CN109628729B - 密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及材料性能研究技术领域，尤其涉及一种密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置。所述装置包括装有流体介质的压力容器；和多个分布固定连接于所述压力容器侧壁及底部的超声换能器，所述超声换能器的发射端与所述压力容器内部连通设置；以及紧固连接于所述压力容器底部的支撑体，所述支撑体内部留有容纳连接于所述压力容器底部的超声换能器的容纳空间。本申请所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置解决了现有技术难以对复杂结构构件的残余应力进行消减及均化的问题。

Description

密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置

技术领域

本申请涉及材料性能研究技术领域，尤其涉及一种密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置。

背景技术

随着航天工业、压力容器、制造业等领域在经济发展中作用的日益显著，以及工程应用中对各类构件的应用也越来越多，对各类构件的生产及质量要求也就越来越高。由于构件应力的存在，会直接导致构件出现裂纹，诱发开裂等现象，因此，无论是构件在制造过程中还是在工作中产生的应力，对构件应力进行调控及消减都是人们重点研究的课题。

现有技术中，多采用自然时效方法和退火、回火、振动冲击等人工时效方法调控、消减构件应力，但是自然时效方法耗时长，少则数月，多则数年，不适合应用于对时间要求较高的工程应用中；振动冲击人工时效方法多用于结构形状较规则、表面较平整的板类和盘类等构件，无法实现对结构较复杂的、较精细的零部件的应力进行调控及消减，比如航空、水电、火电和压缩机等领域的箱体类、(曲)轴类等复杂结构的零部件，且振动冲击人工时效方法耗时也较长，一般至少需要数天到数月，还费力、工艺繁琐，同样不适用于对时间要求较高的工程应用中；退火、回火等人工时效方法的工艺繁琐，且对火候的控制需要较高的水平，对技术掌控能力要求较高，耗时一般也较长，至少需要三到五天的时间，同样不太适用于对时间要求、质量和经济要求较高的工程应用中。

发明内容

本申请提供了一种密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置，以解决现有技术难以对复杂结构构件的残余应力进行消减及均化的问题。

本申请提供了一种密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置，包括：

装有流体介质的压力容器；和

多个分布固定连接于所述压力容器侧壁及底部的超声换能器，

所述超声换能器的发射端与所述压力容器内部连通设置；以及

紧固连接于所述压力容器底部的支撑体，

所述支撑体内部留有容纳连接于所述压力容器底部的超声换能器的容纳空间。

本申请所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置采用了密闭的能够承受压力的压力容器，其顶部具有开口，流体介质可以从该开出处注入至其体内，待调控的构件也从该开口处放入至其体内并没入至前述流体介质中，再将该开口封闭，开启连通于该压力容器侧壁及底部的多个超声换能器，从不同方向持续发射高能弹性波至流体介质中；利用流体介质的弹性特性传递高能弹性波，并在流体介质中形成高能量的弹性波场，利用流体介质与构件良好的耦合效应，以及高能弹性波在液固界面发生的高能超声空泡效应所产生的较大的冲击波能量，使高能量的弹性波场耦合至构件的调控部位的表面及内部中；利用高能弹性波的高能超声诱导效应对其表面及内部的残余应力进行消减及均化。该装置可以多次重复使用，该构件可以进行过一次残余应力消减及均化工作后取出并检测其应力值，再重新放入压力容器中继续进行残余应力消减及均化工作，直至该构件的应力值下降至趋于平衡为止，以尽可能的达到最大程度的对构件残余应力的消减及均化效果。

由于不论是规则形状结构的构件，还是复杂结构的构件，流体介质均具有与其良好的耦合效应，并且，在压力容器的侧壁及底部设有多个超声换能器，可以从多个位置多个方向同时发射多束高能弹性波对复杂结构构件更全面、整体的进行残余应力的消减及均化工作，并且多束高能弹性波还可以能量叠加，提高能量强度，以达到更好的消减及均化残余应力的效果，解决了现有技术难以对复杂结构构件的残余应力进行消减及均化的问题。紧固连接于压力容器底部的支撑体，一方面，可以容纳连接于压力容器底部的超声换能器，支撑压力容器并使该装置可以稳定安放，另一方面，该支撑体具有一定的重量，可以稳固住该压力容器，使其在进行消减及均化工作过程中不动摇，使消减及均化工作有效进行。再有，由于高能弹性波具有振幅小、能量高、强度大、传播速度快的优点，利用高能弹性波消减和均化构件残余应力可以在较短的时间内，省时高效、高质量的完成对构件残余应力的消减工作，一般只需要几十分钟至数小时，解决了现有技术耗时长的问题；并且，本申请所提供的装置结构简单，易操作，还易搬运，方便现场操作。

