅杆端面的分布矩阵；同理在冲击针罩板上形成与变幅杆端面上冲击针分布矩阵相应的冲击针孔。
其中所述变幅杆端面面积为用于安装冲击针的端面面积，所述变幅杆径向面积为变幅杆的径向横截面积，如附图8所示。
与现有技术相比，利用本发明的技术方案可在不同大小的冲击枪上设置多个冲击针(即形成冲击针的分布矩阵)，由于采用多个冲击针，使用本发明的超声喷丸多针式冲击头后在进行超声冲击(喷丸)时可在同一时间对更大面积进行处理，不仅可大幅度提高喷丸效率(对同一尺寸的样品可减少往返次数和停留时间)，并且冲击强度提高了近5％，还可以保证对同一区域内处理效果的均一化，可有效改善焊接结构中存在的应力腐蚀开裂，失稳变形，疲劳寿命缩短等问题。
附图说明
图1是本发明超声冲击枪用多针式冲击头的变幅杆端面示意图。
图2是本发明超声冲击枪用多针式冲击头的冲击针罩板示意图。
图3是本发明超声冲击枪用多针式冲击头的一种冲击针示意图。
图4是本发明超声冲击枪用多针式冲击头的另一种冲击针示意图。
图5是本发明超声冲击枪用多针式冲击头的装配图，其中1为冲击针，2为冲击针罩板，3为变幅杆端面。
图6是本发明超声冲击枪用多针式冲击头的装配图剖面视图，其中1为冲击针，2为冲击针罩板，3为变幅杆端面。
图7是在本发明中变幅杆端面、冲击针罩板上设置冲击针孔的步骤示意图，其中A为冲击有效面积，变幅杆端面和冲击针罩板尺寸为a×b，冲击针的直径为d，针间间隙为c。
图8是本发明中变幅杆端面面积和变幅杆径向面积示意图，其中变幅杆端面用于安装冲击针，变幅杆端面下方与变幅杆固定连接，变幅杆的径向横截面积为变幅杆径向面积。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明的技术方案作以详细描述。
如附图1—6所示，本发明的超声冲击枪用多针式冲击头，包括冲击针1，冲击针罩板2，变幅杆端面3。所述变幅杆端面的末端直接与变幅杆螺纹相连，其端面设置有冲击针，所述冲击针穿过设置在冲击针罩板上的针孔，所述冲击针罩板与超声冲击枪枪体固定相连。其中冲击针与变幅杆端面之间保留适度的活动间隙以保证冲击针正常振动，将装配好的多针式冲击头放置于超声冲击枪前端，对待处理工件进行喷丸处理。
所述变幅杆端面和冲击针罩板的中央是冲击有效面积(A)，占整个变幅杆端面和冲击针罩板面积的70％—80％，用于安装冲击针和打出冲击针孔；在冲击针罩板的周边设置用于安装和固定的安装孔。
所述冲击针选择如附图所示的两种冲击针，其中一种冲击针选择冲击端为圆头，尾端为圆台，和变幅杆端面相接触；另一种冲击针选择阶梯圆柱形状，冲击端和尾端均为圆头状；可选择在所述变幅杆端面冲击针安装的位置设置凹坑，用于安装冲击针。
所述冲击枪可选用半波长超声冲击枪，该类冲击枪换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的四分之一，也可选用全波长超声冲击枪，冲击枪换能器和变幅杆的尺寸分别为系统谐振频率对应波长的二分之一。
在冲击枪中，使用的换能器可选用压电陶瓷换能器，该换能器由2至12片偶数片压电陶瓷组成，也可选用磁致伸缩式换能器。
变幅杆端面形状为长方形，与冲击针罩板形状相同，如附图7所示，变幅杆端面和冲击针罩板尺寸为a×b，冲击针的直径为d(即冲击针针孔)，针间间隙为c，则长度方向上可以分布的冲击针数量(i)为a/(d+c)+1，宽度方向上冲击针的数量(l)为b/(d+c)+1，由此在变幅杆端面和冲击针罩板形成了一个i×l的矩阵，为了保证直线方向上100％的覆盖率并提高冲击效率，将此矩阵围绕中心点旋转θ角，其中θ的取值范围为5—25度，即可依据冲击有效面积(A)得到最终冲击针(孔)的分布图，此时冲击针和冲击针孔充满冲击有效区域内并成行列布置，与水平方向成θ角，其中θ的取值范围为5—25度。
利用本发明的技术方案在变幅杆端面和冲击针罩板的有效区域上设置40个冲击针的位置，采用全波长超声冲击枪和磁致伸缩式换能器，由于采用本发明的技术方案，冲击针的数量增加到了40，极大地提高了超声喷丸(即超声冲击)的处理效率。实验证明，本发明较现有冲击头可提高工作效率300～400％，并且其冲击强度提高了近5％。
针对铝合金焊接后进行超声处理，焊缝为15×6mm，电流0.8—2.5A，停留时间为1s(即在每一处的停留时间)，往返次数为3，矫形后，试样表层的晶粒发生了明显的塑性变形，沿着与表面呈45度方向排列；焊接后焊缝区的硬度相对于母材下降了12％，经过矫形后，从表面到沿表面向下1.5mm范围内，硬度值得到了提高，在0.3mm左右位置达到了最大值75；相对于母材，焊接接头的屈服强度和抗拉强度下降了约7％，伸长率下降较多，约为57.5％。矫形后接头屈服强度和抗拉强度相对于焊态分别提高了3.4％和26.5％，伸长率下降了52.6％。
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 (2)

1.一种超声冲击枪用多针式冲击头的设计方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，确认冲击针的振幅和变幅杆的最小径向面积s；
步骤2，根据变幅杆端面面积与变幅杆径向面积之比增大一倍，冲击针的振幅减小至原来的四分之一，计算得到相应的变幅杆端面的最大面积S；
步骤3，根据变幅杆端面的最大面积S以及冲击枪枪壳尺寸限制，确认变幅杆端面长宽尺寸为a×b，此时冲击针的直径为d，冲击针针间间隙为c，则在长度方向上可以分布的冲击针数量i为a/(d+c)+1，宽度方向上冲击针的数量l为b/(d+c)+1，即可在变幅杆端面形成i×l的冲击针矩阵；
步骤4，将步骤3得到的冲击针矩阵围绕变幅杆端面中心点旋转θ角，其中θ的取值范围为5-25度，此时整个冲击针矩阵与水平方向呈现夹角θ；
步骤5，设位于变幅杆端面中央的区域为冲击有效面积，所述冲击有效面积记为A，占整个变幅杆端面面积的70％—80％，整个冲击针矩阵经过旋转θ角后，落入该冲击有效面积中的冲击针矩阵即为最后冲击针在变幅杆端面的分布矩阵；同理在冲击针罩板上形成与变幅杆端面上冲击针分布矩阵相应的冲击针孔。
2.根据权利要求1所述的一种超声冲击枪用多针式冲击头的设计方法，其特征在于，所述变幅杆端面面积为用于安装冲击针的端面面积，所述变幅杆径向面积为变幅杆的横截面积。
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