CN105861969A - 一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法，涉及机械制造与振动处理应用技术领域。模态激振器、功率放大器和信号发生器依次连接，铜薄膜放在模态激振器中的试件隔断装置内；设置功放、正弦波、频率和电压输出；使试件处于自由振动状态；一段时间后，依次关闭信号发生器和功率放大器，将铜薄膜试件从试件隔断装置中取出。本发明通过对材料施加力和频率对振型的影响，在材料内形成应力场，不仅有效愈合铜薄膜试件的疲劳损伤，还能大幅提高其疲劳寿命。同时，本发明工艺简单，操作方便，实用性强，效果显著，有很大的工程实用潜力。

Description

一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法
技术领域
本发明涉及机械制造与振动处理应用技术领域，特指一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法。
背景技术
据统计，机械零件的断裂事故中，80％以上都是由于金属疲劳引起的，不仅造成了经济损失，也存在很大的安全隐患。换言之，凡承受较高水平的循环应力作用的机械零件和工程构件，都有可能发生疲劳破坏。多晶铜薄膜材料在MEMS(micro-electro-mechanical system)元器件中得到了广泛使用。然而由于铜薄膜在使用过程中常因循环交变载荷的作用发生破坏，制约了MEMS元器件的长期服役。因此如何提高铜薄膜的使用寿命对于MEMS元器件的疲劳寿命有至关重要的作用。
振动处理是通过振动，使工件内部残余的内应力、附加的振动应力和试件振型变化引起的变形应力的矢量和超过材料屈服强度的时候，使材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和减轻，并且改变材料内部的微观组织特性，进而提高材料的诸多性能。有效愈合金属构件的疲劳损伤，延长其使用寿命，具有很大的实用价值和工程意义。
发明内容
本发明的目的是解决铜薄膜材料疲劳损伤修复的问题。提供一种新型的振动处理修复铜薄膜试件疲劳损伤的方法。对服役中发生疲劳损伤的铜薄膜构件进行振动修复处理，提高其疲劳性能，延长其使用寿命，从而提高微机械的可靠性和安全性，为工程实践中的实际问题提供有效的解决办法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种修复铜薄膜疲劳损伤的振动处理方法，其步骤为：
A)提供振动处理修复装置，所述振动处理修复装置包括模态激振器、信号发生器和功率放大器；信号发生器和功率放大器连接，所功率放大器和模态激振器连接，功率放大器、信号发生器和模态激振器均与电源连接；模态激振器中包括试件隔断装置，试件隔断装置和模态激振器中的振动台刚性固定在一起；
B)将存在疲劳损伤的铜薄膜试件置于试件隔断装置内，试件放置在试件隔断装置的正中间位置，不与试件隔断装置边缘接触，保证试件处于不受四周任何方向的约束状态；
C)依次开启功率放大器和信号发生器，指示灯显示状态为正常运行状态；
D)通过选择信号发生器的波形输出控制输出波形；
E)设置信号发生器的输出参数，控制其频率输出和电压输出值的大小，进而可调节振动加速度；
F)参数设置完成后，启动信号发生器的输出键，使试件隔断装置中的试件处于自由振动状态；
G)一段时间后,依次关闭信号发生器和功率放大器,将铜薄膜试件从试件隔断装置内取出。
进一步优选：
所述步骤A)中所述的功率放大器为YE5872功率放大器；所述模态激振器为JZK-5型的模态激振器；所述信号发生器为Agligent33220A函数/任意波形发生器。
所述步骤E)中波形选择为正弦波输出。
所述步骤F)中在进行修复之前，不需要对试件进行任何表面处理，直接将试件放置在试件隔断装置中进行振动处理,修复在室温下进行。
改变频率、电压和增益三者中任一参数，均影响振动加速度大小；通过调整频率或/和振动加速度或/和时间调整修复效果,通过在试件隔断装置上安装的相关监测设备，观察振动加速度数值，调整功率放大器增益、信号发生器电压输出、频率等，控制输出振动加速度的大小。所述步骤E)中当频率输出设置为60HZ，电压设置为650mV，使得振动加速度为4g，振动时间为3h时，修复效果较好。
试件隔断装置用于放置铜薄膜，试件隔断装置分割为多个隔断空间，可用于放置多个铜薄膜一起试验。
本发明修复方法的创新在于：振动修复系统简单，对铜薄膜材料疲劳损伤进行修复，试件由于受到正弦变化的力、振型变化引起变形产生的应力场和试件内部的残余应力的矢量和超过试件的屈服极限，使试件内部产生微量的塑性变形，使试件内部内应力得以松弛和减轻；同时引起材料内部微观组织变化，修复已存在损伤的疲劳损伤，延长试件的使用寿命。
本发明修复工艺方法的创新在于：在进行修复之前，不需要对试件进行任何处理，直接将试件放置在试件隔断装置内，试件修复在室温下进行，工艺简单，方法实用，操作简单，效果显著，有很大的实用潜力。
本发明的有益效果在于：通过采用上述振动处理修复疲劳损伤试件的方法使试件内部形成了应力场，不仅能使试件内部原有内应力得以松弛和减轻，还能改善试件内部微观组织结构，这不仅能修复铜薄膜试件的疲劳损伤，还能显著提高其疲劳寿命，增强微机械元器件的服役寿命。
附图说明
图1为本发明中振动处理修复装置的示意图。
图2为本发明中试件隔断装置的示意图。
图3为本发明中试件放置的示意图。
图4为本发明中待处理试件的示意图。
图中：1、模态激振器，2、功率放大器，3、信号发生器，4、试件隔断装置，5、待处理试件，41、试件隔断装置单元。
具体实施方式
下面结合附图，通过举例对本发明方法做进一步的阐述，请参阅图1至图4。对试件施加最大主应力为160MPa的脉动循环，循环至0.5倍的原始寿命，然后对其进行振动修复处理，再对其施加最大主应力为160MPa的脉动循环，直至试件断裂。一种修复铜薄膜疲劳损伤的振动处理方法，其步骤为：
A)提供振动处理修复装置，所述振动处理修复装置包括模态激振器1，功率放大器2，信号发生器3和试件隔断装置4；所述信号发生器3和功率放大器2连接；所述功率放大器2和模态激振器1连接；所述信号发生器和功率放大器均与电源连接；由于铜薄膜试件5是微试件，容易变形，所述模态激振器选用JZK-5型模态激振器，所述信号发生器选用Agligent33220A函数/任意波形发生器，所述功率放大器选用YE5872功率放大器；由于在振动处理修复试验过程中，待处理试件5分组进行振动处理修复，每组6个，所述试件隔断装置4包括6个相同大小的试件隔断装置单元41；所述试件隔断装置4刚性固定在模态激振器1的振动平台上；
B)将存在疲劳损伤的铜薄膜试件5置于试件隔断装置单元41内，调整待处理试件5，使其远离试件隔断装置单元41边缘，处于试件放置单元41的中心位置；
C)开启功率放大器2，指示灯显示状态为正常运行状态；
D)开启信号发生器3，指示灯显示状态为正常运行状态，通过信号发生器2的频率键和电压键设置输出频率60HZ和电压650mV；
E)选择信号发生器2波形输出为正弦波输出；
F)振动处理修复之前，不需要对待处理试件5进行任何方面的处理,修复在室温下进行；
G)参数设置完成后，开启信号发生器2的输出键，待处理试件5处于自由振动状态；
通过安装在试件隔断装置4上的相关监测设备，观察振动加速度数值，旋转功率放大器2的增益旋钮，振动加速度最大值为4g时，停止旋转，确定功率放大器2增益旋钮的旋转位置。
H)3h后，依次关闭信号发生器2和频率放大器3，取出试件隔断装置单元41中的试件5；
I)对试件施加最大主应力为160MPa的脉动循环，直至试件断裂；试件断裂后，用累积总寿命比原始寿命可得疲劳寿命提高倍数，用累积总寿命比修复前的剩余寿命可得剩余寿命比。
本发明通过采用上述的振动处理方法修复铜薄膜材料的疲劳损伤。通过调整输出频率和电压，从而引起试件内部应力场的变化。60HZ、650mV、4g和3h左右对损伤0.5的铜薄膜试件具有较好的修复作用，在试件内部形成一定应力场，试件内部微观组织发生微量塑性变形，使残余内应力得到释放和减轻；同时试件内部微观组织发生变化，不仅有效修复了铜薄膜试件的疲劳损伤，还能大幅度提高其疲劳寿命，可提高2倍以上，剩余寿命比提高6倍，极大的改善了损伤铜薄膜试件的疲劳特性。