进一步的，多个所述超声换能器均匀环绕所述压力容器侧壁设置，

多个所述超声换能器均匀排布于所述压力容器底部设置。

这样可以使发射到待调控构件表面及内部的高能弹性波的能量更均匀，更全面，不留死角，可以更好的发挥其应力均化的能力，尤其对复杂结构的构件可以达到更好、更全面的消减及均化残余应力的效果。

进一步的，沿所述压力容器侧壁的延伸方向，多个所述超声换能器环绕设置至少两圈。

这样可以更进一步的提高射入的高能弹性波的能量强度，以及进一步扩大辐射面，以进一步提高与构件耦合的全面性，以达到更好的残余应力消减及均化的效果。

更进一步的，在所述延伸方向上，相邻的两圈所述超声换能器之间环绕所述压力容器侧壁设有至少一圈加热带。

该加热带既可以提供低温，也可以提供高温，当提供低温时，该流体介质会密度增加，声衰减减小，声传播效率增大，透声性能增强，有助于声能的传导，即有助于高能弹性波的传播，也可以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减及均化。当提供高温时，该流体介质质点运动会更活跃，声衰减减小，声传播效率增大，透声性能增强，有助于声能的传导，即有助于高能弹性波的传播，同样可以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减及均化。该加热带不论施加高温还是低温，均可以提高高能弹性波的传播效率及其透声性能，使更多、更完整的高能弹性波更快的达到至构件的调控部位的表面及内部，及时、高效的完成构件的残余应力的消减和均化工作。

更进一步的，在所述延伸方向上，紧挨靠近所述压力容器顶部的一圈所述超声换能器的上侧设置至少一圈所述加热带；和/或

在靠近所述压力容器底部的侧壁上环绕设置至少一圈所述加热带。

这样可以增加加热强度和加热面积，以更完整、更高效的完成构件的残余应力的消减和均化工作。

进一步的，所述装置还包括竖直贯通位于所述压力容器顶部的封闭式盖体设置的管状体，

所述管状体连通所述压力容器内部及外部，且其连通所述压力容器外部的一端与加压装置连接。

给流体介质持续施加高压，可以使该流体介质的压力增加，使其密度增加，声衰减减小，声传播效率增大，透声性能增强，有助于声能的传导，即有助于高能弹性波的传播，可以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减及均化。

进一步的，所述装置还包括压紧所述封闭式盖体的压紧组件，

所述压紧组件包括一端竖直固定于所述封闭式盖体上的螺杆，和

一端固定于所述压力容器侧壁，一端为环状并滑动套设于所述螺杆的弯折杆，及

位于所述弯折杆上方并旋转紧固于所述螺杆的螺母。

这样可以有效防止在加压过程中，封闭式盖体被施加的高压气体顶开。

更进一步的，所述螺杆固定于所述封闭式盖体的中部位置，

所述弯折杆为环状一端的侧壁伸出设有一压紧卡勾，所述压力容器侧壁设有一压紧卡扣，所述压紧卡勾与所述压紧卡扣扣合锁紧。

这样可以压紧施加的力更均匀，更有效的起到压紧的作用；以及可以有效固定封闭式盖体的位置，以及更紧固的固定封闭式盖体于压力容器顶部。

进一步的，所述支撑体的所述容纳空间下方设有紧固连接面，

所述紧固连接面侧边固定连接于所述支撑体内侧壁，

连接于所述压力容器底部的超声换能器的自由端设有连接螺母，

穿过所述紧固连接面设有连接螺栓，

所述连接螺母与所述连接螺栓一一对应设置。

使连接于压力容器底部的多个超声换能器固定连接于紧固连接面上，以抵消掉该多个超声换能器产生的重力，防止过早的损坏压力容器的底部结构，延长压力容器的使用寿命。

更进一步的，所述支撑体侧壁相对设置有两个开口，所述开口与所述容纳空间相通。

这样可以通过该开口接触到容纳空间内的超声换能器，可以通过该开口开启及关闭超声换能器，而无需卸下支撑体才能做到，这样操作更方便、快捷、省时、省力，以更高效的完成构件的残余应力消减及均化工作。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置的正视图；

