CN115058585A - 复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法，通过设置内部装有液态介质的容器，在所述容器的侧壁上安装超声换能装置，该超声换能装置的朝向容器内的一端固定有浸没于所述液态介质中的变幅杆；所述方法包括：通过机械手夹持所述复杂曲面构件，将复杂曲面构件的待调控部位浸没于所述容器内的液态介质中，并通过控制机械手使所述待调控部位与所述变幅杆保持在设定距离范围内；根据所述待调控部位的残余应力值的大小，通过所述超声换能装置产生高强度超声波，并通过所述变幅杆发送到所述待调控部位，对待调控部位的残余应力进行消减和均化。

Description

复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法

技术领域

本申请涉及材料性能研究技术领域，特别涉及一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法。

背景技术

对于结构复杂且具有高精度的加工工艺要求构件来说，应该特别重视构件在机械加工、铸造、焊接、冷加工、热处理等过程中均会在其表面和内部产生的应力。如果构件的表面和内部残余应力控制不当，会在后期使用过程中因应力的释放而变形甚至开裂，从而影响构件的精度和正常使用。因此，应力的控制也是复杂高精度构件制造和服役过程中非常重要的一环。常见应力消减方法有自然时效方法、振动时效方法、热时效方法(热处理)、超声冲击法(豪克能时效方法)，以及接触式高能声束法等。

自然时效方法简单但耗时太长，效率不高。振动时效通过激振器使构件产生共振使材料内部的应力得以松弛和减轻，但这种方法不适用于复杂结构和薄壁的构件。由于构件形状不一，该方法对操作人员的技术水平要求高，工艺参数设置复杂，如果激振点和参数设置不当，反而会因异常共振模式导致对构件形成周期疲劳作用甚至损坏。热时效，即退火热处理在升温、保温和降温过程中如果工艺参数选择不当，往往达不到消减应力的效果，甚至反而会增加应力变形。超声冲击方法会对构件表面造成损伤，且不适合作用于表面轮廓复杂薄壁的构件。接触式高能声束调控法同样不适合复杂轮廓的构件，需要设计专用的声楔块以耦合，制作成本高。为保证能复杂结构的薄壁和弱刚度构件进行应力消减以提高构件的稳定性和精度，需要找到一种有效的方式对复杂曲面构件的残余应力进行消减。

发明内容

有鉴于此，本申请提出一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法，利用超声波在液体中的空化效应，通过超声波在液态介质中产生的超声空化冲击对复杂曲面构件的待调控部位的残余应力进行消减和匀化，以提高复杂曲面构件的精度和稳定性。

为实现上述目的，本申请提供了一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法，通过设置内部装有液态介质的容器，在所述容器的侧壁上安装超声换能装置，该超声换能装置的朝向容器内的一端固定有浸没于所述液态介质中的变幅杆；所述方法包括：

通过机械手夹持所述复杂曲面构件，将复杂曲面构件的待调控部位浸没于所述容器内的液态介质中，并通过控制机械手使所述待调控部位与所述变幅杆保持在设定距离范围内；

根据所述待调控部位的残余应力值的大小，通过所述超声换能装置产生高强度超声波，并通过所述变幅杆发送到所述待调控部位，对待调控部位的残余应力进行消减和均化。

由上，本方法通过设置装有液态介质的容器，并在该容器侧壁安装超声换能装置，以用于向液态介质中发送高强度超声波，通过机械手将复杂曲面构件的待调控部位浸没于液态介质中，利用超声波在液态介质中的空化效应，通过超声空化冲击对复杂曲面构件的待调控部位进行辐射，实现残余应力集中区域施加的交变动应力与残余应力叠加，最终完成复杂曲面构件整体或者指定位置残余应力的超声空化冲击消减和均化，从而提高复杂曲面构件的精度和稳定性。

可选的，还包括：

根据复杂曲面构件的三维模型制定机械手扫查轨迹；

根据所述机械手扫查轨迹，通过所述机械手夹持所述复杂曲面构件，依次将复杂曲面构件的待调控部位浸没于液态介质中，并与所述变幅杆保持在设定距离范围内；

根据待调控部位的残余应力值的大小，通过调整所述高强度超声波，依次对待调控部位的残余应力进行消减和均化。

由上，根据复杂曲面构件三维模型制定机械手扫查轨迹，采用机械手夹持待调控构件，通过对机械手的精确控制，实现对待调控构件位置的精确调整，保证残余应力超声空化冲击消减及均化的过程精度与准确性。

