CN108239694B - 一种超声冲击喷丸装置 - Google Patents

Abstract

一种超声冲击喷丸装置，包括：冲击枪，在冲击枪内设置有换能器；冲击头，与冲击枪连接，冲击头的一端与换能器的变幅杆的端面具有间隙，在冲击头内有至少一个沿变幅杆的振动方向穿透冲击头的腔体，在每个腔体内安放有撞针，通过变幅杆的振动带动撞针向腔体的远离变幅杆的一端弹射，在撞针的最大工作行程处，撞针的远离变幅杆的一端伸出腔体并对工件表面进行撞击，撞针向变幅杆的方向回弹至撞针靠近变幅杆一端与变幅杆接触碰撞，使得撞针在变幅杆与工件之间往复弹射。在撞针与工件碰撞的同时采用负压抽吸来加强撞针回弹的效果，将超声振动与真空动力结合，实现撞针自主性往复运动。撞针与工件为弹性碰撞，既保证冲击处理效果，又不损伤表面质量。

Description

一种超声冲击喷丸装置

技术领域

本发明涉及超声技术领域，具体地说，涉及一种超声冲击喷丸装置。

背景技术

金属加工过程中，金属焊接是常用的一种加工方法，金属材料按照特定的形状、尺寸进行焊接后，由于焊趾的应力集中及残余拉应力等因素的共同作用，通常焊接接头的疲劳性能要远低于基体金属，焊接疲劳裂纹通常起裂于接头焊趾处，由此导致的海洋采油钻井平台、桥梁、船舶、飞机、机车车辆等大型焊接结构件事故时有发生，给人们的人身安全、工作、旅行、生活、财产等方面带来了严重的威胁。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，通常人们采用锤击法、熔修法、热处理、喷丸法等来提高焊接接头及结构的疲劳性能，但受限于效率、效果及适用范围等多方面问题。近年来，采用超声冲击装置对金属焊接部位的焊趾部位进行处理，以消除焊接残余应力、提高焊接结构抗应力腐蚀性能、以及焊后变形矫正等得到了社会上的普遍认可。超声喷丸技术是利用超声波使变幅杆产生高频振动，从而驱使弹丸对工件表面进行撞击，使材料力学性能、疲劳性能等得到改善，并向受喷一侧发生弯曲的先进喷丸工艺，该工艺可获得比传统喷丸更深的残余压应力层，残余压应力场的特征数值更大，表面质量也更佳。

在实际应用中，现有技术中以超声为动力源的冲击处理方式，均需要冲击撞针与待处理物和变幅杆刚性接触，以实现撞针连续的运动工作，在此工作条件下，变幅杆的超声振动经由撞针直接作用于待处理物表面，待处理物在高频超声振动的直接刚性冲击下，其表面很容易遭到严重的破坏，甚至导致其失效损毁。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种超声冲击喷丸装置，包括：冲击枪，在冲击枪内设置有换能器；冲击头，与冲击枪连接，冲击头的一端与换能器的变幅杆的端面具有一定间隙，在冲击头内有至少一个沿变幅杆的振动方向穿透冲击头的腔体，在每个腔体内安放有撞针，并且，通过变幅杆的振动带动撞针向腔体的远离变幅杆的一端弹射，在撞针的最大工作行程处，撞针的远离变幅杆的一端伸出腔体并对工件表面进行撞击，然后撞针向变幅杆的方向回弹至撞针的靠近变幅杆的一端与变幅杆接触碰撞，从而使得撞针在变幅杆与工件之间往复弹射。

优选地，在冲击头内还设置有气流通道，所述气流通道的一端与负压设备连通，另一端延伸至撞针处，通过负压设备的抽吸加强撞针向变幅杆的方向回弹，并且，在撞针回弹至与变幅杆碰撞时，负压设备停止对撞针的抽吸。