图3为本申请实施例所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置的俯视图；

图4为本申请实施例所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置的剖切图；

图5为图4所示位置A-A的剖视图；

图6为本申请实施例所提供的超声换能器的结构示意图。

附图标记：

10-压力容器；

11-顶部；

12-侧壁；

13-底部；

14-封闭式盖体；

20-超声换能器；

21-发射端；

22-自由端；

23-连接螺母；

24-法兰；

30-支撑体；

31-容纳空间；

32-紧固连接面；

33-连接螺栓；

34-支撑体侧壁；

35-连接紧固件；

40-压紧组件；

41-螺杆；

42-弯折杆；

43-螺母；

44-压紧卡勾；

45-压紧卡扣；

50-加热带。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

如图1-4所示，本申请实施例提供了一种密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置，以实现对复杂结构构件的残余应力进行消减及均化。该装置包括装有流体介质的压力容器10，该压力容器10是一种能够承受压力的密闭容器，和固定连接设置于该压力容器10侧壁12及底部13的超声换能器20，如图4和图6所示，该超声换能器20的发射端21朝向该压力容器10的内部设置，并与其内部连通，该超声换能器20的自由端22位于该压力容器10的外部，并背离该压力容器10设置，该超声换能器20可以套设有法兰24，并通过该法兰24与该压力容器10侧壁12及底部13固定连接，超声换能器20与压力容器10的固定连接方式在本申请实施例中不做限定，也可以采用其他固定连接方式；该超声换能器20可以设置为多个，且分布设置于压力容器10侧壁12及底部13的不同位置处，以从不同方向发射高能弹性波。

前述的流体介质可以是任何能够传播超声能量的弹性流体，具体的，该流体介质可以采用水、油、脂中的任意一种或多种液体介质与空气、氮气、氦气中的任意一种或多种气体介质两相混合配比的介质；或者，可以采用水、油、脂中的任意一种或多种液体介质与固体介质两相混合配比的介质；再或者，该流体介质还可以是采用水、油、脂中的任意一种或多种液体介质和空气、氮气、氦气中的任意一种或多种气体介质及固体介质多相混合配比的介质。这种流体介质可以与高能弹性波良好的耦合且声衰小、传播声能效果好、透声性能好，以使更多的、能量更高的高能弹性波更好、更快、更完整的传播至待调控构件的调控部位，更好、更高效的对待调控构件的残余应力进行消减和均化。

本申请实施例所提供的装置还可以包括紧固连接于前述压力容器10底部13的支撑体30，如图1和图5所示，该支撑体30的顶部可以环绕压力容器10的底部13设有连接紧固件35，该支撑体30可以通过该连接紧固件35与该压力容器10紧固连接，该支撑体30的内部留有容纳空间31，该容纳空间31用于容纳连接于前述压力容器10底部13的超声换能器20，以使本申请实施例所提供的装置可以稳定安放，并且该支撑体30优选采用质量较重的材质制成，如钢材、水泥等，这样可以提高该装置的重量，使其更稳固不易动摇，且该支撑体30的结构形状不做限定，可起到支撑稳固作用即可，如柱体结构。

与现有技术相比，本申请实施例所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置采用了密闭的能够承受压力的压力容器10，其顶部11具有开口，前述的流体介质可以从该开出处注入至其体内，待调控的构件也从该开口处放入至其体内并没入至前述流体介质中，再将该开口封闭，开启连通于该压力容器10侧壁12及底部13的多个超声换能器20，从不同方向持续发射高能弹性波至流体介质中；利用流体介质的弹性特性传递高能弹性波，并在流体介质中形成高能量的弹性波场，利用流体介质与构件良好的耦合效应，以及高能弹性波在液固界面发生的高能超声空泡效应所产生的较大的冲击波能量，使高能量的弹性波场耦合至构件的调控部位的表面及内部中，所提及的高能超声空泡效应是指高能弹性波在液固界面产生的空气泡的压力很大，其在液固界面破碎时产生很大的高能冲击波；再利用高能弹性波的高能超声诱导效应对其表面及内部的残余应力进行消减及均化，所提及的高能超声诱导效应是指当高能弹性波的能量大于构件内部残余应力势场能时，对残余应力集中区域起到弹性能释放的诱导、催化和加速效应。本申请实施例所提供的装置可以多次重复使用，待调控构件可以进行过一次残余应力消减及均化工作后取出并检测其应力值后，再放入压力容器10中再进行残余应力消减及均化工作，直至该待调控构件的应力值下降至趋于平衡为止，以尽可能的达到最大程度的对构件残余应力的消减及均化效果。

