CN110172566B - 一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法，将表面和内部分布有残余应力的复杂金属和非金属机械构件放置于具有高能声束的液态流体介质或软介质中，利用由高能超声换能器阵列产生的高能声束向复杂结构构件表面和内部辐射，通过聚焦扫查方式使构件内的高能弹性波在残余应力集中区域施加的交变动应力与残余应力叠加，当总应力大于材料的屈服极限时，构件将产生塑性变形，最终使构件内部的残余应力得以消减和均化。

Description

一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法
技术领域
本发明涉及材料性能研究技术领域，特别是指一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法。
背景技术
对于结构复杂且具有高精度的加工工艺要求构件来说，应该特别重视工件在机械加工、铸造、焊接、冷加工、热处理等过程中均会在其表面和内部产生的应力。如果构件的表面和内部残余应力控制不当，会在后期使用过程中因应力的释放而变形甚至开裂，从而影响构件的精度和正常使用。因此，应力的控制也是复杂高精度构件制造和服役过程中非常重要的一环。常见应力消减方法有自然时效方法、振动时效方法、热时效方法(热处理)、超声冲击法(豪克能时效方法)，以及接触式高能声束法等。自然时效方法简单但耗时太长，效率不高。振动时效通过激振器使构件产生共振使材料内部的应力得以松弛和减轻，但这种方法不适用于复杂结构和薄壁的构件。由于构件形状不一，该方法对操作人员的技术水平要求高，工艺参数设置复杂，如果激振点和参数设置不当，反而会因异常共振模式导致对构件形成周期疲劳作用甚至损坏。热时效，即退火热处理在升温、保温和降温过程中如果工艺参数选择不当，往往达不到消减应力的效果，甚至反而会增加应力变形。超声冲击方法会对构件表面造成损伤，且不适合作用于表面轮廓复杂薄壁的构件。接触式高能声束调控法同样不适合复杂轮廓的构件，需要设计专用的声楔块以耦合，制作成本高。为保证能对复杂结构的薄壁和弱刚度构件进行应力消减以提高构件的稳定性和精度，需要找到一种有效的方式对复杂构件内部的残余应力进行消减。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法，以能对复杂结构构件内部的残余应力进行消减。
本发明提供的用于复杂构件残余应力消减和均化的装置，其特征在于，包括：容器，其内具有液态介质；使所述构件悬置于该液态介质中的部件；多个固定设置于容器的容器壁及容器底部的高能超声换能器，所述高能超声换能器可向容器内部发出超声波；控制装置，通过发出控制信号控制所述高能超声换能器发出的所述超声波聚焦形成高能声束。
由上，高能声束向复杂构件表面和内部辐射，使构件内产生的高能弹性波在残余应力集中区域施加的交变动应力与残余应力叠加，当总应力大于材料的屈服极限时，复杂构件将产生塑性变形，最终使复杂构件内部的残余应力得以消减和均化。
进一步地，上述多个高能超声换能器呈阵列排布，容器壁及容器底部的高能超声换能器共同形成三维空间声束阵列。
由上，可以使控制装置控制多个高能超声换能器产生的超声波聚焦形成高能声束更为容易。
进一步地，还包括可以对液态介质进行加热的加热装置。
由上，将液态介质加热到一定的温度后，可以减小超声波的能量传递损失，提高复杂构件残余应力消减和均化效率。
进一步地，所述容器为密闭压力容器，还包括可以对容器内进行加压的增压泵。
由上，可以对液态介质进行增压，从而可以减小超声波的能量传递损失，提高复杂构件残余应力消减和均化效率。
进一步地，所述控制信号可以控制聚焦位置的移动，可以控制聚焦能量的大小和方向。
由上，可以使高能声束对不同材料的复杂构件的不同位置的不同大小的残余应力进行聚焦扫查，从而实现对残余应力的消减和均化。
进一步地，基于上述装置的用于复杂构件残余应力消减和均化的方法，包括以下步骤：
A、将复杂构件悬置于容器内；
B、向容器内加入液态介质，直至将复杂构件完全浸没；
C、控制器发出控制信号，控制高能超声换能器发出超声波在液态介质中聚焦形成高能声束，通过聚焦扫查的方式对液态介质中的复杂构件的表面和内部残余应力进行消减和均化；
D、取出复杂构件。
由上，可以实现对复杂结构构件内部的残余应力进行消减。
附图说明
图1为实施例中用于复杂构件残余应力消减和均化的装置的结构示意图；
图2为基于图1中装置的用于复杂构件残余应力消减和均化的方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本申请实施例提供了一种复杂构件残余应力的液态空间阵列高能声束聚焦扫查消减和均化装置。包括由容器壁110、容器底120、容器盖130构成的密闭方槽压力容器100；容器100中盛装有液态介质200；若干安装在容器壁110、容器底120上的高能超声换能器301，高能超声换能器301的发射端与容器100内部相通，高能超声换能器301在容器壁110上阵列形成第一高能超声换能器阵列310，在容器底120上整列形成第二高能超声换能器阵列320，第一高能超声换能器阵列310与第二高能超声换能器阵列320共同构成三维空间声束阵列300；悬置在液态介质200中的复杂构件400，以及设置在容器壁110上对复杂构件400起夹持作用的夹具500；容器底120的底部设置有加热器600；容器盖130上部设置有可以增加液态介质200压力的增压泵700；容器盖130上部还设置有与高能超声换能器301电连接的控制器800，控制器800可以通过控制信号来控制高能超声换能器301向液态介质200中发出超声波。
