CN201125261Y - 用电击时效法消除材料内部残余应力的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用电击时效法消除材料内部残余应力的系统。首先由微机控制任意波形发生卡输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再通过功率放大器输出，然后通过两电极作用在被处理材料上，传感元件用于检测反映材料内部残余应力变化情况的电参数，并通过放大器放大后经数据采集卡输入到微机中，用于监测材料内部残余应力的变化情况，直至认为残余应力降低至相应水平，微机停止发送激励信号，整个系统为基于微机的全自动控制系统。本实用新型提出的电击时效法是将电能注入材料内部使带电粒子运动或高分子粒子产生极化运动，从而实现微观激励，并最终降低或消除残余应力，该方法适用于所有导电和绝缘材料。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种消除残余应力的方法及系统，特别是涉及一种用电击时效法消除材料内部残余应力的系统。
背景技术
在制造加工过程中，材料将受到来自诸如焊接、铸造、热处理、切削、激光加工等各种工艺因素的作用和影响，同时在装配过程中也会出现因为尺寸不协调而造成强行装配。所有这些都会在材料内部产生不必要的残余应力，从而降低了材料的使用强度和疲劳寿命，增加了应力腐蚀作用，同时也成为材料产生变形和开裂的重要原因。所以，如何消除或降低材料中的这种残余应力，一直是机械制造工艺中迫切需要解决的一个关键技术问题。
传统的消除残余应力工艺有自然时效和热时效技术。自然时效依靠昼夜季节的温度变化，长期积累使金属发生细微的收缩和膨胀，逐渐造成金属晶格缓慢滑移，并最终达到释放应力的目的，但这种时效耗时长、效率低、占地面积大。
热时效通过把工件加热到相变温度以下，在热状态下降低工件材料的屈服极限，从而使工件材料在内应力作用下发生屈服变形，产生应力松弛，残余应力得以降低或消除。热时效周期较自然时效大为缩短，应用广泛，但是退火炉造价高、能耗高、占地面积大、辅助设备多、工件易氧化、劳动条件差、污染严重且不易处理大型构件或加热易受损的构件。
振动时效技术是近五十年才发展起来的一项采用机械法消除残余应力的技术。当构件产生较强烈机械振动时，振动应力与材料内部残余应力相叠加大于材料屈服极限时，材料将发生屈服变形，产生应力松弛，从而降低或消除残余应力。振动时效技术具有处理效果好、绿色环保、低成本、低功耗、体积小、便于现场操作和处理大型构件等特点。尽管如此，由于对振动时效机理以及强振动对材料疲劳寿命的影响等尚不是十分清楚，也有研究对振动时效法提出质疑。如有的学者认为，振动时效只能削弱材料中残余应力的峰值，而不能降低材料内部的平均残余应力；有的学者还认为热时效的效果要优于振动时效，这些极大的限制了振动时效技术的推广应用。
爆炸法和静态作用力法是另外两种采用机械法消除残余应力的典例，它们的原理都是通过外加载荷与内部残余应力叠加，从而使材料内部发生塑性变形，释放内应力，但爆炸法只适用于那些在强大冲击波下不会造成破坏的材料，而静态作用力法对构件静态加载的能力有特殊要求。
磁处理技术是一种通过动态磁场对钢铁材料作用来改善其中残余应力分布的新方法。钢铁材料在动态磁场的作用下，内部发生磁致振动，而该振动与材料中局部分布不均匀的残余应力共同作用，推动该区域内的位错产生滑移，从而产生塑性应变，导致应力松弛，因此残余应力得以降低或消除。磁处理技术具有操作简捷、成本低廉、能耗低、污染低等特点，该技术的缺点是仅能处理铁磁性材料。
纵观目前采用的各种消除残余应力的方法及学者们对各种方法进行的研究分析，我们发现一个共同的规律：若能够将外界能量有效地传递给材料内部的微观粒子或较小尺度的粒子团，即构成“微观激励”，则材料内部残余应力将容易被消除。这是因为残余应力的宏观表象最本质的原因还是微观粒子或粒子团受到外力作用而处于高能不稳定状态，若能够受到外力作用，其将恢复到低能稳定状态，从而消除残余应力。
自然时效是将外界自然能传递到工件内部，由于作用时间较长、自然能也较弱，所以自然时效的处理时间长而且效果不好。热时效是通过加热将热能有效、均匀地传递到材料内部微观粒子或粒子团，所以效果较好，同时也成为目前只要在工件被允许加热的条件下，公认为较理想的消除残余应力的方法。振动时效、爆炸法和静态作用力法都是将机械能注入材料内部，从而构成微观激励。磁处理技术是一种将电磁能注入铁磁材料内部的磁畴以实现微观激励的方法，由于磁畴具有较小的尺度，因而具有较好的处理效果。
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种用电击时效法消除材料内部残余应力的系统。所谓电击时效法，就是将电场能注入材料内部使带电粒子运动或产生极化运动，从而实现微观激励，并最终消除材料内部的残余应力。对于导电材料，通过施加强电脉冲或交变电流；对于绝缘材料，则施加强电脉冲或交变电场。
