CN203174172U - 一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置，包括设置在壳体内的换能器和与换能器相连的变幅杆，所述变幅杆的一端与冲击针延长头相连，所述冲击针延长头与冲击针相接触；所述阶梯型超声冲击针由直径d的前部圆柱和直径D的后部圆柱构成，其中前部圆柱的前端呈半球形，用于和加工部件的表面进行超声冲击接触，后部圆柱的尾端呈半球形，用于和变幅杆端面或者冲击针延长头端面相接触，以获得进行超声冲击的能量，后部圆柱的直径D略大于前部圆柱的直径d。该方案以减小冲击针和冲击针座之间的摩擦，适用于超声冲击设备进行材料的成型，矫形以及表明处理，以提高冲击效率，产生更深的压应力层，提高材料的疲劳寿命。

Description

一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置

技术领域

本实用新型涉及一种超声冲击枪，更加具体地说，涉及一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置。

背景技术

在焊接结构的加工过程中,由于焊接热循环的作用,引起焊接接头局部不均匀的热塑性变形和相变,产生自相平衡的焊接残余应力,使焊接接头的使用性能降低，超声冲击通过改善焊接残余应力的分布来改善其性能。由于该方法使用灵活、效率高,因此适用范围广,不仅可以应用于焊接结构的制造过程中,而且可以应用于安装现场,是一种有效改善焊接接头残余应力的方法。

超声冲击的原理是超声振动发生器驱动冲击针产生机械振动，冲击针快速撞击工件表面，引起工件表面得到强化并产生变形，从而达到使金属表面产生一定深度的残余压应力层，使金属零件的强度、耐腐蚀性和疲劳寿命得到明显提高。而残余应力层深度的大小主要取决于冲击过程中冲击针的撞击速度。现有技术的冲击针针头大都设计成尾部带梢的结构，一方面在其工作的过程中，冲击针和冲击针座枪口处发生碰撞，极大的降低冲击针的冲击速度；另外，尾部带梢的结构在与换能器碰撞的过程中，由于受力的不均匀容易使冲击针发生歪斜，这两方面都会减小超声冲击所产生的应力层深度，对冲击效果有明显的影响。

对于传统冲击处理其执行机构即冲击头的设计一般采用单根或者多根并列的硬质合金针或热处理后的工具钢针，枪体和冲击针保持同轴，工作中冲击针和枪体保持在一个直线上运动。当待处理焊缝处于平焊或者较为宽敞的空间时，这种设计的冲击针可以满足日常冲击处理的需要，当待处理表面位于狭小的空间时，这种直列冲击针的冲击处理效果有可能大打折扣。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，通过改变冲击针的形状，提供一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置。

本实用新型的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置，包括设置在壳体内的换能器和与换能器相连的变幅杆，所述变幅杆的一端与冲击针延长头相连，所述冲击针延长头与阶梯型超声冲击针相接触，所述阶梯型超声冲击针穿过冲击针座；

所述阶梯型超声冲击针在造型上采用了阶梯式的设计，以减小冲击针和冲击针座之间的摩擦，适用于超声冲击设备进行材料的成型，矫形以及表明处理，以提高冲击效率，产生更深的压应力层，提高材料的疲劳寿命；采用尾圆头型冲击针，其示意图如图4所示，整体呈阶梯型圆柱状，取代了以前常用的带稍形结构，由直径d的前部圆柱和直径D的后部圆柱构成，其中所述前部圆柱的前端呈半球形，用于和加工部件的表面进行超声冲击接触，所述后部圆柱的尾端呈半球形，用于和冲击针延长头端面相接触，以获得进行超声冲击的能量，后部圆柱的直径D略大于前部圆柱的直径d。整体上看来呈两个阶梯形圆柱状的设计，一方面和冲击针延长头或者变幅杆端面碰撞时受力方向沿着冲击针轴线方向，不会产生横向分力；另一方面，冲击针与孔的下方边缘碰撞时不会摩擦。有利于处理过程中冲击针沿着轴线方向稳定运动，提高撞击速度；上述结构中，d<D≤1.3d，优选D为1.2d，d是前部圆柱的直径，D是后部圆柱的直径；0.1L≤l≤0.2L，优选l为0.2L，l是末端到阶梯处的距离，L是冲击针全长。

所述冲击针座的前端带有拐角并设置有锥形的枪口，所述枪口中设置有固定冲击针的圆孔，另一端是圆柱形的且尾部设置有凸起，用于装卸时使用所述另一端是圆柱形的且尾部有凸起，用于装卸时使用，与壳体连接。

所述冲击针延长头整体上呈短圆柱形，前端为斜面，用于和冲击针相接触，可分为表面带凹坑和不带凹坑两种，末端带有一段螺纹杆，用来和变幅杆、换能器相连；所述凹坑用于和阶梯状冲击针的末端相接触。

