CN109680141B - 高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及材料性能研究技术领域，尤其涉及一种高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法。本申请所提供的方法将待调控的构件置于注入了高能弹性波的流体介质中，使高能弹性波对构件残余应力进行消减及均化，解决了现有技术难以对复杂结构的构件进行调控及消减残余应力的问题，以及解决了现有技术耗时长、工艺繁琐还难控制的问题，并可以较好的适用于工程应用中。

Description

高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法

技术领域

本申请涉及材料性能研究技术领域，尤其涉及一种高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法。

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

本申请提供了一种高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法，以解决现有技术难以对复杂结构的构件进行调控及消减残余应力的问题，以及解决现有技术耗时长、工艺繁琐还难控制的问题，以较好的适用于工程应用中。

本申请提供了一种高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法，包括以下步骤：

步骤S1、检测并记录所述构件的调控部位的应力值；

步骤S2、将所述构件置于具有流体介质的容器中，并使所述构件的调控部位没入至所述流体介质中；

步骤S3、开启声波发生器，并持续发射高能弹性波至所述流体介质中，使所述高能弹性波与所述流体介质耦合，使所述高能弹性波达到至所述构件的调控部位的表面及内部；

步骤S4、关闭所述声波发生器，从所述容器中取出所述构件；

步骤S5、重复所述步骤S1至所述步骤S4至少一次，直到所述应力值不再变化；

步骤S6、关闭所述声波发生器。

本申请所提供的高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法，将待调控的构件放入具有流体介质的容器中，并将该构件的调控部位置于注入了高能弹性波的流体介质中，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，并利用流体介质与构件良好的耦合效应，使高能量的弹性波场到达至构件的调控部位的表面，甚至进入到构件的调控部位的内部中，对其表面及内部的残余应力进行消减及均化，直至该构件的调控部位的应力值下降至趋于平衡为止，停止对该构件残余应力的调控工作，关闭声波发生器以停止继续射入高能弹性波。

与现有技术相比，由于流体介质与各类形状的构件均具有良好的耦合效应，不论是规则形状结构的构件，还是复杂结构的构件，解决了现有技术难以对复杂结构的构件进行调控及消减残余应力的问题；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，本申请所提供的方法的工艺流程简单、易操作，通过应力值对比的方式控制构件调控工作的进展，易懂、易控制、判断方式明了，对操作人员的技术水平要求不高。解决了现有技术工艺繁琐还难控制、对技术掌控能力要求较高的问题。进而本申请所提供的方法可以更好的适用于工程应用中。

进一步的，在所述步骤S3中，还包括调节所述声波发生器发射的所述高能弹性波的频率值在10kHZ～40kHZ范围内。

调节声波发生器发射的高能弹性波的频率在此范围内，可以保证高能弹性波高效、稳定的进行构件残余应力的消减和均化工作，防止电压不支持工作、机器设备损坏、消减效果差等情况的发生。

更进一步的，根据所述构件的调控部位的调控前应力值大小及预定工时长短调整所述高能弹性波的频率值，所述调控前应力值为第一次执行所述步骤S1所检测并记录的所述构件的调控部位的应力值。

这样可以使构件残余应力的消减和均化工作更高效、更经济、更合理。

进一步的，在所述步骤S4之前，还包括步骤S31，为开启加压装置，对所述容器内的所述流体介质持续施加预定值高压，所述预定值高压的范围为15MPa～40MPa；

在所述步骤S6中，还包括关闭所述加压装置。

给流体介质持续施加上述预定值高压范围内的高压，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。

更进一步的，所述预定值高压优选为25MPa。

给该流体介质持续施加该预定值高压，其压力增加适度，声衰减减小的程度还较大，声传播效率增大程度也较大，高能弹性波的传播效果也较佳，还比较经济，性价比最高。

进一步的，在所述步骤S4之前，还包括步骤S32，为开启加温装置，对所述容器内的所述流体介质持续施加预定值温度，所述预定值温度的范围为20℃～80℃；

在所述步骤S6中，还包括关闭所述加温装置。

对流体介质施加上述预定值温度范围的预定值温度，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，所述预定值温度优选为45℃～55℃。