由于不论是规则形状结构的构件，还是复杂结构的构件，流体介质均具有与其良好的耦合效应，并且，在压力容器10的侧壁12及底部13设有多个超声换能器20，可以从多个位置多个方向同时发射多束高能弹性波对复杂结构构件更全面、整体的进行残余应力的消减及均化工作，并且多束高能弹性波还可以能量叠加，提高能量强度，以达到更好的消减及均化残余应力的效果。至此，本申请实施例所提供的密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置解决了现有技术难以对复杂结构构件的残余应力进行消减及均化的问题。并且，本申请实施例所提供的支撑体30，一方面，可以容纳连接于压力容器10底部13的超声换能器20，支撑压力容器10并使该装置可以稳定安放，另一方面，该支撑体30具有一定的重量，可以稳固住该压力容器10，使其在进行消减及均化工作过程中不动摇，使消减及均化工作有效进行。再有，由于高能弹性波具有振幅小、能量高、强度大、传播速度快的优点，利用高能弹性波消减和均化构件残余应力可以在较短的时间内，省时高效、高质量的完成对构件残余应力的消减工作，一般只需要几十分钟至数小时，解决了现有技术耗时长的问题；并且，本申请实施例所提供的装置结构简单，易操作，还易搬运，方便现场操作。

优选的，前述的多个超声换能器20可以均匀环绕前述压力容器10的侧壁12设置，和/或，前述的多个超声换能器20还可以均匀排布于前述压力容器10底部13设置，这样可以使发射到待调控构件表面及内部的高能弹性波的能量更均匀，更全面，不留死角，可以更好的发挥其应力均化的能力，尤其对复杂结构的构件可以打动更好、更全面的消减及均化残余应力的效果。具体的，如图5所示，连接于压力容器10底部13的多个超声换能器20可以围绕一圈设置，圈内还可以再设置一个或多个超声换能器20。

进一步的，如图2所示，沿压力容器10侧壁12的延伸方向(即图2所示Y方向)，多个超声换能器20可以环绕设置至少两圈，这样可以更进一步的提高射入的高能弹性波的能量强度，以及进一步扩大辐射面，以进一步提高与构件耦合的全面性，以达到更好的残余应力消减及均化的效果。

更进一步的，在前述实施例基础上，在相邻的两圈超声换能器20之间可以环绕压力容器10侧壁12设有至少一圈加热带50。该加热带50既可以提供低温，也可以提供高温，该加热带50施加的温度范围为20℃～80℃，其中，35℃～80℃一般称为高温，20℃～35℃(不包括35℃)一般称为低温。当提供低温时，该流体介质会密度增加，声衰减减小，声传播效率增大，透声性能增强，有助于声能的传导，即有助于高能弹性波的传播，也可以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减及均化。当提供高温时，该流体介质质点运动会更活跃，声衰减减小，声传播效率增大，透声性能增强，有助于声能的传导，即有助于高能弹性波的传播，同样可以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减及均化。该加热带50不论施加高温还是低温，均可以提高高能弹性波的传播效率及其透声性能，使更多、更完整的高能弹性波更快的达到至构件的调控部位的表面及内部，及时、高效的完成构件的残余应力的消减和均化工作。

一种更进一步的实施例是，在前述的延伸方向上(即图2所示Y方向上)，紧挨着靠近压力容器10顶部11的一圈超声换能器20的上侧设置至少一圈前述加热带50；和/或在靠近压力容器10底部13的侧壁12上环绕设置至少一圈前述加热带50。以增加加热强度和加热面积，以更完整、更高效的完成构件的残余应力的消减和均化工作。

另一种优选的实施例是，在压力容器10的顶部11盖有封闭式盖体14，可以设有贯通该封闭式盖体14的管状体，该管状体可以竖直设置，且连通压力容器10的内部及外部，其连通压力容器10外部的一端可以与加压装置连接，以实现对该压力容器10内部进行加压。加压范围可以为15MPa～40MPa。给流体介质持续施加上述范围内的高压，可以使该流体介质的压力增加，使其密度增加，声衰减减小，声传播效率增大，透声性能增强，有助于声能的传导，即有助于高能弹性波的传播，可以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减及均化。

为了有效防止在上述实施例的加压过程中，封闭式盖体14被施加的高压气体顶开，优选的，还可以设有压紧组件40，该压紧组件40可以包括一端竖直固定于该封闭式盖体14上的螺杆41，和一端固定于该压力容器10侧壁12，一端为环状并滑动套设于前述螺杆41的弯折杆42，及位于该弯折杆42上方并旋转紧固于前述螺杆41的螺母43。该螺母旋转压紧该封闭式盖体14，进一步保证其被压紧，不被顶开。