所述换能器可选择压电式换能器或者磁致伸缩式换能器。

传统冲击针存在如下问题：冲击针的运动会产生横向位移与周围发生碰撞导致撞击和回弹的速度下降，影响变幅杆对冲击针的加速效果，使最大撞击速度降低的问题。传统冲击针尾端为平面并且带锥形梢状结构，以防止工作时冲击针从枪体中脱落，然而这种结构在使用过程中会出现一些问题，图1和2为常见问题示意图。一方面，冲击针与变幅杆端面碰撞时，由于受力不均匀容易使冲击针在1号位置发生歪斜；另一方面，梢状结构阻挡冲击针飞出枪体时会与孔壁的2号位置产生滑动摩擦和碰撞。这两方面都会导致冲击针产生横向位移，并且导致冲击速度下降。使用的高速摄像设备是SHJQ-MotionPro-Y3高速摄像机对冲击过程进行拍摄，可以更清楚地观察冲击针的运动轨迹。图3为试验中连续拍摄的13张照片，为了便于对比横向位移的偏差，把他们叠加在一起便于观察，从下到上按照拍摄顺序依次排列。冲击针先向左移动与周围发生碰撞后向右移动，碰撞一次后速度明显下降，同时使后续的加速过程难以持久，往往无法起到良好的加速效果。

本实用新型的技术方案中采用尾圆头型冲击针，其示意图如图4所示，把梢型结构改为阶梯圆柱和圆形端部，一方面和变幅杆端面碰撞时受力方向沿着冲击针轴线方向，不会产生横向分力；另一方面，冲击针与孔的下方边缘碰撞时不会摩擦。有利于处理过程中冲击针沿着轴线方向稳定运动，提高撞击速度。

本实用新型在进行材料的表面处理，成型及矫形过程中能高效的消除焊接热影响区的残余拉应力，通过超声冲击在材料表面形成一个压应力层，提高材料的表面抗腐蚀能性，疲劳性能及抗动载荷能力。冲击针形状的设计考虑到了冲击针和冲击针座的枪口处碰撞时的问题，减小了碰撞时的摩擦力对冲击针速度的影响，降低由此产生的能量损失。使冲击过程中超声冲击设备的功率更好发挥，可以达到：

1.使冲击后的压应力层更深。

2.使冲击后使工件产生更大的变形，有利于材料的成型及矫形。

3.降低冲击针和冲击针座的枪口摩擦所产生的能力损失，防止冲击针和冲击针座擦变热，提高设备使用寿命。

该实用新型用材料加工成型后，经过热处理，具有很好的强度和使用寿命。同时此实用新型还具有制造简单，安装容易，成本低廉的优点。在相同条件下可以更高效地发挥超声冲击设备的作用，在实际生产中具有很重要的意义。

附图说明

图1传统冲击针常见问题示意图（1）

图2传统冲击针常见问题示意图（2）

图3传统冲击过程中冲击针的运动轨迹，其中使用高速摄像机对冲击过程中冲击针进行连续拍摄，并以获得13张照片进行叠加，可以更清楚地观察冲击针的运动轨迹

图4阶梯型冲击针的结构示意图

图5利用阶梯型冲击针的斜探头式超声冲击装置结构示意图，其中1为换能器、2为变幅杆、3为阶梯型冲击针，4为壳体，5为冲击针座，6为工件，7为冲击针延长头

图6阶梯型冲击针和带凹坑冲击针延长头装配剖面示意图，其中3为阶梯型冲击针，5为冲击针座，7a为带凹坑的冲击针延长头

图7阶梯型冲击针和平头冲击针延长头装配剖面示意图，其中3为阶梯型冲击针，5为冲击针座，7b为不带坑的平头冲击针延长头

图8传统冲击针处理后试件的变形示意图

图9阶梯型冲击针处理后试件的变形示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

如附图4—7所示，利用阶梯型冲击针的斜探头式超声冲击装置结构示意图，其中1为换能器、2为变幅杆、3为阶梯型冲击针，4为壳体，5为冲击针座，6为工件，7为冲击针延长头。

冲击针在造型上采用了阶梯式的设计，以减小冲击针和冲击针座之间的摩擦，适用于超声冲击设备进行材料的成型，矫形以及表明处理，以提高冲击效率，产生更深的压应力层，提高材料的疲劳寿命；采用尾圆头型冲击针，顶端呈半球形，后部用直径略大的圆柱与小直径的前部圆柱相连，取代了以前常用的带稍形结构，尾端也呈半球形。整体上看来呈两个阶梯形的圆柱状。一方面和冲击针延长头或者变幅杆端面碰撞时受力方向沿着冲击针轴线方向，不会产生横向分力；另一方面，冲击针与枪口处圆孔下方边缘碰撞时不会摩擦；有利于处理过程中冲击针沿着轴线方向稳定运动，提高撞击速度。