给该流体介质持续施加该预定值温度，其声衰减减小的程度、声传播提高的效率、透声性能的增加程度都比较理想，且高能弹性波的传播效果也较佳，还比较经济，性价比最高。

进一步的，所述流体介质采用水、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

所述流体介质采用水、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；或

所述流体介质采用水、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，这种流体介质可以使更多的、能量更高的高能弹性波更好、更快、更完整的传播至构件的调控部位，以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减和均化。

更进一步的，所述流体介质优选为冷却切削液。

该冷却切削液具备良好的冷却性、润滑性、无氧化性、易稀释性和透声性，且还具有无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环境不污染等优点，适用于对大部分金属、合金、碳纤维等材质制成的构件。

进一步的，所述容器采用密闭型压力容器。

当向该容器内加压时，该密闭压力容器可以保证压力不泄露，高质量的实现加压后声能传播优化的效果。

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方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的调控装置的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的构件调控前后周向残余应力对比图；

图4为本申请实施例所提供的构件调控前后轴向残余应力对比图。

附图标记：

10-流体介质；

20-构件；

30-弹性波场；

40-容器；

50-声波发生器；

51-声波发生器电源；

60-辅助装置；

70-示波器。

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和图2所示，本申请实施例提供了一种高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法，以及应用于该方法的调控装置，如图2所示，该调控装置包括用于放置流体介质10和待调控的构件20的容器40，该容器40可以是但不限于管道容器、密闭压力容器、开放类容器等中的任意一种，对该容器40的材质和形状在此不进行限定，可以是金属材质，也可以是非金属材质，只要可以用于盛放流体介质10和待调控的构件20，且不与流体介质10和构件20及高能弹性波发生破坏性反应即可；该调控装置还包括声波发生器50，该声波发生器50的发射口与前述容器40耦合相接，且在耦合处涂覆一层耦合剂，以使高能弹性波射入到该容器40内的流体介质10，该声波发生器50可以是包括但不限于利用压电效应、磁致伸缩效应、电磁效应、涡流效应、机械冲击、机械振动、激光冲击效应、质量体冲击效应等物理或化学原理产生的声波、弹性波或振动的方式中的任意一种，该调控装置还可以包括与前述声波发生装置电连接的示波器70，以实时呈现高能弹性波的实时状态，以方便随时调整。

如图1所示，本申请实施例所提供的高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法包括以下步骤：

步骤S1、检测并记录构件20的调控部位的应力值；

在此步骤中，对待调控的构件20的调控部位所进行的第一次的检测并记录的应力值为调控前应力值，根据该调控前应力值可以测得该构件20的调控部位存在的残余应力的大小，也就是该构件20的调控部位初始的残余应力情况，之后每次测得的应力值均可以与该调控前应力值进行比较，一方面可以清楚明了高能弹性波消减及均化构件残余应力的能力，另一方面还可以根据应力值的变化判断出该调控工作是否处于正常的工作状态，以便工作人员及时调整。

步骤S2、将流体介质10导入至容器40中，将构件20置于具有流体介质10的容器40中，并使构件20的调控部位没入至流体介质10中；

该流体介质10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10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；或者该流体介质10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10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10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，这种流体介质10可以使更多的、能量更高的高能弹性波更好、更快、更完整的传播至构件20的调控部位，以更好、更高效的对构件的残余应力进行消减和均化。

优选的，该流体介质可以是一种冷却切削液，该冷却切削液可以是由氯化石蜡、硫化油酸、石油磺酸钡、油酸、三乙醇胺、机械油等配比而成的。冷却切削液具备良好的冷却性、润滑性、无氧化性、易稀释性和透声性，且还具有无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环境不污染等优点，适用于对大部分金属、合金、碳纤维等材质制成的构件20。

步骤S3、开启声波发生器电源51以开启声波发生器50，并持续发射高能弹性波至流体介质10中，使该高能弹性波与该流体介质10耦合，使高能弹性波达到至构件20的调控部位的表面及内部；

步骤S4、关闭声波发生器50，从容器40中取出构件20；

一般是要开启声波发生器50一段时间后，再将构件10从容器40中取出检测并记录其调控部位的应力值。

步骤S5、重复前述步骤S1至前述步骤S4至少一次，直到应力值不再变化；

所谓应力值不再变化是指在允许的误差范围内应力值视为不再变化，该误差范围一般是±5MPa以内，连续一次或几次应力值基本不再变化即可判断为应力值不再变化，结束步骤S5。

