阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置及方法

IPC分类号 : C22F3/00I

申请号

CN201910906532.4

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专利摘要

本申请涉及材料性能研究技术领域，尤其涉及一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置及方法。其包括由至少两个分体拼接而成的筒体结构，侧壁沿周向设有多个阵列排布的第一通孔，外部设有压紧装置；于第一通孔处嵌装的激励楔块；与激励楔块对应连接的激励器；激励楔块的端面与待调控构件表面耦合贴紧，另一侧的连接部与激励器发射端耦合连接，激励器发射端的轴线与待调控构件表面的法线重合；与各激励器电连接的多通道信号功率放大器，及与多通道信号功率放大器电连接的多通道激励控制模块。本申请所提供的装置及方法解决了无法消减及平衡结构及应力分布较复杂构件的残余应力的问题，和控制构件整体变形的问题。

权利要求

1.一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置，其特征在于，包括：

由至少两个分体纵切面拼接而成的筒体结构，所述筒体结构环绕待调控构件设置，其侧壁沿周向设有多个第一通孔并形成阵列排布，所述筒体结构的外部设置有压紧于其外表面的压紧装置；

所述第一通孔处嵌装有激励楔块，所述激励楔块朝向所述筒体结构内侧的端面与所述待调控构件表面耦合贴紧，其朝向所述第一通孔的端面为连接部，所述连接部具有凹面及于所述凹面中心凸设的连接柱；

至少部分所述激励楔块对应连接有激励器，所述激励器的发射端与所述连接部的所述凹面及所述连接柱通过耦合剂耦合，所述发射端中心具有与所述连接柱连接的盲孔，所述激励器发射端的轴线与所述待调控构件对应贴紧处表面的法线重合；及

与各所述激励器电连接的多通道信号功率放大器，用于保真放大发射信号及接收信号；及与所述多通道信号功率放大器电连接的多通道激励控制模块，用以控制所述激励器输出所述发射信号及获取所述接收信号；

相邻两个所述分体间留有间距；

所述压紧装置包括至少两组压紧支架及螺栓，所述压紧支架朝向所述筒体结构外壁的侧边设有多个与所述螺栓匹配连接的螺孔，使所述压紧支架压紧所述筒体结构；

所述筒体结构设置于操作平台上，所述压紧支架为直角支架，其一直角边设有与所述螺栓匹配连接的所述螺孔，且所述直角边朝向所述筒体结构设置，其另一直角边支撑固定连接于所述操作平台；

多组所述压紧支架环绕所述筒体结构均匀设置；和/或

所述筒体结构的多个所述分体彼此呈中心对称设置。

2.根据权利要求1所述的消减及均化构件残余应力装置，其特征在于，所述连接部为外沿凸起内部凹陷的结构，所述外沿环绕所述第一通孔的外周设置，且所述外沿均匀设有多个第二通孔，以通过连接件将所述激励楔块固定连接于所述筒体结构内壁。

3.根据权利要求1所述的消减及均化构件残余应力装置，其特征在于，所述激励楔块朝向所述待调控构件的端面弧度和与之对应耦合贴紧的所述待调控构件的表面弧度相同。

4.根据权利要求1所述的消减及均化构件残余应力装置，其特征在于，于所述激励楔块朝向所述筒体结构内侧的端面与所述待调控构件表面之间设置有采用高温润滑脂材料的耦合剂；和/或

于所述激励器的发射端与所述连接部的凹面之间设置有采用高温润滑脂材料的耦合剂。

5.根据权利要求1所述的消减及均化构件残余应力装置，其特征在于，各所述激励器的声波频率大于0.1kHz ；和/或

各所述激励器的声波功率大于0.1W。

6.一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置，其方法包括以下步骤：

步骤S1，将经过残余应力大小及分布预先检测的待调控构件安放于操作平台上；

步骤S2，根据所述待调控构件的所述预先检测结果，对应所述待调控构件的各调控区域选择各所述第一通孔，及选择对应的各所述激励器，并将与之对应的各所述激励楔块安装于所述筒体结构的各所述第一通孔处；

步骤S3，将所述筒体结构环绕所述待调控构件设置，并将所述激励楔块朝向所述待调控构件的端面与所述待调控构件的对应调控区域的表面耦合贴紧，并通过所述压紧装置将其压紧；

