CN109136527B - 一种基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法 - Google Patents

一种基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法 Download PDF

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Abstract

基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，包括制定振动时效实验方案；测试构件的初始残余应力以及振动时效处理后的残余应力；采集构件在循环振动载荷作用过程中产生的声发射信号；对声发射信号进行分析处理，提取声发射信号的特征；建立残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；得到振动时效技术的工艺参数的确定方法。本发明提出的基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，以微观尺度的位错作为基础，因此采用本发明提出的工艺参数确定方法确定的工艺参数对构件进行振动时效处理时，外界作用的振动能量能够更有效的被微观尺度的位错所吸收，从而激活微观尺度的位错运动，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。

Description

一种基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法
技术领域
本发明涉及振动时效技术领域，特指一种基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法。
技术背景
振动时效技术具有处理效果好、处理时间短、环境污染小、能耗低、易于现场操作等特点，属于高效节能绿色环保的时效处理技术；在二十一世纪振动时效技术具备了取代传统热时效技术的可能。因此，对振动时效技术开展研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
采用振动时效技术消除构件加工制造过程中产生的残余应力，首先就是需要确定振动时效技术的工艺参数，并且对振动时效技术的工艺参数的确定也是振动时效技术领域的重点研究内容之一。目前在开展振动时效技术实验时，确定的工艺参数主要包括激振频率、激振动应力以及激振时间。下面主要阐述激振频率、激振动应力以及激振时间的确定方法。
(1)激振频率
对于振动时效激振频率的确定，主要依据的是传统的扫频法，即首先对时效构件进行扫频激振处理，找出其在扫频范围内最大的共振峰，确定构件的共振频率；然后确定构件的亚共振区，在亚共振区内选择共振峰值的1/3～2/3所对应的频率为振动时效的激振频率。
(2)激振动应力
对于激振动应力的确定方法，主要是依据振动时效的宏观机理进行展开的，即激振器产生的动应力的幅值与残余应力之和应大于时效构件的屈服强度，而动应力的幅值应小于构件的疲劳极限；尹河迟、陈立功等学者提出，对于时效构件的激振动应力的取值范围一般应为(抗拉强度-屈服极限)/3～屈服极限/3；何闻等学者研究高频振动时效工艺时，对于激振动应力的选取主要依据的是加速度振级，但是并未提到加速度振级的确定方法。上述研究表明，对于激振动应力的选取还存在较大的主观性，主要是依靠经验。对于时效构件进行超声振动时效处理时，主要采用超声振动幅值来表征激振动应力，但是对超声振动幅值的确定方法也是主要靠经验。
(3)激振时间
目前在超声振动时效工艺实践应用中，通常采用以下两种方法确定振动时效的激振时间：①按时效构件的重量；②按时效构件振动时效处理过程中的振动响应，当加速度曲线出现上升后变平、上升后下降然后变平等现象后在持续振动时效处理3～5min即可。一般累计振动时效处理的时间不应超过40min。
综上所述，目前对振动时效技术的工艺参数的制定还存在着较大的主观性，主要是依靠经验来确定具体的工艺参数值，导致振动时效技术在应用中，经常会出现残余应力消除效果不稳定和不理想的情况，因此有必要对振动时效技术开展进一步的研究，得到振动时效技术的工艺参数的确定方法，为振动时效技术的推广与应用提供技术支持。此外，振动时效消除残余应力的微观机制是微观尺度的位错激活运动，导致构件内部产生弹塑性变形，进而使得构件产生宏观弹塑性变形，最终达到释放构件内部残余应力的目的。然而上述确定振动时效技术的工艺参数的方法，并未考虑到微观尺度的位错运动，因而确定的振动时效技术的工艺参数必然存在着不足。鉴于此，我们可以发现如果能够采用检测构件微观尺度位错运动引起的弹塑性变形的方法确定振动时效技术的工艺参数，那么有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。而构件在受力作用产生弹塑性变形时，以弹性波形式释放出应变能的现象，称为声发射。这种声发射现象与振动时效技术的微观机制都是以微观尺度的位错运动引起的弹塑性变形为基础，因此采用声发射技术的方法确定振动时效技术的工艺参数，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。鉴于此，针对目前振动时效技术的工艺参数的确定方法存在的不足，本发明提出一种基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法。
发明内容
针对目前振动时效技术的工艺参数的确定方法存在的不足，本发明提出一种基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，旨在为了获得理想的振动时效消除残余应力的效果，以及丰富振动时效技术的工艺参数的确定方法。
基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，包括以下步骤：
(1)、采用单因素试验法制定振动时效实验方案；
(2)、测试构件振动时效处理前的初始残余应力，然后对构件进行振动时效处理，并以Δt时间为间隔，测试构件振动时效处理后的残余应力；
(3)、对构件进行振动时效处理的同时，采集构件在循环振动载荷作用过程中产生的声发射信号；
(4)、对声发射信号进行分析处理，并以Δt时间为间隔，提取声发射信号的特征；
(5)、采用数据拟合软件对残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，建立残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(6)、得到振动时效技术的工艺参数的确定方法。