步骤S6、关闭声波发生器，结束继续射入高能弹性波，以停止消减及均化构件残余应力的工作。

本申请实施例所提供的高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法，将待调控的构件20放入具有流体介质10的容器40中，并将该构件20的调控部位置于注入了高能弹性波的流体介质10中，利用流体介质10的弹性特性传递高能弹性波，并在流体介质10中形成高能量的弹性波场30，并利用流体介质10与构件20良好的耦合效应，使高能量的弹性波场30到达至构件20的调控部位的表面，甚至进入到构件20的调控部位的内部中，对其表面及内部的残余应力进行消减及均化，直至该构件20的调控部位的应力值下降至趋于平衡为止，停止对该构件20残余应力的调控工作，关闭声波发生器50以停止继续射入高能弹性波。

与现有技术相比，由于该流体介质10与各类形状的构件20均具有良好的耦合效应，不论是规则形状结构的构件20，还是复杂结构的构件20，解决了现有技术难以对复杂结构的构件进行调控及消减残余应力的问题；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20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20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方法的工艺流程简单、易操作，通过应力值对比的方式控制构件20调控工作的进展，易懂、易控制、判断方式明了，对操作人员的技术水平要求不高。解决了现有技术工艺繁琐还难控制、对技术掌控能力要求较高的问题。进而本申请实施例所提供的方法可以更好的适用于工程应用中。

含有残余应力的该构件20可以是任何能够透声的金属或非金属材料制品以及金属和非金属复合材料制品中的任意一种，包括但不限于钢、铜、铝、钛合金、高温合金、金属基复合材料、以及陶瓷、玻璃、橡胶、水泥制品、纤维环氧树脂复合材料等。前述的复杂结构的构件20一般是指结构复杂和/或非规则表面的构件，通常是铸造或自然形成的构件，包括但不限于如航空、水电、火电和压缩机等领域的各类叶片及箱体类、(曲)轴类、板类和盘类等金属铸造类的零部件等。

如图3和图4所示，为在一种具体的实施例中，某焊接管道经过本申请实施例所提供的高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法调控后，其多个检测点位对应的前、后周向残余应力对比图及轴向残余应力对比图，透过图中各检测点位对应前后的应力值的变化的对比，可以清楚的了解到其较强的消减残余应力的能力和其较强的均化残余应力的能力。该具体实施例可以有力的说明本申请实施例所提供的方法具有较佳的消除及均化构件残余应力的能力。

为了保证高能弹性波高效、稳定的进行构件残余应力的消减和均化工作，在前述步骤S3中，还可以包括调节声波发生器50发射的高能弹性波的频率值在10kHZ～40kHZ范围内。调节声波发生器发射的高能弹性波的频率在此范围内可以保证其安全、高效的工作，若高能弹性波的工作频率大于40kHZ，其工作电压就会过高，功率过大，可能会导致电压不支持其运行工作，甚至损坏机器设备，如声波发生器50、超声波换能器等；若高能弹性波的工作频率小于10kHZ，其工作频率过低，又达不到本申请实施例所要求的高能弹性波需要达到的能量要求，致使应力消减效果较差或无效果。

在上述实施例的基础上，进一步的，为了更高效、更经济的进行构件20的残余应力的消减和均化工作，可以根据前述的构件20的调控部位的调控前应力值的大小，及当次构件20的残余应力调控任务的预定工时长短两大因素来综合确定该构件20的残余应力消减和均化工作中高能弹性波所选用的频率值。例如，如果调控前应力值较大，且预定工时较短，则需要选用较大的频率值，如35kHZ～40kHZ；如果调控前应力值较小，且预定工时较长，则可以选用较小的频率值，如10kHZ～15Khz；还有在经验中一种优选的频率值是33kHZ。这样可以使构件残余应力的消减和均化工作更高效、更经济、更合理。

优选的，如图2所示，前述调控装置还可以包括辅助装置60，该辅助装置60具体可以是加压装置和/或加温装置。

当该辅助装置60为加压装置时，在步骤S4之前，还可以包括步骤S31，该步骤S31为开启加压装置，对容器40内的流体介质10持续施加预定值高压，该预定值高压的范围为15MPa～40MPa；相应的，在步骤S6中，还包括关闭该加压装置。该预定值高压具体可以是包括但不限于人工产生的、自然产生的或其它方式间接产生的压力。该容器40优选为密闭压力容器，当向该容器40内加压时，该密闭压力容器可以保证压力不泄露，高质量的实现加压后声能传播优化的效果。

