CN111979407B - 一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法。根据工件初始残余应力分布状态，同时结合工件的结构形状、尺寸大小以及重量特征，选取主振型模式，确定支撑方式、支撑位置以及激振位置，充分考虑工件材料的力学性能与设备的能力以及调控效果要求，将残余应力消减率与分布均匀性作为控制优化目标，以激振力、激振频率、加热温度、保温时间和激振时间所允许的范围作为约束条件，给出热振复合工艺参数综合优化设定方法，本发明可以对时效效果进行系统的、全面的评价，科学的、高效的、准确的制定工艺参数，对工件有针对性的进行热振复合时效处理，大幅提高残余应力调控效果，充分发挥热振复合残余应力调控技术优势。

Description

一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法

技术领域

本专利涉及残余应力调控领域，尤其涉及一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法。

背景技术

材料内部保持平衡状态而存在的应力称为残余应力，一般地，残余应力的水平和分布状态与材料的结构、力学性能和产生条件等因素有关。残余应力状态不稳定，当工件受到外界载荷作用时，工件局部可能发生塑性变形从而使内应力重新分布。残余应力会影响工件尺寸稳定性、金属静强度、疲劳强度，造成金属脆性破坏、应力腐蚀开裂等问题，引起工件加工变形、严重影响服役寿命，因此通常需要对残余应力进行调控，即在一定时序内，借助力、热、电或磁等能量施加手段对时效件进行处理，进而改变残余应力场状态。

自然时效是指将毛坯件放置于室外，使其经受长年累月的自然环境变化处理，由于温度的反复变化造成时效件内部晶格滑移，从而促进残余应力的释放。自然时效的作用方式必然出现周期长、效率低并且效果差的不足，因此这种过时的时效方式在我国制造业已经被逐步抛弃。

目前企业对残余应力调控的常规应用方式包括残余应力的热时效和振动时效。热时效是指通过对时效件施加特定时间的加热、保温以及冷却处理，使其在特定温度场的作用下实现残余应力调控；现有的振动时效是指对时效件在特定频率下施加特定时间的特定循环载荷，从而实现残余应力调控。

热振复合残余应力调控时效技术是近几年关于振动时效技术的一个新的研究方向，基于复合多能场的概念，以不改变材料的组织状态为前提，在一定温度条件下对时效件施加循环动载荷，通过热与振动时效的复合，实现时效件中残余应力的松弛、降低与消除。其本质是将残余应力(静应力场)、动应力(循环应力场)和热源所产生的内力(热能场)的叠加，热振复合残余应力调控以整体温度场短时间施加给时效件的方式，为振动时效的残余应力调控处理能力提升提供基础。

热振复合工艺的宏观机理是合适的温度使材料屈服极限瞬时降低，以便达到振动时效的动应力与时效件本身残余应力叠加超过屈服极限的宏观条件，这就大大扩展了振动时效的残余应力处理能力。振动时效主要用于对特定的高不良应力区进行应力调控，热时效温度因瞬时改变了工件材料的屈服极限，进一步强化了残余应力振动时效的效果。

从微观上看，在合适的工艺温度作用下，可以为原子运动提供能量，减小位错移动的阻力，结合振动时效的交变应力，在位错移动和增殖的过程中，更容易实现塞积开通，使晶格畸变恢复，从而实现残余应力的释放。

但是，现有的热振复合工艺在技术应用上使用的工艺参数主要是依据传统的振动处理方法，主要存在的问题有：(1)对热振复合工艺时效效果评价较单一，不能系统、全面的反映残余应力调控效果。现有时效效果判据与评价主要有参数曲线法、尺寸精度稳定性法、残余应力测量法。利用参数曲线法进行扫频处理，其原理代表着时效件残余应力状态的改变，并不能确定残余应力的释放和均化的程度，不能直接对处理效果进行评价；对于尺寸精度稳定性的测试一般包括对工件振动时效处理前后检测尺寸变化，时效处理后加载动载荷前后测量形变或者时效处理后静置，在间隔时间段测量尺寸变化三种方式。这三种方式对测量设备精度，测试操作方法以及测试周期有一定的规范要求，同时也没有直接体现时效处理前后的残余应力变化；对于振动时效效果的判定的直观方法是直接检测时效处理的残余应力，国家推荐标准GBT25712-2010对于残余应力检测推荐用钻孔法或者X射线法对时效件进行检测，这种方法可以检测时效件残余应力变化，但是测量方式繁琐，耗时耗力，不能快速实现调控效果的评价；(2)热振复合时效工艺参数的制定依赖于设备程序处理或者操作者积累的经验，支撑方式、支撑位置、激振位置、激振力、激振频率、时效温度、激振时间和保温时间等工艺特征参数的选取都没有规范的标准和指南，完全凭借以往经验确定，科学依据不足，时效结果具有不可预测性，导致在热振复合时效试验操作上的盲目性太大，常常出现热振效果不理想的情况。