振动时效技术的工艺参数主要包括激振频率、激振动应力以及激振时间，步骤(1)中，采用单因素试验法制定振动时效实验方案，即是采用单因素试验法研究不同工艺参数对振动时效消除残余应力的效果的影响，具体实施细节如下：首先保持振动时效过程中的激振动应力与激振时间不变，研究激振频率的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响；然后保持振动时效过程中的激振频率与激振时间不变，研究激振动应力的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响；最后保持振动时效过程中的激振频率与激振动应力不变，研究激振时间的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响。
进一步，采用X射线衍射的方法在构件上同一测试点处测试得到所述的残余应力。
X射线衍射的方法测试得到所述的残余应力，可以不对构件造成破坏，属于无损的残余应力测试方法，此外本发明中为了研究振动时效处理过程中残余应力的变化规律，每间隔Δt时间测试下构件的残余应力，为了保持残余应力测试数据的可比性，选取构件上同一测试点进行每一次的残余应力测试，而如果采用小孔法测试构件的残余应力，则不能在同一点进行重复测试，必须要在构件不同位置进行测试，而不同位置本身残余应力状态必然不一样，会对分析结果产生影响。
进一步，所述的间隔时间Δt为(t/10)min，t为对构件进行振动时效处理总共需要的时间。
进一步，所述的声发射信号的特征为声发射信号的有效值(RMS)电压，单位为V。
进一步，所述的数据拟合软件为Origin软件。
进一步，步骤(5)中采用数据拟合软件对残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，建立残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式包括以下步骤：
(5.1)、研究激振频率的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响时，在不同的激振频率下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(5.2)、研究激振动应力的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响，在不同的激振动应力下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(5.3)、研究激振时间的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响，在不同的激振时间下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式。
进一步，步骤(6)中得到振动时效技术的工艺参数的确定方法包括以下步骤：
(6.1)、对不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振频率作为振动时效处理时的激振频率；
(6.2)、对不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振动应力作为振动时效处理时的激振动应力；
(6.3)、对不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振时间作为振动时效处理时的激振时间。
本发明的技术构思是：通过本发明提出的方法确定的工艺参数，是以微观尺度的位错作为基础，有利于获得较为理想的振动时效消除残余应力的效果。
本发明的有益效果如下：
1、声发射技术与振动时效技术的微观机制都是以微观尺度的位错运动引起的弹塑性变形为基础，因此采用声发射技术的方法确定振动时效技术的工艺参数，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。
2、本发明提出的基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，以微观尺度的位错作为基础，因此采用本发明提出的工艺参数确定方法确定的工艺参数对构件进行振动时效处理时，外界作用的振动能量能够更有效的被微观尺度的位错所吸收，从而激活微观尺度的位错运动，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。
3、本发明提出的基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，以微观尺度的位错作为基础，与目前常用的振动时效工艺参数确定方法有着本质的区别，能够丰富振动时效技术的工艺参数的确定方法。
附图说明
图1基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法的流程示意图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，包括以下步骤：
(1)、采用单因素试验法制定振动时效实验方案；
(2)、测试构件振动时效处理前的初始残余应力，然后对构件进行振动时效处理，并以Δt时间为间隔，测试构件振动时效处理后的残余应力；
(3)、对构件进行振动时效处理的同时，采集构件在循环振动载荷作用过程中产生的声发射信号；
(4)、对声发射信号进行分析处理，并以Δt时间为间隔，提取声发射信号的特征；
(5)、采用数据拟合软件对残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，建立残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(6)、得到振动时效技术的工艺参数的确定方法。
振动时效技术的工艺参数主要包括激振频率、激振动应力以及激振时间，步骤(1)中，采用单因素试验法制定振动时效实验方案，即是采用单因素试验法研究不同工艺参数对振动时效消除残余应力的效果的影响，具体实施细节如下：首先保持振动时效过程中的激振动应力与激振时间不变，研究激振频率的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响；然后保持振动时效过程中的激振频率与激振时间不变，研究激振动应力的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响；最后保持振动时效过程中的激振频率与激振动应力不变，研究激振时间的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响。