在上述实施例的基础上，为了压紧施加的力更均匀，更有效的起到压紧的作用，该螺杆41可以固定于该封闭式盖体14的中部位置。同时，该弯折杆42为环状一端的侧壁可以伸出设有一压紧卡勾44，对应的，压力容器10的侧壁12靠近其顶部11的部位可以设有一压紧卡扣45，使该压紧卡勾44可以与该压紧卡扣45扣合锁紧。这样可以有效固定封闭式盖体14的位置，以及更紧固的固定封闭式盖体14于压力容器10顶部11。

另一种优选的实施例是，前述的支撑体30的容纳空间31下方还可以设有紧固连接面32，该紧固连接面32的侧边可以固定连接于该支撑体30的内侧壁，连接于该压力容器10底部13的超声换能器20的自由端22可以固定设有连接螺母23，对应的，可以穿过该紧固连接面32设有多个连接螺栓33，多个连接螺栓33与多个超声换能器20的多个连接螺母23一一对应设置。使连接于压力容器10底部13的多个超声换能器20固定连接于紧固连接面32上，以抵消掉该多个超声换能器20产生的重力，防止过早的损坏压力容器10的底部13结构，延长压力容器10的使用寿命。

再一种优选的实施例是，前述的支撑体侧壁34可以相对设置有两个开口，该两个开口可以与容纳空间31相通，以可以通过该开口接触到容纳空间31内的超声换能器20，可以通过该开口开启及关闭超声换能器20，而无需卸下支撑体30才能做到，这样操作更方便、快捷、省时、省力，以更高效的完成构件的残余应力消减及均化工作。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种密闭式高能弹性波消减和均化构件残余应力装置，其特征在于，包括：

装有流体介质的压力容器(10)；和

多个分布固定连接于所述压力容器(10)侧壁(12)及底部(13)的超声换能器(20)，

所述超声换能器(20)的发射端(21)与所述压力容器(10)内部连通设置，以利用多个所述超声换能器(20)发射的超声波在所述压力容器(10)内进行声波叠加；以及

紧固连接于所述压力容器(10)底部(13)的支撑体(30)，

所述支撑体(30)内部留有容纳连接于所述压力容器(10)底部(13)的超声换能器(20)的容纳空间(31)；

还包括竖直贯通位于所述压力容器(10)顶部(11)的封闭式盖体(14)设置的管状体，

所述管状体连通所述压力容器(10)内部及外部，且其连通所述压力容器(10)外部的一端与加压装置连接，以通过所述加压装置对所述压力容器(10)内的所述流体介质进行加压；

多个所述超声换能器(20)均匀环绕所述压力容器(10)侧壁(12)设置，多个所述超声换能器(20)均匀排布于所述压力容器(10)底部(13)设置；

沿所述压力容器(10)侧壁(12)的延伸方向，多个所述超声换能器(20)环绕设置至少两圈；

在所述延伸方向上，相邻的两圈所述超声换能器(20)之间环绕所述压力容器(10)侧壁(12)设有至少一圈加热带(50)；

在所述延伸方向上，紧挨靠近所述压力容器(10)顶部(11)的一圈所述超声换能器(20)的上侧设置至少一圈所述加热带(50)；和/或，在靠近所述压力容器(10)底部(13)的侧壁(12)上环绕设置至少一圈所述加热带(50)；

还包括压紧所述封闭式盖体(14)的压紧组件(40)，所述压紧组件(40)包括一端竖直固定于所述封闭式盖体(14)上的螺杆(41)，和

一端固定于所述压力容器(10)侧壁(12)，一端为环状并滑动套设于所述螺杆(41)的弯折杆(42)，及

位于所述弯折杆(42)上方并旋转紧固于所述螺杆(41)的螺母(43)；

所述螺杆(41)固定于所述封闭式盖体(14)的中部位置，

所述弯折杆(42)为环状一端的侧壁伸出设有一压紧卡勾(44)，所述压力容器(10)侧壁(12)设有一压紧卡扣(45)，所述压紧卡勾(44)与所述压紧卡扣(45)扣合锁紧；

所述支撑体(30)的所述容纳空间(31)下方设有紧固连接面(32)，

所述紧固连接面(32)侧边固定连接于所述支撑体(30)的内侧壁，

连接于所述压力容器(10)底部(13)的超声换能器(20)的自由端(22)设有连接螺母(23)，

穿过所述紧固连接面(32)设有连接螺栓(33)，

所述连接螺母(23)与所述连接螺栓(33)一一对应设置；

所述支撑体(30)的侧壁相对设置有两个开口，所述开口与所述容纳空间(31)相通。

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