综上，如何确定热振复合时效的最佳工艺方案以达到最好的残余应力调控效果是当前热振复合工艺推广应用面临的主要问题之一。因此，亟需一种系统的、全面的残余应力调控效果评价方法，在此基础上提出一种科学的、高效的、准确的工艺制定方法，解决热振复合工艺时效效果评价较单一的问题，对工件有针对性的进行热振复合时效处理，避免热振试验中的盲目性，提高热振试验效率，从而快速有效的确定热振复合时效的最佳工艺方案以达到降低和均化工件内部残余应力与提高工件的服役寿命的目的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法。根据工件初始残余应力分布状态，同时结合工件的结构形状、尺寸大小以及重量特征，选取工件的主振型模式，确定工件支撑方式、支撑位置以及激振位置，充分考虑工件的材料力学性能与热振复合残余应力调控工艺设备的能力以及残余应力调控效果要求，将提高残余应力消减率与工件残余应力分布均匀性作为控制优化目标，以激振力、激振频率、时效温度、激振时间和保温时间所允许的范围作为约束条件，给出热振复合工艺参数综合优化设定方法，对热振复合调控工艺时效效果进行系统的、全面的评价，科学的、高效的、准确的制定工艺参数，对工件有针对性的进行热振复合时效处理。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)选取工件上n个典型点位，同时给出点位的初始残余应力σ_i(i＝1,2,3…,n)；

(b)根据步骤(a)得到的初始残余应力，同时结合工件的结构形状、尺寸大小以及重量特征，选取工件的主振型模式，确定工件支撑方式、支撑位置以及激振位置；

进一步地，“支撑方式、支撑位置”选取原则为：对于固有频率较低的工件，采用自由支撑的方式，支撑位置设置在当前主振型对应节线的波节处(振幅为零)，支撑可采用耐高温的弹簧垫、橡胶垫或泡沫塑料，支撑点良好前提下数目越少越好，这样可以保证工件各个部分获得充分大的振幅；但是对于频率较高的工件，其固有频率远大于激振器的工作响应范围，此时需要采取振动台或悬臂支撑的方式。

进一步地，“激振位置”选取原则为：激振器安装在当前主振型对应节线的波峰处(振幅最大)，但是尽量不安装在工件结构薄弱处。

(c)根据步骤(b)得到的工件支撑方式、支撑位置以及激振位置，基于工件材料特性，通过查阅文献或依据相关经验，同时考虑热振复合工艺设备能力，收集确定热振复合残余应力调控工艺参数范围，主要包括：激振力最大值F_max与最小值F_min、激振频率最大值f_max与最小值f_min、时效温度最大值T_max与最小值T_min、激振时间最大值t_Vmax与最小值t_Vmin、保温时间最大值t_Tmax与最小值t_Tmin；