Claims (6)

1.一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法，其特征在于，步骤如下：
A)提供振动处理修复装置，所述振动处理修复装置包括模态激振器、信号发生器和功率放大器；信号发生器和功率放大器连接，所功率放大器和模态激振器连接，功率放大器、信号发生器和模态激振器均与电源连接；模态激振器中包括试件隔断装置，试件隔断装置和模态激振器中的振动台刚性固定在一起；
B)将存在疲劳损伤的铜薄膜试件置于试件隔断装置内，试件放置在试件隔断装置的正中间位置，不与试件隔断装置边缘接触，保证试件处于不受四周任何方向的约束状态；
C)依次开启功率放大器和信号发生器，指示灯显示状态为正常运行状态；
D)通过选择信号发生器的波形输出控制输出波形；
E)设置信号发生器的输出参数，控制其频率输出和电压输出值的大小，进而可调节振动加速度；
F)参数设置完成后，启动信号发生器的输出键，使试件隔断装置中的试件处于自由振动状态；
G)一段时间后,依次关闭信号发生器和功率放大器,将铜薄膜试件从试件隔断装置内取出。
2.按照权利要求1所述的一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法，其特征在于，所述步骤A)中所述的功率放大器为YE5872功率放大器；所述模态激振器为JZK-5型的模态激振器；所述信号发生器为Agligent33220A函数/任意波形发生器。
3.按照权利要求1所述的一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法，其特征在于，所述步骤E)中波形选择为正弦波输出。
4.按照权利要求1所述的一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法，其特征在于，步骤F)中在进行修复之前，不需要对试件进行任何表面处理，直接将试件放置在试件隔断装置中进行振动处理,修复在室温下进行。
5.按照权利要求1所述的一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法，其特征在于，通过调整频率或/和振动加速度或/和时间调整修复效果。
6.按照权利要求1所述的一种修复铜薄膜试件疲劳损伤的振动处理方法，其特征在于，所述步骤E)中当频率输出设置为60HZ，电压设置为650mV，使得振动加速度为4g，振动时间为3h时。
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