CN110317944A - 残余应力消除装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种残余应力消除装置，用于消除工件上的残余应力，包括：处理槽与超声波机构，所述超声波机构与所述处理槽固定连接；所述处理槽用于容纳液体介质与工件，所述工件浸入所述液体介质中且不与所述处理槽的槽壁相接触；所述超声波机构包括超声波发生器、换能器和声波辐射头，所述超声波发生器与所述换能器电连接；所述声波辐射头与所述换能器连接，并作用于所述处理槽内的所述液体介质，提供消除残余应力所需的超声波振动。本发明利用超声波可以在液体中传播的特性，使浸入在液体中工件达到超声频振动，获得激振动力促使材料内部发生微观塑性变形，实现工件整体残余应力得到释放，无需与工件连接，对工件的表面和内部结构无破坏影响。

Description

残余应力消除装置
技术领域
本发明涉及超声波振动领域，特别是涉及残余应力消除装置。
背景技术
金属构件经过焊接、铸造、锻造、机械加工等工艺过程，引起内部晶格形变，必然会产生残余应力，极大地降低构件的极限强度和疲劳强度，甚至会产生裂纹和脆性断裂，而且在加工及使用中由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大地影响了构件的尺寸、位置精度和整机性能。降低这种内应力目前主要通过时效的方法。时效处理工艺目前已广泛应用于造船、冶金、机床、矿山、化工、电力等各行业，并收到了显著的经济效益。
在对材料进行加工制造过程中，表面和内部产生残余应力是不可避免的，残余应力的产生会引起工件的脆性断裂、疲劳破坏和应力腐蚀等诸多问题。目前消除残余应力的主要方法有自然时效、热时效和振动时效，虽然已广泛应用于船舶、汽车、冶金、化工、电力等各行业。
其中，超声振动时效是将工件与变幅杆通过螺栓或焊接的方式相接，利用超声激振装置产生激振力，使工件内部发生微观塑性变形，即残余应力得以释放。但该技术需要工件与变幅杆通过螺栓或焊接方式相接，而且对工件接触面的粗糙度、尺寸和位置有较高要求，适用范围小。
发明内容
基于此，有必要针对超声振动时效对工件接触面的粗糙度、尺寸和位置要求较多，适用范围小的问题，提供一种残余应力消除装置。
一种残余应力消除装置，用于消除工件上的残余应力，包括：处理槽与超声波机构，所述超声波机构与所述处理槽固定连接；
所述处理槽用于容纳液体介质与工件，所述工件浸入所述液体介质中且不与所述处理槽的槽壁相接触；
所述超声波机构包括超声波发生器、换能器和声波辐射头，所述超声波发生器与所述换能器电连接；所述声波辐射头与所述换能器连接，并作用于所述处理槽内的所述液体介质，提供消除残余应力所需的超声波振动。
在其中一个实施例中，所述换能器安装于所述处理槽的侧壁上，所述声波辐射头安装于所述换能器上，且所述超声辐射头末端抵接于槽壁。
在其中一个实施例中，所述超声波机构还包括变幅杆，所述变幅杆一端与所述换能器连接，另一端与所述声波辐射头固定连接。
在其中一个实施例中，所述换能器安装于所述处理槽上部，所述处理槽上部开设有开口，所述变幅杆一端与所述换能器连接，另一端延所述开口伸入所述处理槽内。
在其中一个实施例中，所述换能器安装于所述处理槽的侧壁上，所述处理槽的侧壁开设有开口，所述变幅杆一端与所述换能器连接，另一端延所述开口伸入所述处理槽内。
在其中一个实施例中，所述变幅杆与所述声波辐射头螺纹连接。
在其中一个实施例中，所述处理槽还包括固定支架和槽盖，所述槽盖覆盖所述处理槽的槽口，所述固定支架安装于所述槽盖上，所述工件悬挂于所述固定支架下方。
在其中一个实施例中，所述超声波机构与所述处理槽连接处设置有防止液体介质流出的密封件。
在其中一个实施例中，所述密封件为法兰。
在其中一个实施例中，还包括压力装置，所述压力装置与所述处理槽连接，调节所述处理槽内部的压力。
本发明利用超声波可以在液体中传播的特性，使浸入在液体中工件达到超声频振动，获得足够的激振动力促使材料内部发生微观塑性变形，实现工件整体残余应力得到释放，无需与工件连接，对工件的表面和内部结构无破坏影响，而且对工件材质、形状、尺寸无过多要求，可适用于金属材料、无机材料、高分子材料、复合材料等，特别对于薄壁件、小型精密零部件，成品工件等具有特殊优势。
附图说明
图1为本发明一实施例残余应力消除装置的结构示意图；
图2为图1另一安装方式的残余应力消除装置的结构示意图；
图3为本发明另一实施例残余应力消除装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1～3所示，本发明提供一种残余应力消除利用超声波可以在液体中传播的特性，使浸入在液体中工件300达到超声频振动，获得足够的激振动力促使材料内部发生微观塑性变形，实现工件300整体残余应力得到释放。
所述残余应力消除装置包括处理槽200与超声波机构，所述超声波机构与所述处理槽200固定连接。具体地，所述超声波机构部分延伸至所述处理槽200内。