进一步，采用X射线衍射的方法在构件上同一测试点处测试得到所述的残余应力。
X射线衍射的方法测试得到所述的残余应力，可以不对构件造成破坏，属于无损的残余应力测试方法，此外本发明中为了研究振动时效处理过程中残余应力的变化规律，每间隔Δt时间测试下构件的残余应力，为了保持残余应力测试数据的可比性，选取构件上同一测试点进行每一次的残余应力测试，而如果采用小孔法测试构件的残余应力，则不能在同一点进行重复测试，必须要在构件不同位置进行测试，而不同位置本身残余应力状态必然不一样，会对分析结果产生影响。
进一步，所述的间隔时间Δt为(t/10)min，t为对构件进行振动时效处理总共需要的时间。
进一步，所述的声发射信号的特征为声发射信号的有效值(RMS)电压，单位为V。
进一步，所述的数据拟合软件为Origin软件。
进一步，步骤(5)中采用数据拟合软件对残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，建立残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式包括以下步骤：
(5.1)、研究激振频率的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响时，在不同的激振频率下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(5.2)、研究激振动应力的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响，在不同的激振动应力下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(5.3)、研究激振时间的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响，在不同的激振时间下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式。
进一步，步骤(6)中得到振动时效技术的工艺参数的确定方法包括以下步骤：
(6.1)、对不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振频率作为振动时效处理时的激振频率；
(6.2)、对不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振动应力作为振动时效处理时的激振动应力；
(6.3)、对不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振时间作为振动时效处理时的激振时间。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，包括以下步骤：
(1)、采用单因素试验法制定振动时效实验方案；
(2)、测试构件振动时效处理前的初始残余应力，然后对构件进行振动时效处理，并以Δt时间为间隔，测试构件振动时效处理后的残余应力；
(3)、对构件进行振动时效处理的同时，采集构件在循环振动载荷作用过程中产生的声发射信号；
(4)、对声发射信号进行分析处理，并以Δt时间为间隔，提取声发射信号的特征；
(5)、采用数据拟合软件对残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，建立残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
具体步骤如下：
(5.1)、研究激振频率的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响时，在不同的激振频率下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(5.2)、研究激振动应力的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响，在不同的激振动应力下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(5.3)、研究激振时间的改变对振动时效消除残余应力的效果的影响，在不同的激振时间下将通过步骤(1)—(4)测试得到的残余应力与声发射信号的特征进行数据拟合，得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式；
(6)、得到振动时效技术的工艺参数的确定方法；
具体步骤如下：
(6.1)、对不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振频率下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振频率作为振动时效处理时的激振频率；
(6.2)、对不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振动应力下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振动应力作为振动时效处理时的激振动应力；
(6.3)、对不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式求解残余应力对声发射信号的特征的一次导数，得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的一次导数，即得到不同的激振时间下残余应力与声发射信号的特征之间的定量化函数表达式的斜率，选取倾斜程度最大的斜率对应的激振时间作为振动时效处理时的激振时间。
2.如权利要求1所述的基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，其特征在于：采用X射线衍射的方法在构件上同一测试点处测试得到所述的残余应力。
3.如权利要求1所述的基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，其特征在于：所述的间隔时间Δt为(t/10)min，t为对构件进行振动时效处理总共需要的时间。
4.如权利要求1所述的基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，其特征在于：所述的声发射信号的特征为声发射信号的有效值(RMS)电压，单位为V。
5.如权利要求1所述的基于声发射技术的振动时效工艺参数确定方法，其特征在于：所述的数据拟合软件为Origin软件。
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