本实用新型采用的技术方案是：
一种用电击时效法消除材料内部残余应力的方法：
微机控制任意波形发生卡输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再通过功率放大器源输出，然后通过两电极作用在被处理材料上，传感元件用于检测反映材料内部残余应力变化情况的电参数，并通过放大器放大后经数据采集卡输入到微机中，根据电击法消除残余应力效果在线定量评价法则设计的相关软件包，监测材料内部残余应力的变化情况，直至认为残余应力降低至相应水平，微机停止发送激励信号，整个系统为基于微机的全自动控制系统。
所述的任意波形发生卡由微机自动控制，输出不同强度、频率或波形的激励脉冲或交变信号，然后通过电流功率放大器输出强脉冲或交变电流，最后通过两电极作用在导电材料上，对该材料进行电击时效。
所述的任意波形发生卡由微机自动控制，输出不同强度、频率或波形的激励脉冲或交变信号，然后通过高电压功率放大器输出强脉冲或交变电场，最后通过两电极作用在绝缘材料上，对该材料进行电击时效。
所述的两电极采用夹具与被处理材料夹紧，并在电极和被处理材料接触的地方涂导电胶保证它们接触可靠，从而使得功率放大器产生的强脉冲或交变电能量有效地传入被处理材料内部，进而产生微观激励，消除材料内部的残余应力。
所述的传感元件接于电击时效对被处理材料作用的工作回路，用于检测反映材料内部残余应力变化的敏感电参数，并通过放大器放大后经数据采集卡输入到微机中进行在线监测。
所述的微机根据电击法消除残余应力效果在线定量评价法则设计的相关软件包，分析数据采集卡传入的数据，用于监测被处理材料内部残余应力的变化情况，直至认为残余应力降低至相应水平，微机停止向任意波形发生器发送激励信号，整个系统为基于微机的全自动控制系统。
一种用电击时效法消除材料内部残余应力的系统：
技术方案1、一种用电击时效法消除导电材料内部残余应力的系统
微机输出端接任意波形发生卡，控制其输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再经电流功率放大器输出，导电材料的两端分别接第一电极和第二电极，电流功率放大器的输出端一路经传感元件接第一电极，另一路接第二电极，传感元件用于检测反映被处理导电材料内部残余应力变化情况的电参数，经放大器放大后，再经数据采集卡接入微机。根据电击时效法消除残余应力效果在线定量评价法则设计的相关软件包，监测导电材料内部残余应力的变化情况，直至认为残余应力降低至相应水平，微机停止发送激励信号，整个系统为基于微机的全自动控制系统。
技术方案2、另一种用电击时效法消除绝缘材料内部残余应力的系统
微机输出端接任意波形发生卡，控制其输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再经高电压功率放大器输出，绝缘材料的两端分别接第一电极和第二电极，高电压功率放大器的输出端一路经传感元件接第一电极，另一路接第二电极，传感元件用于检测反映被处理绝缘材料内部残余应力变化情况的电参数，经放大器放大后，再经数据采集卡接入微机。根据电击时效法消除残余应力效果在线定量评价法则设计的相关软件包，监测绝缘材料内部残余应力的变化情况，直至认为残余应力降低至相应水平，微机停止发送激励信号，整个系统为基于微机的全自动控制系统。
同其它消除残余应力的方法相比，本实用新型提出的用电击时效法消除材料内部残余应力的方法和系统，具有以下几个优点：
(1)原理先进、处理效果好：该方法基于微观激励原理，从残余应力产生的根源着手，从本质上消除残余应力，而且电场力直接作用微观粒子上，处理效果好；
(2)处理速度快、能耗低：该方法采用短时强脉冲或交变电流以及短时强脉冲或交变电场形式，激发材料内部高能粒子获得动能后，迅速恢复到初始低能位置，所以处理时间在瞬间完成；
(3)设备简单、成本低：该方法的最小配置只要配备有强电流发生装置或高压发生装置，及其相应的电极即可；
(4)低污染：该方法除了可以采用屏蔽手段解决的少许电磁污染外，几乎没有其它任何污染；
(5)可处理材料种类多：该方法适用于所有导电和绝缘材料。
附图说明
图1是用电击时效法消除金属材料内部残余应力的原理图。
图2是用电击时效法消除绝缘高分子材料内部残余应力的原理图。
图3是用电击时效法消除导电材料内部残余应力的系统图。
图4是用电击时效法消除绝缘材料内部残余应力的系统图。
图中1.金属材料，2.原子核，3.自由电子流，4.第一电极，5.第二电极，6.电击源，7.偶极子，8.绝缘高分子材料，9.微机，10.任意波形发生卡，11.电流功率放大器，12.传感元件，13.放大器，14.数据采集卡，15.导电材料，16.高电压功率放大器，17.绝缘材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