所述超声波机构包括超声波发生器110、换能器120和声波辐射头140，所述超声波发生器110与所述换能器120电连接；所述声波辐射头140与所述换能器120连接，并作用于所述处理槽200内的所述液体介质，提供消除残余应力所需的超声波振动。具体地，所述超声波发生器110与所述换能器120通过高频线缆连接，所述换能器120安装于所述处理槽200的槽壁，所述超声波发生器110将将交流电转变为超声频振荡电信号，为所述换能器120提供超声能量，所述换能器120将超声频振荡电信号转换成机械振动(即超声波)再传递至所述声波辐射头140，所述声波辐射头140将超声波传递到液体介质中，再传导至所述工件300上，消除残余应力。在一个实施例中，所述换能器120的输出功率为50W～6000W，工作频率为18KHz～60KHz。
可选地，所述液体介质包括自然水、酒精或其他液体，只需该液体不与待处理的工件300发生反应即可。
可选地，所述超声波机构还包括变幅杆130，所述变幅杆130一端与所述换能器120连接，另一端与所述声波辐射头140固定连接。具体地，所述变幅杆130开设有螺纹孔，所述声波辐射头140与所述变幅杆130螺栓连接，便于应对不同工件300进行残余应力消除更换不同形状的声波辐射头140。可以理解，所述固定连接方式还可以为焊接。在一个实施例中，所述变幅杆130的振幅范围为1μm～50μm。
可选地，所述处理槽200还包括槽盖210，所述槽盖210覆盖所述处理槽200的槽口，防止超声波机构在工作时，将所述处理槽200内的液体介质溅出。具体地，所述槽盖210覆盖所述处理槽200的槽口，形成密封的空腔。
可选地，所述处理槽200还包括固定支架211，所述固定支架211安装于所述槽盖210上，所述工件300悬挂于所述固定支架211下方，使所述工件300浸入所述液体介质中且不与所述处理槽200的槽壁相接触。在一个实施例中，所述固定支架211与所述槽盖210一体成型。
可选地，所述声波辐射头140与所述处理槽200通过环氧树脂AB胶连接。在一个实施例中，所述声波辐射头140与所述处理槽200的槽壁使用环氧树脂AB胶连接，通过槽壁、液体介质将超声波振动传递到工件300上，进行残余应力的消除。
可选地，所述超声波机构与所述处理槽200连接处设置有防止液体介质流出的密封件。具体地，所述密封件为法兰，且所述法兰的外壁设置有橡胶，降低超声波机构对所述处理槽200造成的振动。
可选地，所述残余应力消除装置还包括压力装置，所述压力装置与所述处理槽200连接，调节所述处理槽200内部的压力。具体地，所述压力装置包括气源400和安全阀410，所述气源400通过耐压气管与所述处理槽200的槽盖210连接，通过所述气源400加压使处理槽内部达到预设的压力，所述安全阀410设置有压力阈值，当所述处理槽200内的压力超过所述压力阈值，排放所述处理槽200内的气体，降低压力。
可选地，所述消除残余应力装置还包括温控装置，所述温控装置与所述处理槽200相连接，用于对所述处理槽200进行温度控制。具体地，在消除残余应力装置工作一段时间后，一部分超声波能量将会转化为热量，使所述处理槽200内液体介质温度上升，因温度升高对工件获得激振动力有影响。当所述工件300和/或液体介质对温度变化比较敏感时，根据使用的实际情况，对所述处理槽200进行温度控制。可以理解，所述温控装置可以为水槽，使用时将所述处理槽200坐落在水槽中，进行温度控制；所述温控装置还可以与所述处理槽200一体成型，将所述处理槽200外壁设计成中空夹层，通循环冷却水，进行温度控制；所述温控装置也可以为换热器，将所述处理槽200与换热器连接，进行温度控制。
可选地，所述声波辐射头140位于所述处理槽200内的位置和数量根据所述工件300的种类进行放置。具体地，所述声波辐射头140可以根据所述工件300的数量、大小、形状、悬挂位置，以及处理槽200的形状、内部压力大小、液体介质性质、液位高低、声源位置、边界条件等因素，通过声场仿真计算获得对应的方案放置所述声波辐射头140，并根据所述声波辐射头140的数量和位置安装对应的密封件。
所述残余应力消除装置的超声波机构具有多个安装方案，以下列举三个安装方案：
方案一，如图1所示，所述超声波机构包括超声波发生器110、换能器120、声波辐射头140和变幅杆130。所述超声波发生器110通过高频线缆与所述换能器120连接，所述换能器120安装于所述处理槽200上端的槽盖210上，所述槽盖210开设有开口，所述变幅杆130一端与所述换能器120连接，另一端延所述开口伸入所述处理槽200内，且延伸至所述处理槽200内的一端与所述声波辐射头140螺纹连接。在残余应力消除装置使用时，将一个或多个待处理的工件300通过线绳悬挂于固定支架211上，使工件300浸入液体中；调整声波辐射头140和工件300在液体中的位置，启动并调节超声波电源，使浸入在液体中工件300达到超声频振动，获得足够的激振动力促使材料内部发生微观塑性变形，使工件300整体残余应力得到释放。所述气源400与所述处理槽200连通，提供气体进入所述处理槽400内达到对应的压强。根据工件300的数量、尺寸和形状等参数调整超声波的输出功率和处理时间，超声波输出功率为100W～6000W，处理时间一般在1min～300min，压强范围0MPa～40MPa。可根据工件300数量，适当增加超声波机构的数量。