步骤S4，将与所述待调控构件的对应调控区域对应的所述激励器的发射端耦合连接于与之对应的所述激励楔块的连接部上；

步骤S5，将所述多通道信号功率放大器的各通道和与之对应的各所述激励器对应连接，将所述多通道激励控制模块的各通道与所述多通道信号功率放大器的各通道对应连接；

步骤S6，将所述多通道激励控制模块、所述多通道信号功率放大器及各所述激励器通电启动；

步骤S7，调控工作结束后，将所述多通道激励控制模块、所述多通道信号功率放大器及各所述激励器断电停止工作，并解除所述压紧装置的压紧，将调控后的构件取出。

说明书

技术领域

本申请涉及材料性能研究技术领域，尤其涉及一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置及方法。

背景技术

现今，铝合金材料因其低密度、轻量化、刚性好、强度高等优异的力学性能被广泛应用于航空、航天、水电、火电、压缩机等领域，针对于大型铝合金构件常用的焊接、铣削加工工艺，因其在加工过程中存在的不均匀温度梯度、塑性变形、相变等会将残余应力引入构件中，促使其发生变形，影响其力学性能，因此为保证构件使用性能及保证其使用寿命，需要消减及平衡大型铝合金构件中因焊接及铣削产生的残余应力。

现有技术中有很多消减金属材料残余应力的方法，例如自然时效法、振动冲击法、退火、回火等。自然时效法耗时长，以月或年为单位计算时间，不适合应用于对加工时间有要求的工程应用中；振动冲击法多用于结构形状较规则、表面较平整的板类和盘类等构件，无法对结构较复杂的、较精细的构件，如航空、水电、火电和压缩机等领域的箱体类、(曲)轴类等复杂结构的零部件，进行残余应力的消减，且振动冲击法耗时较长、工艺繁琐；退火、回火等人工时效法对火候的控制操作有要求，至少需要三到五天的时间进行消减，不适合对时间、消减质量要求较高的工程应用。再有，公开号为CN109234653A，发明名称为一种消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法的发明专利文献，提供了一种冷压拉处理以消减锻件残余应力的方法，这种方法通过拉伸锻件的方式消减平衡残余应力，并不适用于经过焊接工艺处理的焊接件，也不适用于对结构的外形尺寸有精确要求的构件中。

上述常用的消除残余应力的现有技术，或不适用于消减对时间有要求的工程应用中，或不适用于结构较复杂的、较精细的箱体类、(曲)轴类等部件中，或不适用于经过焊接、铣削等工艺处理后的构件中，且即使进行消减调控工作后，也可能会出现残余应力分布不均等问题，无法平衡这类构件内部应力。

发明内容

本申请提供了一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置及方法，以解决现有技术中无法消减及平衡结构较复杂、应力分布较复杂的构件的残余应力的问题，以及控制构件整体变形的问题。

本申请的第一方面提供了一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置，包括：

至少部分所述激励楔块对应连接有激励器，所述激励器发射端与所述连接部的所述凹面及所述连接柱通过耦合剂耦合，所述发射端中心具有与所述连接柱连接的盲孔，所述激励器发射端的轴线与所述待调控构件对应贴紧处表面的法线重合；及

与各所述激励器电连接的多通道信号功率放大器，用于保真放大发射信号及接收信号；及与所述多通道信号功率放大器电连接的多通道激励控制模块，用以控制所述激励器输出所述发射信号及获取所述接收信号。

与现有技术相比，本申请所提供的分体式的筒体结构，在调控工作开始前，可将待调控构件设置于筒体结构当中，再由位于筒体结构外的压紧装置将该筒体结构的各分体内壁与待调控构件紧密贴合压紧设置；该筒体结构的侧壁沿周向设有多个第一通孔并形成阵列排布，用以使对应的激励器发射端穿过对应的第一通孔与对应的激励楔块的连接部耦合连接，这种阵列排列的方式可以全面整体的对待调控构件的各区域的残余应力进行消减及均化，且对应的激励器发射端的轴线与待调控构件对应贴紧处表面的法线重合，以使激励器发射的高能弹性波垂直入射至待调控构件表面及内部，以达到最佳的能量冲击效果，对由于经过焊接、铣削等工艺处理后，致使其残余应力较大、较集中的待调控构件来说，其消减残余应力的效果尤为显著，前述的多个第一通孔可全部使用也可选择性使用，具体选用的第一通孔的数量及分布可根据待调控构件预先检测的整体残余应力的大小及分布情况而定，与选用的各第一通孔对应的激励器采用的高能弹性波的频率大小及功率大小也可以根据与其对应的激励楔块端面耦合紧贴的待调控构件表面及对应内部的残余应力的大小具体而定，与各激励器的电连接的多通道信号功率放大器，及与该多通道信号功率放大器电连接的多通道激励控制模块，可根据各通道对应的不同激励器对应的待调控构件位置残余应力大小的不同来对应预先设定调控频率、调控时长、声波能量等，从而实现了对结构较复杂、应力分布较复杂、残余应力较大的待调控构件整体的残余应力的消减及均化，尤其针对经过焊接和铣削等加工工艺处理，使其表面及内部引入过较多的残余应力的构件来说，消减及均化效果尤为明显，再有，由于在调控过程中，压紧装置始终通过压紧筒体结构对其内部的待调控构件进行压紧，也同时很好的实现了在调控过程中对待调控构件的整体变形的控制，使其不易变形，尤其对于较易变形的铝合金材质的待调控构件来说，有明显的控制变形效果。

