CN113584296B - 一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法，在管内中轴位置固定安装高能声束激励器，并在所述高能声束激励器的激励头连接旋转声束调控盘；所述方法包括：通过所述高能声束激励器沿管内中轴线方向激励出高能声束；通过所述旋转声束调控盘将所述高能声束沿径向方向反射到所述管内壁的待调控区域，对所述管内壁的残余应力进行调控。本申请可实现对管内残余应力进行消减、均化和调控，使调控后的管具有持久的完整性、抗腐蚀能力和保持形状的能力。

Description

一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法

技术领域

本申请涉及残余应力消除技术领域，尤其涉及一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法。

背景技术

火炮身管是提供火炮内弹道过程的基础部件，工作条件十分恶劣，最大膛压可达200-400Mpa，最高温度可达3300°K(开氏度)。由于制备过程中的不均匀温度场、材料塑性去除加工和不均匀相变热处理等工艺，破坏了胚料内部初始残余应力的平衡状态，使其内部产生和驻留了具有不同数值和分布的残余应力集中，成为导致身管变形及开裂的主要诱因，将导致整体构件的完整性遭到破坏，直接威胁到服役期间构件运行的稳定性与安全性。

因此，为保证身管具有足够的强度、使用寿命及良好的可靠性，需要对管内残余应力进行消减和均化，但是传统的残余应力调控方法，比如热时效法耗能高、周期长，锤击法则是一种有损的方法，这类方法均因其有一定局限性而不适合用于对身管进行有效、快速和无损的调控。

专利号CN1548265A公开了一种现场快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法。该方法采用局部退火原理，利用温差形变处理造成加热区与焊缝部位的温差，降低焊接接头拉应力。该方法施工简便，适合环向焊缝的焊接接头应力消除，但因管结构复杂，长径比大，难以进行局部温差处理，因此不适用于管的内壁残余应力消减与均化。

专利号CN104854390A公开了一种减少管道焊接区域应力腐蚀开裂的内部机械应力改进方法。该方法通过驱动径向可动工具，在管内壁施加较大径向力以产生微小膨胀，从而在管内表面上形成残余压应力来减轻焊缝的应力腐蚀开裂。该方法是有损的，且施加的径向力难以有效控制，容易在内壁产生凹坑损伤甚至产生新的裂缝或微小裂纹，针对结构复杂且精密度要求较高的火炮身管难以进行高效、无损的残余应力调控。

发明内容

有鉴于此，本申请的主要目的在于提供一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法，对管内残余应力进行消减、均化和调控，使调控后的管具有持久的完整性、抗腐蚀能力和保持形状的能力。

本申请提供了一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法，在管内中轴位置固定安装高能声束激励器，并在所述高能声束激励器的激励头连接旋转声束调控盘；所述方法包括：

通过所述高能声束激励器沿管内中轴线方向激励出高能声束；

通过所述旋转声束调控盘将所述高能声束沿径向方向反射到所述管内壁的待调控区域，对所述管内壁的残余应力进行调控。

由上，本申请通过在管内中轴位置固定安装高能声束激励器，并在该高能声束激励器的激励头连接旋转声束调控盘，从而使得该高能声束激励器的激励头沿中轴方向输出高能声束，并通过该旋转声束调控盘对该高能声束进行反射，使高能声束沿径向方向注入到管内壁的待调控区域，从而对管内壁的残余应力进行消减、均化和调控，使得调控后的管具有持久的完整性、抗腐蚀能力和保持形状的能力。

可选的，所述旋转声束调控盘以360°全环绕的方式无损反射所述高能声束。

由上，旋转声束调控盘对高能声束进行反射时，可通过旋转的方式，以360°全环绕的方式将高能声束均匀、无损的反射到管内壁的待调控区域。

可选的，还包括：在所述调控过程中，检测所述管内壁的残余应力的状态，并根据所述残余应力的状态调整所述高能声束的能量。

由上，本申请在调控过程中，还通过对管内壁的残余应力进行实时检测，根据检测结果判断管内壁的残余应力是否满足要求，若满足则调控过程结束，若不满足，可通过调整高能声束激励器输出的高能声束的能量来对管内壁的残余应力进行调控，直至满足要求。

可选的，所述旋转声束调控盘由3瓣圆心角呈120°的扇形反射面或4瓣圆心角呈90°的扇形反射面组合而成。

由上，根据管直径，可采用3瓣圆心角呈120°的扇形反射面组合成该旋转声束调控盘的反射部件，或者还可以采用4瓣圆心角呈 90°的扇形反射面组合成该旋转声束调控盘的反射部件，简化残余应力调控前的安装工作，从而通过旋转该旋转声束调控盘，实现以360°全环绕的方式将高能声束均匀、无损的反射到管内壁的待调控区域。

可选的，所述旋转声束调控盘的反射面与所述高能声束的入射方向呈45°夹角。

由上，通过设置旋转声束调控盘的反射面与高能声束的入射方向呈45°夹角，进而使得沿轴向方向输入到旋转声束调控盘的高能声束经反射面的反射后，出射方向与径向方向保持一致，从而垂直注入到管内壁的待调控区域。