方案二，如图2所示，所述超声波机构包括超声波发生器110、换能器120、声波辐射头140和变幅杆130。所述超声波发生器110通过高频线缆与所述换能器120连接，所述换能器120安装于所述处理槽200的侧壁上，所述处理槽200的侧壁开设有开口，所述变幅杆130一端与所述换能器120连接，另一端延所述开口伸入所述处理槽200内，且延伸至所述处理槽200内的一端与所述声波辐射头140螺纹连接。可以使更多工件300悬挂于所述槽盖210上进行残余应力消除，所述气源400与所述处理槽200连通，提供气体进入所述处理槽400内达到对应的压强，其工作过程与方案一相同，在此不做赘述。
方案三，如图3所示，所述超声波机构包括超声波发生器110、换能器120和声波辐射头140。所述超声波发生器110通过高频线缆与所述换能器120连接，所述换能器120安装于所述处理槽200的侧壁上，所述声波辐射头140安装于所述换能器120上，且通过环氧树脂AB胶与所述处理槽200的侧壁粘接，超声波经所述处理槽200的侧壁、液体介质传输至工件300上。所述气源400与所述处理槽200连通，提供气体进入所述处理槽400内达到对应的压强。本方案适用于小型工件300，超声波输出功率为50W～3000W，处理时间一般在1min～60min，压强范围0MPa～40MPa。
本发明利用超声波可以在液体中传播的特性，使浸入在液体中工件300达到超声频振动，获得足够的激振动力促使材料内部发生微观塑性变形，实现工件300整体残余应力得到释放，无需与工件300连接，对工件300的表面和内部结构无破坏影响，而且对工件300材质、形状、尺寸无过多要求，可适用于金属材料、无机材料、高分子材料、复合材料等，特别对于薄壁件、小型精密零部件，成品工件300等具有特殊优势。上述残余应力消除装置通过液体介质将超声波能量传递至工件上，能耗小、传输效率高，且没有产生污染物破坏环境，绿色环保。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种残余应力消除装置，用于消除工件上的残余应力，其特征在于，包括：处理槽与超声波机构，所述超声波机构与所述处理槽固定连接；
所述处理槽用于容纳液体介质与工件，所述工件浸入所述液体介质中且不与所述处理槽的槽壁相接触；
所述超声波机构包括超声波发生器、换能器和声波辐射头，所述超声波发生器与所述换能器电连接；所述声波辐射头与所述换能器连接，并作用于所述处理槽内的所述液体介质，提供消除残余应力所需的超声波振动。
2.根据权利要求1所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述换能器安装于所述处理槽的侧壁上，所述声波辐射头安装于所述换能器上，且所述超声辐射头末端抵接于槽壁。
3.根据权利要求1所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述超声波机构还包括变幅杆，所述变幅杆一端与所述换能器连接，另一端与所述声波辐射头固定连接。
4.根据权利要求3所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述换能器安装于所述处理槽上部，所述处理槽上部开设有开口，所述变幅杆一端与所述换能器连接，另一端延所述开口伸入所述处理槽内。
5.根据权利要求3所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述换能器安装于所述处理槽的侧壁上，所述处理槽的侧壁开设有开口，所述变幅杆一端与所述换能器连接，另一端延所述开口伸入所述处理槽内。
6.根据权利要求3～5任意一项所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述变幅杆与所述声波辐射头螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述处理槽还包括固定支架和槽盖，所述槽盖覆盖所述处理槽的槽口，所述固定支架安装于所述槽盖上，所述工件悬挂于所述固定支架下方。
8.根据权利要求1所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述超声波机构与所述处理槽连接处设置有防止液体介质流出的密封件。
9.根据权利要求8所述的残余应力消除装置，其特征在于，所述密封件为法兰。
10.根据权利要求1所述的残余应力消除装置，其特征在于，还包括压力装置，所述压力装置与所述处理槽连接，调节所述处理槽内部的压力。
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