进一步的，相邻两个所述分体间留有间距。

当不同的待调控构件的外形结构基本相同，只是直径或横截面的长度、宽度不同时，可在不重新定做筒体结构的情况下，采用压紧装置在压紧时通过使分体间留有间距的方式来实现同样的压紧效果。

进一步的，所述压紧装置包括至少两组压紧支架及螺栓，所述压紧支架朝向所述筒体结构外壁的侧边设有多个与所述螺栓匹配连接的螺孔，使所述压紧支架压紧所述筒体结构。

各组压紧支架共同配合，可实现对只是直径或横截面的长度、宽度不同，而外形结构基本相同的各待调控构件进行压紧，且达到良好的压紧效果。

更进一步的，所述筒体结构设置于操作平台上，所述压紧支架为直角支架，其一直角边设有与所述螺栓匹配连接的所述螺孔，且所述直角边朝向所述筒体结构设置，其另一直角边支撑固定连接于所述操作平台。

直角支架具有较优的力学稳定性，可稳固的支撑其起到良好的压紧作用，平坦的操作平台更有利于直角支架稳定发挥其优秀的稳固支撑作用。

更进一步的，多组所述压紧支架环绕所述筒体结构均匀设置；和/或

所述筒体结构的多个所述分体彼此呈中心对称设置。

这样可以使压紧效果更牢固、更均匀；以及方便筒体结构统一加工制作，降低制作成本及难度。

进一步的，所述连接部为外沿凸起内部凹陷的结构，所述外沿环绕所述第一通孔的外周设置，且所述外沿均匀设有多个第二通孔，以通过连接件将所述激励楔块固定连接于所述筒体结构内壁。

这样设置既可以起到很好的声波入射传导的作用，又可以起到良好的固定连接的作用，结构可靠且简单，制作成本或定做成本较低。

进一步的，所述激励楔块朝向所述待调控构件的端面弧度和与之对应耦合连接的所述待调控构件的表面弧度相同。

这样可以保证激励楔块的端面与对应的待调控构件的表面良好的耦合状态，使二者耦合更紧密。

进一步的，于所述激励楔块朝向所述筒体结构内侧的端面与所述待调控构件表面之间设置有采用高温润滑脂材料的耦合剂；和/或

于所述激励器的发射端与所述连接部的凹面之间设置有采用高温润滑脂材料的耦合剂。

高温润滑脂含有高浓度的聚四氟乙烯润滑颗粒，具有耐高温、抗压能力强、高负载、耐久性强、低挥发性、抗水性强、机械安定性强、防腐蚀性能强等优点，高度适用于本申请所提供的装置中。

进一步的，各所述激励器的声波频率大于0.1KHz；和/或

各所述激励器的声波功率大于0.1W。

这样可以保证高能弹性波输出足够冲击强度的能量。

本申请的第二方面提供了一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力方法，基于所述的阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置，其方法包括以下步骤：

步骤S1，将经过残余应力大小及分布预先检测的待调控构件安放于操作平台上；

步骤S4，将与所述待调控构件的对应调控区域对应的所述激励器的发射端耦合连接于与之对应的所述激励楔块的连接部上；

步骤S6，将所述多通道激励控制模块、所述多通道信号功率放大器及各所述激励器通电启动；

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置的部分结构立体图；

图2为本申请实施例所提供的阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置的另一角度的部分结构立体图；