可选的，所述反射面的表面粗糙度≤2.5μm。

由上，通过将该旋转声束调控盘的反射面的表面光洁度设计的足够高，使表面粗糙度≤2.5μm，进而使得入射到反射面的高能声束能够发生类“镜面反射”，能够极大的减少高能声束发生折射和透射，使得更多的高能声束反射到管内壁。

可选的，所述旋转声束调控盘的材料的声阻抗大于所述高能声束激励器的激励头的声阻抗。

由上，高能声束入射到不同介质界面时，会发生反射、折射和透射现象，设计所述旋转声束调控盘材料的声阻抗大于高能声束激励器的激励头的声阻抗，使得所有入射到反射面的高能声束发生全反射，最终注入管内壁，减少高能声束的损失。

可选的，所述高能声束激励器的激励头与所述旋转声束调控盘的连接部位通过螺纹连接器紧固连接。

由上，旋转声束调控盘的连接部位与高能声束激励器的激励头的连接处的表面光滑，使得高能声束通过该激励头顺利传播到该旋转声束调控盘。将该旋转声束调控盘的连接部位与高能声束激励器的激励头通过螺纹连接器紧固，使得所述旋转声束调控盘在管内移动或滑动时，该高能声束激励器与其同步移动，从而实现高能声束源源不断的注入到管内壁，保证调控的连续性和效率。

可选的，所述旋转声束调控盘的曲率与管内壁一致，该旋转声束调控盘的内侧设置弹簧，通过弹性压紧的方式使所述旋转声束调控盘的外侧接触到所述管内壁，且所述旋转声束调控盘沿着所述管内壁滑动或移动。

由上，通过设置旋转声束调控盘的曲率与管内壁一致，并通过该旋转声束调控盘内侧的弹簧，将该旋转声束调控盘的外侧弹性压紧到管内壁，使得该旋转声束调控盘与管内壁完美接触，通过该旋转声束调控盘还可以沿着该管内壁滑动或移动。

可选的，所述旋转声束调控盘的外侧与所述管内壁之间设置有耦合介质，所述耦合介质包括透声流体或透声橡胶。

由上，通过在旋转声束调控盘的外侧与所述管内壁之间设置耦合介质，例如透声流体或透声橡胶等，使得该旋转声束调控盘外侧与管内侧充分接触和耦合，从而使得高能声束在管内壁的表面发生的散射较小，减小声波衰减，提高调控精度。

本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的管内调控装置的截面示意图；

图3为本申请实施例提供的管内调控装置的剖面示意图；

图4为本申请实施例提供的高能声束在反射面的反射示意图。

应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本申请实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本申请实施例的物理连接方式。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。

下面结合附图对本申请实施例进行详细说明。

如图1所示为本申请实施例提供的一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法，该方法通过采用高能声束对管内残余应力进行消减、均化和调控，使调控后的管具有持久的完整性、抗腐蚀能力和保持形状的能力。如图1所示，该方法包括下述流程：

S110：检测管内壁残余应力分布。

管材经过多种加工工艺成形后，其内壁的残余应力会重新分布，造成局部区域出现应力集中。本申请实施例在进行调控装置的安装以及对残余应力进行调控之前，需要先测试管内壁残余应力分布，为后续设计调控方案提供依据。

S120：基于管内壁残余应力分布状况，确定待调控区域，设计调控方案。

本实施例中，根据检测的管内壁残余应力的分布情况，结合管结构特点、制造工艺和材料等因素，确定管内壁的待调控区域，涉及针对待调控区域的残余应力消减和均化方案。

S130：基于所设计调控方案，安装高能声束激励器、旋转声束调控盘。结合图2-图3所示，该安装过程包括以下步骤：

S1310：固定高能声束激励器于管内中轴位置。

本实施例通过在管内安装高能声束激励器5、旋转声束调控盘4，组成调控装置。高能声束激励器5输出的高能量弹性波(高能声束) 具有方向性，通过固定高能声束激励器5于管内中轴位置，并将该高能声束激励器5的激励头连接旋转声束调控盘4，该旋转声束调控盘4的内部具有反射面，该反射面与管内的轴向方向具有夹角，即该反射面与高能声束的入射方向具有夹角，高能声束激励器5通过激励头输出的高能声束1经过该旋转声束调控盘4的反射面进行全反射后，能够以360°环绕方式注入管内壁的待调控区域2，从而对该待调控区域2的残余应力进行消减、均化和调控。

本实施例中，可通过将该旋转声束调控盘4的反射面的表面设置的较为光洁，使表面粗糙度≤2.5μm，进而使得入射到反射面的高能声束能够发生类“镜面反射”，能够极大的减少高能声束发生折射和透射，使得更多的高能声束反射到管内壁的待调控区域2。

除此之外，由于高能声束入射到不同介质界面时，会发生反射、折射和透射现象，本实施例还可设计述旋转声束调控盘4的材料的声阻抗大于高能声束激励器5的激励头的声阻抗，使得所有入射到反射面的高能声束发生全反射，最终注入管内壁，减少高能声束的损失。