(d)设定目标函数初始值G₀，定义激振力F并初始化，寻优步长ΔF，设定激振力寻优中间过程参数k₁，并令k₁＝0；

(e)令F＝F_min+k₁ΔF；

(f)定义激振频率f并初始化，寻优步长Δf，设定激振频率寻优中间过程参数k₂，并令k₂＝0；

(g)令f＝f_min+k₂Δf；

(h)定义时效温度T并初始化，寻优步长ΔT，设定时效温度寻优中间过程参数k₃，并令k₃＝0；

(i)令T＝T_min+k₃ΔT；

(j)定义激振时间t_V并初始化，寻优步长Δt_V，设定激振时间寻优中间过程参数k₄，并令k₄＝0；

(k)令t_V＝t_Vmin+k₄Δt_V；

(l)定义保温时间t_T并初始化，寻优步长Δt_T，设定保温时间寻优中间过程参数k₅，并令k₅＝0；

(m)令t_T＝t_Tmin+k₅Δt_T；

(n)计算当前工艺参数下工件经过热振复合工艺调控后典型点位的残余应力消减率η_i，其计算公式为：

式中，

—无量纲激振力，

—无量纲激振频率，

—无量纲时效温度，

—无量纲激振时间，

—无量纲保温时间，

a₁,a₂,a₃,···a₃₄,a₃₅,a₃₆—实系数，可利用至少36组试验数据或仿真数据经过回归计算得到；

需要说明的是，公式(2)既考虑各个工艺参数单独对残余应力消减率的独立影响作用，同时考虑各个工艺参数之间对残余应力消减率的交互耦合影响。

(o)判断约束不等式

是否成立？如果成立，转入步骤(p)，否则直接转入步骤(r)；

(p)计算当前工艺参数下残余应力调控效果综合评定的优化目标函数G，其表达式为：

式中，σ′_i—工件经过热振复合调控后典型点位的残余应力，σ′_i＝σ_i(1-η_i)，MPa；

σ′_imin—工件经过热振复合调控后典型点位残余应力的最小值，MPa；

σ′_imax—工件经过热振复合调控后典型点位残余应力的最大值，MPa；

—工件经过热振复合调控后典型点位残余应力的平均值，

MPa；

λ₁,λ₂,λ₃—加权系数，其中0≤λ₁≤1，0≤λ₂≤1，0≤λ₃≤1且λ₁+λ₂+λ₃＝1，各值大小可以根据工件残余应力调控对各项指标参数的不同需求在一定范围内进行适当调整；

需要说明的是，优化目标函数G的值越小越好；公式(1)中

代表调控后残余应力的消减率指标，

(最大值与最小值之差无量纲化)与

(标准差无量纲化)代表调控后残余应力的均匀性指标，且需要保证σ′_imax ²+σ′_imin ²与

的值不为零。

(q)判断不等式G＜G₀是否成立？如果成立，则令G₀＝G，激振力F_y＝F，激振频率f_y＝f，时效温度T_y＝T，激振时间t_Vy＝t_V，保温时间t_Ty＝t_T，转入步骤(r)，否则，直接转入步骤(r)；

(r)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₅＝k₅+1，转入步骤(m)，否则转入步骤(s)；

(s)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₄＝k₄+1，转入步骤(k)，否则转入步骤(t)；

(t)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₃＝k₃+1，转入步骤(i)，否则转入步骤(u)；

(u)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₂＝k₂+1，转入步骤(g)，否则转入步骤(v)；

(v)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₁＝k₁+1，转入步骤(e)，否则转入步骤(w)；

(w)输出工件热振复合残余应力调控工艺最优激振力F_y，最优激振频率f_y，最优时效温度T_y，最优激振时间t_Vy，最优保温时间t_Ty。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

与现有技术相比，本发明实现了热振复合残余应力调控工艺参数综合优化设定，合理的选取工件支撑方式、支撑位置以及激振位置，科学的设定激振力、振动频率、加热温度、激振时间和保温时间等工艺参数，在保证工件性能良好的前提下，提高残余应力消减率与工件残余应力分布均匀性。主要存在以下优势：(1)对热振复合调控工艺时效效果进行系统的、全面的评价，解决了传统效果评价方法较单一的问题；(2)科学的、高效的、准确的制定工艺参数，对工件有针对性的进行热振复合时效处理，避免热振试验中的盲目性，提高热振试验效率，从而快速有效的确定热振复合时效的最佳工艺方案以达到降低和均化工件内部残余应力与提高工件的服役寿命的目的，大幅提高残余应力调控效果，充分发挥了热振复合残余应力调控技术优势，提高了生产的效率和利润，为企业生产带来了效益。

附图说明

图1一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法总流程图；

图2实施例中2219铝合金环件支撑示意图。

其中：1-环件；2-耐高温橡胶垫。

具体实施方式

本实施例选用2219铝合金环件作为实验对象。

一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法，其特征在于：包括以下步骤(总流程图如图1所示)：

(a)选取工件上100个典型点位，同时给出点位的初始残余应力σ_i(i＝1,2,3…，100)；

(b)根据步骤(a)得到的初始残余应力，同时结合工件的结构形状、尺寸大小以及重量特征，选取工件的一阶固有频率弯曲振型作为主振型模式，采用自由支撑的方式，支撑位置设置在当前主振型对应节线的波节处(振幅为零)，支撑采用耐高温橡胶垫，支撑点数目为三个，如图2所示；激振器安装在当前主振型对应节线的波峰处(振幅最大)，没有安装在工件结构薄弱处。