图3为本申请实施例所提供的阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置的部分结构俯视图；

图4为本申请实施例所提供的激励楔块的结构示意图。

附图标记：

10-筒体结构；

11-分体；

12-第一通孔；

20-压紧装置；

21-直角支架；

22-螺栓；

30-激励楔块；

31-端面；

32-连接部；

321-第二通孔；

322-连接柱；

323-凹面；

40-激励器；

50-操作平台；

2-待调控构件。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

如图1-4所示，本申请实施例提供了一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力装置及方法，该装置包括分体式的筒体结构10，其由至少两个分体11组成，相邻分体11的纵切面可相互拼接而成，该筒体结构10环绕待调控构件2设置，该筒体结构10内壁沿周向可设有多个第一通孔12，该多个第一通孔12形成阵列排布，这种阵列排列方式可以更全面整体的对待调控构件2的各区域的残余应力进行消减及均化，该多个第一通孔12的具体数量和分布情况可根据待调控构件2的残余应力的大小及分布情况而定，该筒体结构10的外部设置有压紧于其外表面的压紧装置20，该压紧装置20具体可以是箍紧件、锁紧件等等。该第一通孔12处嵌装有激励楔块30，及与该多个激励楔块30对应耦接的激励器40，该激励楔块30朝向该筒体结构10内侧的端面31与待调控构件2表面通过耦合剂耦合贴紧，该耦合剂具体可以选用高温润滑脂，其含有高浓度的聚四氟乙烯润滑颗粒，具有耐高温、抗压能力强、高负载、耐久性强、低挥发性、抗水性强、机械安定性强、防腐蚀性能强等优点，高度适用于本申请提供的装置中；该激励楔块30与该端面31相对的另一端面为连接部32，该连接部32具有凹面323及于该凹面323中心凸设的连接柱322，前述激励器40的发射端与该连接部32的凹面323及连接柱322通过前述耦合剂耦合，该发射端中心具有盲孔，该盲孔与前述的连接柱322紧固连接，且该激励器40发射端的轴线与该待调控构件2对应贴紧处表面的法线重合，以使激励器40发射的高能弹性波垂直入射至待调控构件2表面及内部，以达到最佳的能量冲击效果，对由于经过焊接、铣削等工艺处理后，致使其残余应力较大、较集中的待调控构件来说，其消减残余应力的效果尤为显著。

本申请实施例所提供的装置还包括与各激励器40电连接的多通道信号功率放大器，用于保真放大发射信号及接收信号，及与该多通道信号功率放大器电连接的多通道激励控制模块，用以控制激励器40输出发射信号及获取接收信号。再有，待调控构件2在开始调控工作之前，可预先采用多方位残余应力检测与监测系统对待调控构件进行残余应力的大小及分布检测，本申请所提供的装置的各激励器40的数量、分布及各激励器所采用的功率、声波频率、能量强度及调控时长可根据前述的待调控构件2的预先检测结果而具体设定。另外，需要说明的是，本申请实施例所调控的待调控构件2的残余应力主要包括其内部的初始残余应力和经过焊接、铣削等工艺处理后引入的残余应力，其中，该初始残余应力主要是来自于其自身毛胚成型过程，例如：铸造、锻造或轧制工艺过程中的热不平衡状态而引起的；该焊接残余应力主要是来自于其焊接过程中的热能集中和不平衡而在焊接区域内形成的；该铣削残余应力主要是来自于其在铣削过程中由于材料不均匀的塑性变形，导致构件材料发生不均匀的体积变化，体积尺寸变化的差异时的材料表面和内部的压缩、伸长变化量不同，而在材料内部滞留的残余应力。前述的筒体结构具体可以是圆筒形、立方体形及不规则表面形状体等，其具体结构形状可根据被调控构件2的外形结构特点而定，在此不做具体限定。

与现有技术相比，本申请实施例所提供的分体式的筒体结构，在调控工作开始前，可将待调控构件设置于筒体结构当中，再由位于筒体结构外的压紧装置将该筒体结构的各分体内壁与待调控构件紧密贴合压紧设置；对应的激励器发射端的轴线与待调控构件对应贴紧处表面的法线重合，以使激励器发射的高能弹性波垂直入射至待调控构件表面及内部，以达到最佳的能量冲击效果，对由于经过焊接、铣削等工艺处理后，致使其残余应力较大、较集中的待调控构件来说，其消减残余应力的效果尤为显著，前述的多个第一通孔可全部使用也可选择性使用，具体选用的第一通孔的数量及分布可根据待调控构件预先检测的整体残余应力的大小及分布情况而定，与选用的各第一通孔对应的激励器采用的高能弹性波的频率大小及功率大小也可以根据与其对应的激励楔块端面耦合紧贴的待调控构件表面及对应内部的残余应力的大小具体而定，与各激励器的电连接的多通道信号功率放大器，及与该多通道信号功率放大器电连接的多通道激励控制模块，可根据各通道对应的不同激励器对应的待调控构件位置残余应力大小的不同来对应预先设定调控频率、调控时长、声波能量等，从而实现了对结构较复杂、应力分布较复杂、残余应力较大的待调控构件整体的残余应力的消减及均化，尤其针对经过焊接和铣削等加工工艺处理，使其表面及内部引入过较多的残余应力的构件来说，消减及均化效果尤为明显，再有，由于在调控过程中，压紧装置始终通过压紧筒体结构对其内部的待调控构件进行压紧，也同时很好的实现了在调控过程中对待调控构件的整体变形的控制，使其不易变形，尤其对于较易变形的铝合金材质的待调控构件来说，有明显的控制变形效果。