冲击针座的外形呈圆柱形结构，前端带有拐角，枪口处呈锥脚形，斜方向探出，冲击针座一端开有开口，开口端和超声冲击枪的外壳配合，然后用法兰固定，另一端密封，其上开有和冲击针配合的圆孔，冲击针设置在圆孔中，在与冲击针配合的圆形孔和冲击针之间设计了润滑间隙。冲击针延长头的螺纹和冲击枪的变幅杆相配合，另一端与冲击针相接触，另一端为斜面，用于和冲击针相接触。

将换能器与变幅杆相连为系统提供动力，通过冲击针延长头转化成冲击针的机械运动，对工件表面进行加工。所述换能器可选择压电式换能器或者磁致伸缩式换能器。

上述结构中，可选择阶梯型冲击针与表面带凹坑型冲击针延长头7a进行配合，阶梯型冲击针的形状参数：D为1.3d，l为0.2L；也可选择阶梯型冲击针与平整斜面冲击针延长头7b配合，阶梯型冲击针的形状参数：D为1.3d；l为0.1L。

利用上述实施例的超声冲击装置进行超声冲击，冲击后的效果如下：

宏观形貌

在相同的工艺参数下对5A06铝合金（铝合金化学成分如表1）进行冲击，具体工艺参数如表2，单面反复冲击4次。其结果与传统冲击针处理后的结果相比弹坑略深，具有更大的变形性。使用相同的振幅，冲击时间，冲击速度处理的尺寸相同的铝合金板材（尺寸为长100mm，宽30mm，厚4mm）在研究喷丸强化技术中，通常对试片单面进行弹丸冲击,表面层发生塑性形变,由此导致试片向喷射面呈球面状弯曲,切入球面的特定基准面到球面最高点之间的距离称为弧高度，用来表征喷丸或者冲击的强度。传统冲击针处理后试件变形的弧高度为0.75mm，阶梯形冲击针处理后试件变形的弧高度为1.56mm。变形程度对比如图8，图9。阶梯形冲击针处理后所产生的变形的弧高度大约是传统冲击针处理后变形的两倍。有利于超声冲击的成形和矫形，更适合对焊后的失稳变形进行后处理以及很多金属材料的大弧度直接成形。

表1 5A06铝合金化学成分（%）

表2超声冲击工艺参数

残余应力

为了比较两种冲击针处理后试件表面的塑性变形层及残余应力分布，使用RIGAKUD/MAX 2500V/PCX射线衍射仪对上述不同冲击针在相同冲击工艺参数处理后的铝合金板件进行沿厚度方向的残余应力测试，修正后的结果如表3和4所示。发现阶梯形冲击针处理后的板件最大残余压应力值比以往冲击方法处理后的略大，但是压应力层深度比以往大了约25%。更利于提高材料的耐腐蚀性能和疲劳强度。

表3传统冲击针处理后试件沿厚度方向的残余应力分布

距表面的厚度（mm）	应力值（MPa）
		3.993	-124.44
3.965	-112.23
		3.899	-90.28
3.813	-67.38
		3.651	-66.27
3.48	-67.97
		3.335	-59.39
3.199	-37.06
		3.095	-35.42
2.829	+4.86

表4阶梯型冲击针处理后试件沿厚度方向的残余应力分布

距表面的厚度（mm）	应力值（MPa）
		3.868	-129.05
3.839	-91.32
		3.818	-80.66
3.773	-90.17
		3.689	-74.86
3.527	-62.21
		3.422	-59.23
3.355	-71.56
		3.132	-42.88
2.989	-22.79
		2.84	-16.29
2.435	+4.56

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置，包括设置在壳体内的换能器和与换能器相连的变幅杆，所述变幅杆的一端与冲击针延长头相连，所述冲击针延长头与阶梯型超声冲击针相接触，所述阶梯型超声冲击针穿过冲击针座，其特征在于， 

所述阶梯型超声冲击针整体呈阶梯型圆柱状，由直径d的前部圆柱和直径D的后部圆柱构成，其中所述前部圆柱的前端呈半球形，所述后部圆柱的尾端呈半球形，d<D≤1.3d，d是前部圆柱的直径，D是末部圆柱的直径；0.1L≤l≤0.2L，l是末端到阶梯处的距离，L是冲击针全长； 

所述冲击针座的前端带有拐角并设置有锥形的枪口，所述枪口设置有固定冲击针的圆孔，另一端是圆柱形的且尾部设置有装卸凸起； 

所述冲击针延长头整体上呈短圆柱形，前端为和冲击针相接触的斜面，末端设置有和变幅杆相连的螺纹杆。 

2.根据权利要求1所述的一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置，其特征在于，D选1.2d，l选0.2L。 

3.根据权利要求1所述的一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置，其特征在于，所述换能器选择压电式换能器或者磁致伸缩式换能器。 

4.根据权利要求1所述的一种利用阶梯型超声冲击针的斜探头式超声冲击装置，其特征在于，所述冲击针延长头前端斜面上设置有与冲击针位置相应的凹坑。 

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