优选地，在冲击头内设置有连通各腔体的第一流道，并且，从第一流道还向变幅杆的方向延伸出一道或多道第二流道，并且，每个第二流道的一端都与负压设备连通，其中，当撞针回弹至与变幅杆碰撞时，气流依次通过第一流道、第二流道进入负压设备，负压设备不对撞针形成负压吸力。

优选地，撞针的下部具有台肩，台肩的横截面面积大于腔体远离变幅杆方向的所述一端的端面面积，在撞针的最大工作行程处，台肩使得下部留在腔体内。

优选地，所述冲击头通过上盖、冲击座和下盖连接为一体，并在其中形成所述腔体和气流通道。

优选地，冲击头与冲击枪连接的端面之间装设有密封垫。

优选地，撞针包括同心连接的第一圆柱体和第二圆柱体，所述第二圆柱体靠向变幅杆，且第二圆柱体的直径比第一圆柱体的直径大。

优选地，撞针为两端直径比中间直径小的圆柱体，且其两端的外圆与中间的外圆之间通过第二斜台肩连接为一体。

优选地，所述一定间隙大于或等于变幅杆的振幅。

优选地，冲击头与冲击枪通过搭扣结构连接。

本发明的超声冲击喷丸装置通过变幅杆驱动冲击头内的多个腔体内设置的撞针弹动来与待处理工件发生弹性碰撞，并在撞针与待处理工件碰撞的同时采用负压抽吸来加强撞针回弹的效果，将超声振动与真空动力有机结合，实现撞针自主性往复运动。撞针与待处理工件为弹性碰撞，在保证冲击处理效果的同时，不损伤其表面质量。另外，负压抽吸可以加强撞针回弹，使得该装置可以适应空间全方位的待处理工件，在空间任意角度的方向都能迅速启动，实现撞针的自主回弹，实现处理空间任意角度表面。冲击头与冲击枪采用搭扣形式连接，拆换简单快捷。冲击头为分体式结构，结构简单，性能可靠，效率高。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的超声冲击喷丸装置的立体示意图；

图2是表示本发明实施例的超声冲击喷丸装置的立体剖视图；

图3-1是表示本发明实施例的超声冲击喷丸装置的回弹初期的流向示意图；

图3-2是表示本发明实施例的超声冲击喷丸装置的回弹中期的气流流向示意图；

图3-3是表示本发明实施例的超声冲击喷丸装置的回弹后期的气流流向示意图；

图4是表示本发明实施例的超声冲击喷丸装置的第一撞针的平面示意图；

图5是表示本发明实施例的超声冲击喷丸装置的第二撞针的平面示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的超声冲击喷丸装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

如图1、图2所示，本实施例的超声冲击喷丸装置包括冲击枪20、冲击头10以及安装在冲击头10内的撞针5。在冲击枪20内设置有换能器，冲击头10与冲击枪20连接，使得冲击头10的一端与换能器的变幅杆201的端面之间具有一定的间隙，优选地，该间隙大于等于变幅杆的振幅，使得变幅杆在振动过程中不会碰撞到冲击头的端面。变幅杆201将振动传递给冲击头内的撞针，由冲击头10内的撞针对工件表面进行撞击，以改善材料力学性能、疲劳性能。