其中，高能超声换能器301包括可以激发出弹性波的压电材料器件及其构成的电声换能器、磁致弹性波器件及其构成的磁声换能器、光致弹性波器件及其构成的光声换能器等激励器。构成三维空间声束阵列300的第一高能超声换能器阵列310与第二高能超声换能器阵列320可以为方形阵列、环状阵列以及任意形廓等形状产生高能声束的阵列。液态流体介质或者软介质可以为水、油及其水油混合液、各种添加剂的水和油的混合物、各种液态、半固态和胶态的流动介质。
使用时，控制器800发出控制信号，控制三维空间声束阵列300中的高能超声换能器301发出超声波，多束超声波在液态介质200中传播。控制器800可以通过控制信号控制上述超声波在同一时间同时到达某个点从而产生聚焦，进而形成高能声束。控制器800可以通过控制信号控制聚焦的位置发生移动，进而使高能声束实现扫查。控制器800发出控制信号还可以控制高能声束的大小和方向。高能声束向复杂构件400的表面和内部辐射，通过聚焦扫查方式使复杂构件400内的高能弹性波在残余应力集中区域施加的交变动应力与残余应力叠加，当总应力大于材料的屈服极限时，复杂构件400将产生塑性变形，最终使复杂构件400内部的残余应力得以消减和均化。
使用时，通过容器底120的底部设置的加热器600对容器100内的液态介质200进行加热。在不对复杂构件400产生影响的前提下，可将液态介质200加热到65℃。当液态介质200的温度为65℃时，声波传播速度最快，声压最大，对残余应力的消减和均化效率最高。使用时，将容器100密闭，通过容器盖130上部设置的增压泵700对容器100内的液态介质200进行增压。可以减小超声波的能量传递损失，提高复杂构件400残余应力消减和均化效率。
进一步地，上述控制器800发出的控制信号为多路脉冲时序信号，利用每路信号间的时差来控制超声波波阵面在空间某位置的到达时刻而产生聚焦。
进一步地，上述控制器800发出的控制信号为多路频率和幅度可调的连续信号，利用每路连续信号的激励相位差来控制超声波波阵面在空间某位置的到达时刻而产生能量叠加聚焦。
进一步地，上述控制器800发出的控制信号还可以为多路脉冲时序信号和频率与幅度可调的连续信号的混合信号，利用每路信号的时差和相位在液态三维空间中产生强度可调的混响声场，利用脉冲信号对连续信号的调制而形成多模式调控方式。
如图2所示，本实施例还提供了一种利用上述设备对复杂构件残余应力的液态空间阵列高能声束聚焦扫查消减和均化方法，具体包括以下步骤：
S1、将复杂构件400置于容器100中，使用夹具500固定；
S2、向容器100中注入液态介质200，直至复杂构件400完全浸没如液态介质200中；
S3、盖上容器盖130，使容器100密闭；
S4、加热器600将液态介质200加热到65℃；
S5、增压泵700对容器内进行增压；
S6、控制器800发出控制信号，控制三维空间声束阵列300在液态介质200中形成高能声束，通过聚焦扫查的方式对液态介质200中的复杂构件400的表面和内部残余应力进行消减和均化。
S7、将容器100内部恢复到常压；
S8、打开容器盖130，取出复杂构件400.
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置，其特征在于，包括：
容器，其内具有液态介质；
使所述构件悬置于该液态介质中的部件；
多个固定设置于容器的容器壁及容器底部的高能超声换能器，所述高能超声换能器可向容器内部发出超声波；
控制装置，通过发出控制信号控制所述高能超声换能器发出的所述超声波聚焦形成高能声束，且通过所述控制信号控制聚焦位置的移动实现聚焦扫查，对液态介质中的复杂构件的表面和内部残余应力进行消减和均化；
多个所述高能超声换能器呈阵列排布，容器壁及容器底部的高能超声换能器共同形成三维空间声束阵列。
2.根据权利要求1所述的用于复杂构件残余应力消减和均化的装置，其特征在于，所述阵列为方形阵列、圆形阵列、三角形阵列或者环状阵列。
3.根据权利要求1所述的用于复杂构件残余应力消减和均化的装置，其特征在于，还包括可以对液态介质进行加热的加热装置。
4.根据权利要求1所述的用于复杂构件残余应力消减和均化的装置，其特征在于，所述容器为密闭压力容器，还包括可以对容器内进行加压的增压泵。
5.根据权利要求1至4任一所述装置的复杂构件残余应力消减和均化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将复杂构件悬置于容器内；
B、向容器内加入液态介质，直至将复杂构件完全浸没；
C、控制器发出控制信号，控制高能超声换能器发出超声波在液态介质中聚焦形成高能声束，通过聚焦扫查的方式对液态介质中的复杂构件的表面和内部残余应力进行消减和均化；
D、取出复杂构件；
通过所述控制信号控制聚焦位置的移动实现所述聚焦扫查。
6.根据权利要求5所述的复杂构件残余应力消减和均化的方法，其特征在于，通过所述控制信号控制所述高能声束聚焦能量的大小和方向，以此实现对复杂构件残余应力的消减和均化。
7.根据权利要求5所述的复杂构件残余应力消减和均化的方法，其特征在于，所述控制高能超声换能器发出超声波在液态介质中聚焦的控制信号包括：
多路脉冲时序信号，通过控制每路信号间的时差来控制所述超声波波阵面在空间某位置的到达时刻而实现所述聚焦；
多路频率和幅度可调的连续信号，通过控制每路连续信号的激励相位差来控制所述超声波波阵面在空间某位置的到达时刻而实现所述聚焦；
或者，所述多路脉冲时序信号、多路频率和幅度可调的连续信号皆有的混合信号，通过控制每路信号的时差和相位差来控制所述超声波实现所述聚焦。
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