(c)根据步骤(b)得到的工件支撑方式、支撑位置以及激振位置，基于工件材料特性，通过查阅文献或依据相关经验，同时考虑热振复合工艺设备能力，收集确定热振复合残余应力调控工艺参数范围，主要包括：激振力最大值F_max＝15000N与最小值F_min＝100N、激振频率最大值f_max＝133Hz与最小值f_min＝10Hz、时效温度最大值T_max＝190℃与最小值T_min＝120℃、激振时间最大值t_Vmax＝30min与最小值t_Vmin＝5min、保温时间最大值t_Tmax＝300min与最小值t_Tmin＝60min；

(d)设定目标函数初始值G₀，定义激振力F并初始化，寻优步长ΔF＝10N，设定激振力寻优中间过程参数k₁，并令k₁＝0；

(e)令F＝F_min+k₁ΔF；

(f)定义激振频率f并初始化，寻优步长Δf＝5Hz，设定激振频率寻优中间过程参数k₂，并令k₂＝0；

(g)令f＝f_min+k₂Δf；

(h)定义时效温度T并初始化，寻优步长ΔT＝5℃，设定时效温度寻优中间过程参数k₃，并令k₃＝0；

(i)令T＝T_min+k₃ΔT；

(j)定义激振时间t_V并初始化，寻优步长Δt_V＝1min，设定激振时间寻优中间过程参数k₄，并令k₄＝0；

(k)令t_V＝t_Vmin+k₄Δt_V；

(l)定义保温时间t_T并初始化，寻优步长Δt_T＝10min，设定保温时间寻优中间过程参数k₅，并令k₅＝0；

(m)令t_T＝t_Tmin+k₅Δt_T；

(n)计算当前工艺参数下工件经过热振复合工艺调控后典型点位的残余应力消减率η_i；

(o)判断约束不等式

是否成立？如果成立，转入步骤(p)，否则直接转入步骤(r)；

(p)计算当前工艺参数下残余应力调控效果综合评定的优化目标函数G＝0.989，其中，λ₁＝0.5，λ₂＝0.3，λ₃＝0.2且λ₁+λ₂+λ₃＝1；

(q)判断不等式G＜G₀是否成立？如果成立，则令G₀＝G，激振力F_y＝F，激振频率f_y＝f，时效温度T_y＝T，激振时间t_Vy＝t_V，保温时间t_Ty＝t_T，转入步骤(r)，否则，直接转入步骤(r)；

(r)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₅＝k₅+1，转入步骤(m)，否则转入步骤(s)；

(s)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₄＝k₄+1，转入步骤(k)，否则转入步骤(t)；

(t)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₃＝k₃+1，转入步骤(i)，否则转入步骤(u)；

(u)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₂＝k₂+1，转入步骤(g)，否则转入步骤(v)；

(v)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₁＝k₁+1，转入步骤(e)，否则转入步骤(w)；

(w)输出工件热振复合残余应力调控工艺最优激振力F_y＝1200N，最优激振频率f_y＝50Hz，最优时效温度T_y＝175℃，最优激振时间t_Vy＝19min，最优保温时间t_Ty＝170min。

需要说明的是，本发明优化的工艺参数为激振力、振动频率、加热温度、保温时间和激振时间，对于大部分的热时效、振动时效或者热振复合时效而言，这几个工艺参数均有设置，为了快速有效的实现热时效、振动时效或者热振复合时效残余应力调控过程，只需在本发明提出的优化模型基础上稍加改进即可。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)选取工件上n个典型点位，同时给出点位的初始残余应力σ_i(i＝1,2,3…,n)；

(b)根据步骤(a)得到的初始残余应力，同时结合工件的结构形状、尺寸大小以及重量特征，选取工件的主振型模式，确定工件支撑方式、支撑位置以及激振位置；

(c)根据步骤(b)得到的工件支撑方式、支撑位置以及激振位置，基于工件材料特性，通过查阅文献或依据相关经验，同时考虑热振复合工艺设备能力，收集确定热振复合残余应力调控工艺参数范围，主要包括：激振力最大值F_max与最小值F_min、激振频率最大值f_max与最小值f_min、时效温度最大值T_max与最小值T_min、激振时间最大值t_Vmax与最小值t_Vmin、保温时间最大值t_Tmax与最小值t_Tmin；