进一步的，前述的相邻两个分体11之间可留有间距，当不同的待调控构件2的外形结构基本相同，只是直径或横截面的长度、宽度不同时，可在不重新定做筒体结构10的情况下，采用压紧装置20在压紧时通过使分体11间留有间距的方式来实现同样的压紧效果。

如图4所示，前述的连接部32具体可以是外沿凸起内部凹陷的结构，该外沿环绕与之对应的第一通孔12的外周设置，且外沿均匀设有多个第二通孔321，以通过连接件穿过该多个第二通孔321将激励楔块30固定连接于筒体结构10内壁，这样设置既可以起到很好的声波入射传导的作用，又可以起到良好的固定连接的作用，结构可靠且简单，制作成本或定做成本较低。该连接件具体可以是螺栓、螺钉、卡扣等，该第二通孔321具体可以是螺纹孔或光孔等，前述的第一通孔12具体可以是光孔。进一步的，为了保证激励楔块30的端面31与对应的待调控构件2的表面的良好的耦合状态，该激励楔块30朝向该待调控构件2的端面31的弧度和与之对应耦合连接的待调控构件2的表面的弧度可相同，这样可以使二者耦合更紧密。

一种具体的实施例是，该压紧装置20可以包括至少两组压紧支架及螺栓22，该压紧支架朝向该筒体结构10外壁的侧边可设有多个与螺栓22匹配连接的螺孔，使压紧支架压紧该筒体结构10，各组压紧支架共同配合，可实现对只是直径或横截面的长度、宽度不同，而外形结构基本相同的各待调控构件2进行压紧，且达到良好的压紧效果。进一步的，为了压紧效果更牢固、更均匀，该多组压紧支架可环绕该筒体结构10均匀设置。

再有，本申请实施例还可以包括操作平台50，该所述操作平台50具体可以是底盘、底座等等，其形状不做具体限定。前述的筒体结构10可设置于该操作平台50上，前述的压紧支架具体可以为直角支架21，直角支架21具有较优的力学稳定性，可稳固的支撑其起到良好的压紧作用，其一直角边设有与前述螺栓22匹配连接的所述螺孔，可朝向该筒体结构50的外侧壁设置，另一直角边可支撑固定连接于该操作平台50上，该平坦的操作平台50更有利于直角支架21稳定发挥其优秀的稳固支撑作用。

为了压紧效果更牢固、更均匀，以及方便筒体结构统一加工制作，降低制作成本及难度，该筒体结构10的多个分体11可彼此呈中心对称设置，具体可设置4个分体，各分体的横截面均为四分之一圆弧形或直角形等。为了保证高能弹性波输出足够冲击强度的能量，各激励器40的声波频率要大于0.1KHz，各激励器40的声波功率要大于0.1W。

本申请所提供的一种阵列式高能弹性波消减及均化构件残余应力方法，包括以下步骤：

步骤S1，将经过残余应力大小及分布预先检测的待调控构件安放于操作平台上；

步骤S4，将与所述待调控构件的对应调控区域对应的所述激励器的发射端耦合连接于与之对应的所述激励楔块的连接部上；

步骤S6，将所述多通道激励控制模块、所述多通道信号功率放大器及各所述激励器通电启动；

通过上述方法可实现对结构较复杂、应力分布较复杂、残余应力较大的待调控构件的整体的残余应力的消减及均化，尤其针对经过焊接和铣削等加工工艺处理，使其表面及内部引入过较多的残余应力的构件来说，消减及均化效果尤为显著，也同时很好的实现了在调控过程中对待调控构件的整体变形的控制，使其不易变形，尤其对于较易变形的铝合金材质的待调控构件来说，有明显的控制变形效果。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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