图2是本实施例的立体剖视图，下面结合图1来详细说明该超声冲击喷丸装置的结构。如图2所示，在冲击头10内形成有一个或多个供撞针5做往复运动的腔体108，腔体108的长度方向与变幅杆201的振动方向一致。腔体108的靠近变幅杆201的一端(以下称为内端)延伸至变幅杆201的端面，在每个腔体108内沿腔体108的长度方向安放有撞针5，撞针5为柱状体，优选圆柱体。随变幅杆201的振动，撞针5向腔体108的远离变幅杆201的一端(以下称为外端)弹射。撞针5被腔体108的外端的内边缘限制，不会弹射出去。具体说，当撞针5与变幅杆201接触时，变幅杆201的振动直接作用于撞针5，撞针5与变幅杆201脱离接触，向远离变幅杆201的方向做弹射运动。撞针5具有与腔体108的内边缘相配合的台肩，并且，当撞针5向远离变幅杆201的方向运动到最大工作行程的时候，撞针5的台肩与腔体108的内边缘之间紧密接触，使得腔体108内为密闭空间。当撞针5向变幅杆201的方向回弹时，撞针5的台肩与腔体108的外端的内边缘之间脱离接触，向变幅杆201的方向回弹，并再次与变幅杆201的端面发生碰撞。为加强回弹效果，冲击头内还设置有连通各腔体108的第一流道106，并且，从第一流道106还向变幅杆201的方向延伸出一道或多道第二流道107。并且，每个第二流道107的一端都与负压设备连通。负压设备经过第二流道107和第一流道106抽吸，具有将撞针5向变幅杆201的方向抽吸的效果。其中，如图3-1所示，由于负压设备抽吸，使得外部压力大于腔体内部压力，外部气流沿箭头方向将撞针向变幅杆201的方向推送。如图3-2所示，在撞针回弹的过程中，台肩与腔体内边缘脱离接触，外部气流进一步沿图中箭头方向将撞针5向变幅杆201的方向推送。如图3-3所示，在台肩(下文中描述)到达第一流道106处，气流从第一流道106、第二流道107被抽吸出去，此时负压设备对撞针5不再具有抽吸效果，以便于不阻碍撞针向外弹射。以上所说的第一流道、第二流道仅是示意性的，只要在冲击头内设置有气流通道，且气流通道的一端与负压设备相连，气流通道的另一端延伸至当撞针5回弹到与变幅杆201的端面接触状态下的台肩位置，使得外部气流能够在负压设备的抽吸下将撞针5推送至与变幅杆201的端面接触，并在撞针回弹至与变幅杆201的端面接触时，外部气流经气流通道进入负压设备，负压设备不再具有对撞针5的抽吸效果。

另外，该装置在用于向上冲击待处理工件时，可以不需要负压设备，仅靠撞针自重回弹，而通过引入负压设备，使得该装置可以适用于对空间各方位的待处理工件进行冲击。

通过负压设备抽吸，可以加强撞针5的回弹。下面分别以空载和负载状态来说明一下撞针5的工作情况。在空载状态下，当撞针5运动至腔体108的外端的内边缘时，撞针5的台肩与腔体108的外端的内边缘紧密接触，形成密闭空间，由于没有与待处理工件碰撞，撞针5没有回弹。不过负压设备可以经第二流道7和第一流道106向靠向变幅杆201的方向抽吸空气，将撞针吸回到与变幅杆201接触的状态。而在负载状态下(即使用该装置对待处理工件进行冲击)，撞针5与待处理工件发生弹性碰撞，待处理工件给撞针5一个回弹力，在回弹力与负压吸力共同作用下，撞针5运动回与变幅杆接触位置，重新接受变幅杆激发，进行周期性运动。

本实施例的超声冲击喷丸装置通过变幅杆驱动冲击头内的多个腔体内设置的撞针弹动，并在撞针与待处理工件碰撞的同时采用负压抽吸来加强撞针回弹的效果，撞针与待处理工件为弹性碰撞，而在现有技术中，撞针的两端分别与待处理工件和变幅杆刚性接触，撞针只是在变幅杆的振动下与待处理工件产生顶压效果。本实施例则是使得撞针与待处理工件之间产生弹性碰撞，在保证冲击处理效果的同时，不损伤其表面质量。本发明设计形式结构简单，性能可靠，效率高。

在一个可选实施例中，撞针的台肩可以采用斜台肩，有利于提高密封效果。

在一个可选实施例中，该冲击头可以是分体式组装而成，如图1所示，该冲击头包括上盖101、冲击座102和下盖103，并且，上盖101、冲击座102和下盖103通过螺栓连接为一体，在冲击头内部形成供撞针做往复运动的腔体。当然也可以采用其他常用连接方式，例如铆接、粘接、焊接等。