给流体介质10持续施加上述预定值高压范围内的高压，可以使该流体介质10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20的残余应力进行消减及均化。若施加的压力高于该预定值高压的范围，即压力值大于40MPa，就会使压力值过大，不只不经济，还很可能损坏机器设备，甚至致使爆炸、喷射等事故发生；若低于该预定值高压的范围，即压力值小于15MPa，就不能很好的提升高能弹性波的传播效果。

一种优选的实施例是，上述的预定值高压为25MPa，构件20为铝合金制品，给该流体介质10持续施加该预定值高压，其压力增加适度，声衰减减小的程度还较大，声传播效率增大程度也较大，高能弹性波的传播效果也较佳，还比较经济，性价比最高。

当该辅助装置60为加温装置时，在步骤S4之前，还可以包括步骤S32，该步骤S32为开启加温装置，对容器40内的流体介质10持续施加预定值温度，该预定值温度的范围为20℃～80℃；相应的，在步骤S6中，还包括关闭该加温装置。其中，35℃～80℃一般称为施加高温，20℃～35℃(不包括35℃)称为施加低温。

给对流体介质10施加高温的的方法包括但不限于人工加热、辐射加热、以及自然产生的高温或其它间接加热的方法，对流体介质10施加高温，该流体介质10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，可以更好、更高效的对构件20的残余应力进行消减及均化。

对流体介质10施加低温可以利用液态氮、电子或其它物理方法实现，也可以包括但不限于采用人工降温、辐射降温、以及自然产生的低温或其它间接降温的方法实现。对流体介质10施加低温，该流体介质10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20的残余应力进行消减及均化。

不论对流体介质10施加上述预定值温度的范围的高温还是低温，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20的调控部位的表面及内部，及时、高效的完成构件20的残余应力的消减和均化工作。

若施加的温度过高，即高于80℃，会致使换能器的压电陶瓷片温度过高而损坏；若施加的温度过低，即低于20℃，会影响流体介质10的运动活性，使其过于粘稠，大大降低其透声性能。

一种优选的实施例是，上述的预定值温度为50℃±5℃，给该流体介质10持续施加该预定值温度，其声衰减减小的程度、声传播提高的效率、透声性能的增加程度都比较理想，且高能弹性波的传播效果也较佳，还比较经济，性价比最高。

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 (9)

1.一种高能弹性波消减和均化构件残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、检测并记录所述构件的调控部位的应力值；

步骤S2、将所述构件置于具有流体介质的容器中，并使所述构件的调控部位没入至所述流体介质中；

步骤S3、开启声波发生器，并持续发射高能弹性波至所述流体介质中，使所述高能弹性波与所述流体介质耦合，使所述高能弹性波达到至所述构件的调控部位的表面及内部；

步骤S31，为开启加压装置，对所述容器内的所述流体介质持续施加预定值高压；所述预定值高压的范围为15 MPa ~ 40 Mpa；

步骤S4、从所述容器中取出所述构件；

步骤S5、重复所述步骤S1至所述步骤S4至少一次，直到所述应力值不再变化；

步骤S6、关闭所述声波发生器，关闭所述加压装置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述步骤S3中，还包括调节所述声波发生器发射的所述高能弹性波的频率值在10kHZ ~ 40 kHZ范围内。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

根据所述构件的调控部位的调控前应力值大小及预定工时长短调整所述高能弹性波的频率值，所述调控前应力值为第一次执行所述步骤S1所检测并记录的所述构件的调控部位的应力值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述预定值高压优选为25 MPa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述步骤S4之前，还包括步骤S32，为开启加温装置，对所述容器内的所述流体介质持续施加预定值温度，所述预定值温度的范围为20℃~80℃；

在所述步骤S6中，还包括关闭所述加温装置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述预定值温度优选为45℃~55℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述流体介质采用水、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

所述流体介质采用水、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；或

所述流体介质采用水、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。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述流体介质优选为冷却切削液。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述容器采用密闭型压力容器。

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