(d)设定目标函数初始值G₀，定义激振力F并初始化，寻优步长ΔF，设定激振力寻优中间过程参数k₁，并令k₁＝0；

(e)令F＝F_min+k₁ΔF；

(f)定义激振频率f并初始化，寻优步长Δf，设定激振频率寻优中间过程参数k₂，并令k₂＝0；

(g)令f＝f_min+k₂Δf；

(h)定义时效温度T并初始化，寻优步长ΔT，设定时效温度寻优中间过程参数k₃，并令k₃＝0；

(i)令T＝T_min+k₃ΔT；

(j)定义激振时间t_V并初始化，寻优步长Δt_V，设定激振时间寻优中间过程参数k₄，并令k₄＝0；

(k)令t_V＝t_Vmin+k₄Δt_V；

(l)定义保温时间t_T并初始化，寻优步长Δt_T，设定保温时间寻优中间过程参数k₅，并令k₅＝0；

(m)令t_T＝t_Tmin+k₅Δt_T；

(n)计算当前工艺参数下工件经过热振复合工艺调控后典型点位的残余应力消减率η_i；

(o)判断约束不等式

是否成立？如果成立，转入步骤(p)，否则直接转入步骤(r)；

(p)计算当前工艺参数下残余应力调控效果综合评定的优化目标函数G，其表达式为：

式中，σ′_i—工件经过热振复合调控后典型点位的残余应力，σ′_i＝σ_i(1-η_i)，MPa；

σ′_imin—工件经过热振复合调控后典型点位残余应力的最小值，MPa；

σ′_imax—工件经过热振复合调控后典型点位残余应力的最大值，MPa；

—工件经过热振复合调控后典型点位残余应力的平均值，

MPa；

λ₁,λ₂,λ₃—加权系数，其中0≤λ₁≤1，0≤λ₂≤1，0≤λ₃≤1且λ₁+λ₂+λ₃＝1，各值大小可以根据工件残余应力调控对各项指标参数的不同需求在一定范围内进行适当调整；

需要说明的是，优化目标函数G的值越小越好；公式(1)中

代表调控后残余应力的消减率指标，

(最大值与最小值之差无量纲化)与

(标准差无量纲化)代表调控后残余应力的均匀性指标，且需要保证σ′_imax ²+σ′_imin ²与

的值不为零；

(q)判断不等式G＜G₀是否成立？如果成立，则令G₀＝G，激振力F_y＝F，激振频率f_y＝f，时效温度T_y＝T，激振时间t_Vy＝t_V，保温时间t_Ty＝t_T，转入步骤(r)，否则，直接转入步骤(r)；

(r)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₅＝k₅+1，转入步骤(m)，否则转入步骤(s)；

(s)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₄＝k₄+1，转入步骤(k)，否则转入步骤(t)；

(t)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₃＝k₃+1，转入步骤(i)，否则转入步骤(u)；

(u)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₂＝k₂+1，转入步骤(g)，否则转入步骤(v)；

(v)判断不等式

是否成立？如果不等式成立，则令k₁＝k₁+1，转入步骤(e)，否则转入步骤(w)；

(w)输出工件热振复合残余应力调控工艺最优激振力F_y，最优激振频率f_y，最优时效温度T_y，最优激振时间t_Vy，最优保温时间t_Ty。

2.根据权利要求1所述的一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法，其特征在于：步骤(b)中所述的“支撑方式、支撑位置”选取原则为：对于固有频率较低的工件，采用自由支撑的方式，支撑位置设置在当前主振型对应节线的波节处(振幅为零)，支撑可采用耐高温的弹簧垫、橡胶垫或泡沫塑料，支撑点良好前提下数目越少越好，这样可以保证工件各个部分获得充分大的振幅；但是对于频率较高的工件，其固有频率远大于激振器的工作响应范围，此时需要采取振动台或悬臂支撑的方式。

3.根据权利要求1所述的一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法，其特征在于：步骤(b)中所述的“激振位置”选取原则为：激振器安装在当前主振型对应节线的波峰处(振幅最大)，但是尽量不安装在工件结构薄弱处。

4.根据权利要求1所述的一种热振复合残余应力调控工艺参数的优化方法，其特征在于：步骤(n)中所述的残余应力消减率η_i计算公式为：

式中，

—无量纲激振力，

—无量纲激振频率，

—无量纲时效温度，

—无量纲激振时间，

—无量纲保温时间，

a₁,a₂,a₃,···a₃₄,a₃₅,a₃₆—实系数，可利用至少36组试验数据或仿真数据经过回归计算得到；

需要说明的是，公式(2)既考虑各个工艺参数单独对残余应力消减率的独立影响作用，同时考虑各个工艺参数之间对残余应力消减率的交互耦合影响。

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