在一个可选实施例中，为了保证负压系统的正常工作，冲击头与冲击枪连接的端面之间可以采用密封垫进行密封处理，以防止负压泄漏，影响正常工作。并且，作为附带效果，负压气流可以对冲击枪内的换能器起到冷却作用。

在一个可选实施例中，如图4所示，第一撞针51包括同心的连接为一体的第一圆柱体511和第二圆柱体513，且第二圆柱体513的直径比第一圆柱体的直径大，第一圆柱体511的一端的外圆通过第一斜台肩512向外侧延伸至与第二圆柱体513同心地结合为一体。其中，撞针51的朝向外端的端面514是工作面，在变幅杆201的振动下与工件表面接触。第一斜台肩512与腔体108的内边缘接触密封腔体。

在一个可选实施例中，如图5所示，第二撞针52为圆柱体，且其两端的直径比中间的直径小，且其两端的外圆与中间的外圆之间通过第二斜台肩521连接为一体。其中，第二撞针52在变幅杆201的振动下与工件表面接触，第二斜台肩521与腔体108的内边缘接触密封。可以看出，第一撞针51的工作行程比第二撞针52的工作行程长，以上两个撞针仅是示例性的，根据不同的待处理工件的材料、焊缝形式等特性，可以设计不同的撞针形式。

在一个可选实施例中，换能器可选用压电陶瓷换能器，该换能器由2至多片偶数压电陶瓷组成。或者，也可以选用磁致伸缩式换能器。

在一个可选实施例中，冲击头与冲击枪可以通过搭扣结构连接，如图1所示，冲击头10与冲击枪20之间通过搭扣30连接为一体，以实现便携式安装和拆卸。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声冲击喷丸装置，其特征在于，包括：

冲击枪，在冲击枪内设置有换能器；

冲击头，与冲击枪连接，冲击头的一端与换能器的变幅杆的端面具有一定间隙，在冲击头内有至少一个沿变幅杆的振动方向穿透冲击头的腔体，在每个腔体内安放有撞针，

并且，通过变幅杆的振动带动撞针向腔体的远离变幅杆的一端弹射，在撞针的最大工作行程处，撞针的远离变幅杆的一端伸出腔体并对工件表面进行撞击，然后撞针向变幅杆的方向回弹至撞针的靠近变幅杆的一端与变幅杆接触碰撞，从而使得撞针在变幅杆与工件之间往复弹射，并且，

在冲击头内还设置有气流通道，所述气流通道的一端与负压设备连通，另一端延伸至撞针处，通过负压设备的抽吸加强撞针向变幅杆的方向回弹，并且，在撞针回弹至与变幅杆碰撞时，负压设备停止对撞针的抽吸。

2.根据权利要求1所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，在冲击头内设置有连通各腔体的第一流道，并且，从第一流道还向变幅杆的方向延伸出一道或多道第二流道，并且，每个第二流道的一端都与负压设备连通，

其中，当撞针回弹至与变幅杆碰撞时，气流依次通过第一流道、第二流道进入负压设备，负压设备不对撞针形成负压吸力。

3.根据权利要求1所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，撞针的下部具有台肩，台肩的横截面面积大于腔体远离变幅杆方向的所述一端的端面面积，在撞针的最大工作行程处，台肩使得下部留在腔体内。

4.根据权利要求1所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，所述冲击头通过上盖、冲击座和下盖连接为一体，并在其中形成所述腔体和气流通道。

5.根据权利要求1所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，冲击头与冲击枪连接的端面之间装设有密封垫。

6.根据权利要求3所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，撞针包括同心连接的第一圆柱体和第二圆柱体，所述第二圆柱体靠向变幅杆，且第二圆柱体的直径比第一圆柱体的直径大。

7.根据权利要求3所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，撞针为两端直径比中间直径小的圆柱体，且其两端的外圆与中间的外圆之间通过第二斜台肩连接为一体。

8.根据权利要求1所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，所述一定间隙大于或等于变幅杆的振幅。

9.根据权利要求1所述的超声冲击喷丸装置，其特征在于，冲击头与冲击枪通过搭扣结构连接。