如图3所示，该旋转声束调控盘4为轴向对称结构，根据管直径，该旋转声束调控盘4的盘装结构，可由3瓣圆心角呈120°的扇形面或4瓣圆心角呈90°的扇形面组合而成，该旋转声束调控盘4的反射面为锥形结构，与该盘装结构组合形成以实现高能声束的反射以及注入到管内壁。通过旋转该旋转声束调控盘4，从而将反射面反射的高能声束以360°全环绕的方式均匀、无损的反射到管内壁的待调控区域。

S1320：高能声束激励器的激励头通过螺纹连接器连接旋转声束调控盘。

旋转声束调控盘4的连接部位与高能声束激励器5的激励头的连接处均为光滑面，可使得高能声束通过该激励头顺利传播到该旋转声束调控盘4。对于具有多个待调控区域2需要进行残余应力消减和均化的管，可通过螺纹连接器将该旋转声束调控盘4的连接部位与高能声束激励器5的激励头紧固连接，使得所述旋转声束调控盘4 在管内移动或滑动时，该高能声束激励器5与其同步移动，从而实现高能声束源源不断的注入到管内壁，保证调控的连续性和效率。

S1330：旋转声束调控盘与管内壁用耦合介质进行耦合。

为保证旋转声束调控盘4与管内壁进行完美接触，可设计所述旋转声束调控盘4的曲率与管内壁一致，并在该旋转声束调控盘4的内侧设置弹簧，通过弹性压紧的方式使所述旋转声束调控盘4的外侧接触到所述管内壁，且在所述旋转声束调控盘4的外侧与所述管内壁之间设置有耦合介质3，所述耦合介质3包括透声流体或透声橡胶等具有透声性能的介质，使得该旋转声束调控盘4外侧与管内侧充分接触和耦合，从而使得高能声束在管内壁的表面发生的散射较小，减小声波衰减，提高调控精度。

S140：基于所设计的调控方案依次对待调控区域进行残余应力消减和均化。

本实施例通过驱动高能声束激励器5沿管内中轴线方向协调的激励出高能声束，该轴线方向的高能声束入射到旋转声束调控盘4 的呈45°的锥形反射面并发生全反射，反射后的高能声束将以360 °全环绕方式无损的沿径向方向注入管内待调控区域2的内壁，从而实现对管内壁残余应力进行消减、均化和调控。

S150：测试管内壁已调控区域的残余应力分布。

单轮或多轮调控后均需要进行残余应力测试，给后续步骤S160 判断调控后残余应力是否满足要求提供依据。

S160：判断经过调控后的待调控区域的残余应力是否满足要求，如果满足，则消减与均化管残余应力的流程结束；如果不满足，则进入步骤S120，基于新的残余应力分布设计调控方案。

综上，本实施实例基于测试管内壁残余应力分布状况，确定管待调控区域2，设计调控方案。通过高能声束激励器5产生高能声束1，经过旋转声束调控盘4的锥形反射面反射后以360°全环绕方式无损的沿径向方向注入管内壁的待调控区域，从而实现对管内壁残余应力进行消减、均化和调控。在单次调控结束后测试管内壁发热待调控区域2残余应力分布，根据应力消减和均化效果，可使用本方法再次进行调控，直到管应力分布完全满足生产和服役需要。

同时，本方法所述高能声束的超声能仅在管材料的空位、位错、晶界等局部区域被吸收，在达到相同软化效果的情况下，超声能的需求仅为热能的千万分之一。因此，本方法是一种环保、冷态、高效且无损的应力消减和均化方法。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (3)

1.一种管内壁残余应力旋转高能声束调控方法，其特征在于，在管内中轴位置固定安装高能声束激励器，并在所述高能声束激励器的激励头通过螺纹连接器紧固连接旋转声束调控盘，所述旋转声束调控盘由3瓣圆心角呈120°的扇形面或4瓣圆心角呈90°的扇形面组合而成；

所述旋转声束调控盘的外侧与所述管内壁之间设置有耦合介质，所述耦合介质包括透声流体或透声橡胶；

所述旋转声束调控盘的曲率与管内壁一致，该旋转声束调控盘的内侧设置弹簧，通过弹性压紧的方式使所述旋转声束调控盘的外侧接触到所述管内壁，且所述旋转声束调控盘沿着所述管内壁滑动或移动；

所述旋转声束调控盘的材料的声阻抗大于所述高能声束激励器的激励头的声阻抗，所述旋转声束调控盘的反射面与所述高能声束的入射方向呈45°夹角，所述反射面的表面粗糙度≤2.5μm；

所述方法包括：

通过所述高能声束激励器沿管内中轴线方向激励出高能声束；

通过所述旋转声束调控盘将所述高能声束沿径向方向反射到所述管内壁的待调控区域，对所述管内壁的残余应力进行调控。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转声束调控盘以360°全环绕的方式无损反射所述高能声束。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述调控过程中，检测所述管内壁的残余应力的状态，并根据所述残余应力的状态调整所述高能声束的能量。

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