在图1所示的用电击时效法消除金属材料(导电材料典例)内部残余应力的原理图中，金属材料1通过第一电极4和第二电极5连接到电击源6，电击源6产生强电脉冲或交变电流，通过两电极向金属材料1内部引入电脉冲或交变电流的过程中，材料内部将产生大量的自由电子流3，由于自由电子流3有一定的漂移速度，它将冲击原子核2形成瞬时的热压应力，进而产生微观激励，使得处于高能不稳定状态的高能微观粒子恢复到低能稳定状态，从而降低或消除金属材料1内部的残余应力。
在图2所示的用电击时效法消除绝缘高分子材料(绝缘材料典例)内部残余应力的原理图中，绝缘高分子材料8中通过第一电极4和第二电极5连接到电击源6，电击源6产生强电脉冲或交变电场，在其作用下，绝缘高分子材料8内部将发生极化现象产生偶极子7并发生伸缩转动，且电场的频率越高，伸缩转动就越剧烈，微观结构的运动将会使高能分子团恢复到低能稳定状态，从而降低或消除绝缘高分子材料8内部的残余应力。
在图3所示的用电击时效法消除导电材料内部残余应力的系统的实施例中：微机9控制任意波形发生卡10输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再经电流功率放大器11输出，然后通过第一电极4和第二电极5作用在被处理的导电材料15上，传感元件12用于检测反映被处理材料内部残余应力变化情况的电参数，并通过放大器13放大后经数据采集卡14输入到微机9中，根据电击法消除残余应力效果在线定量评价法则设计的相关软件包，监测材料内部残余应力的变化情况，直至认为残余应力降低至相应水平，微机9停止发送激励信号，整个系统为基于微机的全自动控制系统。申请人用Optiplex台式机控制PCI4311任意波形发生卡产生脉冲信号，经电流功率放大器输出峰值约为100A的强脉冲电流，通过两钨铜电极向两块对焊的钢板放电进行电击时效，两电极通过夹具紧固在两钢板的两个侧端面，并且在它们的接触面上涂上导电胶，Rogowski线圈用于检测放电回路的瞬态电流变化，线圈输出经积分放大后通过A/D数据采集卡输入Optiplex台式机，根据电击法消除残余应力效果在线定量评价法则用VC++程序设计的相关软件包，对整个电击时效系统进行在线监测和控制。
在图4所示的用电击时效法消除绝缘材料内部残余应力的系统的实施例中：微机9控制任意波形发生卡10输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再经功率高压恒压源16输出，然后通过第一电极4和第二电极5作用在被处理的绝缘材料17上，传感元件12用于检测反映被处理材料内部残余应力变化情况的电参数，并通过放大器13放大后经数据采集卡14输入到微机9中，根据电击法消除残余应力效果在线定量评价法则设计的相关软件包，监测材料内部残余应力的变化情况，直至认为残余应力降低至相应水平，微机9停止发送激励信号，整个系统为基于微机的全自动控制系统。申请人用Optiplex台式机控制PCI4311任意波形发生卡产生脉冲信号，经高电压功率放大器输出约1000V的强脉冲电压场，通过两钨铜电极向一块有预应力的工程塑料放电进行电击时效，两电极通过夹具紧固在工程塑料的两个侧端面，并且在它们的接触面上涂上导电胶，串接于回路中的电阻器用于拾取回路中瞬态电流变化，电流信号通过放大后经A/D数据采集卡输入Optiplex台式机，根据电击法消除残余应力效果在线定量评价法则用VC++程序设计的相关软件包，对整个电击时效系统进行在线监测和控制。
Claims (2)
1、一种用电击时效法消除材料内部残余应力的系统，其特征在于：微机(9)输出端接任意波形发生卡(10)，控制其输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再经功率放大器(11)输出，导电材料(15)的两端分别接第一电极(4)和第二电极(5)，功率放大器(11)的输出端一路经传感元件(12)接第一电极(4)，另一路接第二电极(5)，传感元件(12)用于检测反映被处理导电材料(15)内部残余应力变化情况的电参数，经放大器(13)放大后，再经数据采集卡(14)接入微机(9)。
2、一种用电击时效法消除材料内部残余应力的系统，其特征在于：微机(9)输出端接任意波形发生卡(10)，控制其输出激励脉冲或某一频率的交变信号，再经高电压功率放大器(16)输出，绝缘材料(17)的两端分别接第一电极(4)和第二电极(5)，高电压功率放大器(16)的输出端一路经传感元件(12)接第一电极(4)，另一路接第二电极(5)，传感元件(12)用于检测反映被处理绝缘材料(17)内部残余应力变化情况的电参数，经放大器(13)放大后，再经数据采集卡(14)接入微机(9)。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081001 Termination date: 20121120 |