可选的，所述对待调控部位的残余应力进行消减和均化包括：

通过所述高强度超声波在所述液态介质中产生的超声空化冲击，对待调控部位表面的残余应力进行消减和均化。

由上，利用高强度超声波在液体中的空化效应，能够通过高强度超声波在液态介质中产生的超声空化冲击对复杂曲面构件的待调控部位表面的残余应力进行消减和匀化。

可选的，还包括：

通过调整所述高强度超声波的频率，以所述液态介质作为耦合介质将所述高强度超声波发送到所述待调控部位，对待调控部位内部的残余应力进行消减和均化。

由上，通过调整高强度超声波的频率，使其变为其他高频谐振频率，在该频率下，超声波在水中不能产生空化效应，而是产生了高能声束，然后以液态介质作为耦合介质，将高能声束传输到待调控部位，也可实现对待调控部位内部的残余应力的消减和均化。

可选的，所述超声换能装置包括：

用于激发出弹性波的压电材料器件及其连接的电声换能器、磁致弹性波器件及其连接的磁声换能器或光致弹性波器件及其连接的光声换能器。

可选的，所述液态介质包括下述任意一种：

水、油、水油混合液、包含添加剂的水油混合液、半固态流动介质和胶态流动介质。

可选的，所述设定距离范围为0.5mm至1mm。

由上，变幅杆的前端与构件表面的垂直距离要保持在0.5mm至1mm左右，才能产生空化效应。

可选的，所述变幅杆的前端为凹球面或凹柱面，以用于对所述高强度超声波进行聚焦。

由上，变幅杆的前端可以设计成凹球面点聚焦的形式，也可以设计成凹柱面的线聚焦形式，借助机械手，调整超声波的入射位置和入射方向，可以实现声束聚焦点在曲面构件内部的几乎任意位置。

可选的，所述超声换能装置与所述容器的侧壁的连接处设有密封介质。

由上，在超声换能装置与所述容器的侧壁的连接处设有密封介质，防止液态介质从容器的侧壁流出。

可选的，所述液态介质的温度保持为25度。

由上，对复杂曲面构件进行残余应力调控时，液态介质的温度应保持为室温25度左右，以避免构件表面质量损失，或者降低损失的速率。

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复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化装置的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法的流程图。

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

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本申请实施例提供了一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法，利用超声空化效应以及高能声束，在机械手辅助的情况下，来实现对复杂曲面构件的残余应力进行消减和均化。根据复杂曲面构件三维模型制定机械手扫查轨迹，由机械手夹持复杂曲面构件在液态介质或软介质中，利用高能超声换能器产生的冲击波、微射流或高能声束向复杂曲面构件的指定位置表面和内部辐射，实现残余应力集中区域施加的交变动应力与残余应力叠加，最终完成复杂曲面构件整体或者指定位置残余应力的超声空化冲击消减和均化。

如图1所示，本申请实施例提供了一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化装置，以用于执行本申请实施例提供的复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法。参照图1，本实施例提供的装置包括：容器100、液态介质101、超声换能装置200、变幅杆201、机械手300；

其中，容器100可以为方槽容器，其内部具有液态介质101，机械手300用于夹持复杂曲面构件400悬置于液态介质101中，超声波换能装置200固定设置于容器100侧壁，其一端连接有浸没在液态介质101中的变幅杆201，通过控制超声波换能装置200将输入的电功率转换为机械功率(超声波)，并通过与其相连的变幅杆201把机械振动的质点位移放大，并将超声能量聚集在较小的面积上实现聚能。

在一些实施例中，上述超声波换能装置200可以采用能够激发出弹性波的压电材料器件及其连接的电声换能器、磁致弹性波器件及其连接的磁声换能器或光致弹性波器件及其连接的光声换能器，从而产生高强度超声波，该高强度超声波与普通强度的超声波相比，具有更高的声强，能够增大空化气泡所能达到的最大半径体积，从而可以获得更大幅度的冲击波和微激波，可以使在待调控构件表面产生的应力响应具有更高的强度，从而达到提高消减及均化能力的目的。变幅杆201材料为高强度高硬度的金属材料，如钛合金，其前端可以设计成凹球面点聚焦的形式，也可以设计成凹柱面的线聚焦形式，借助机械手，调整超声波的入射位置和入射方向，可以实现声束聚焦点在曲面构件内部的几乎任意位置。通过本实施例的变幅杆201，可以扩大发射超声波的面积，快速扩展超声波的能量，由此可以增大在同一时间内由变幅杆输出的超声波的能量，更高效地完成残余应力的消减及均化工作。

在一些实施例中，上述机械手300可以是六自由度机械手，在对复杂曲面构件进行残余应力调控前，可以根据复杂曲面构件的三维模型制定机械手扫查轨迹，通过该六自由度机械手夹持复杂曲面构件，并将该复杂曲面构件的待调控部位浸入液态介质中，通过控制超声波换能装置及变幅杆，向液态介质中发送超声波，且变幅杆的超声波发射口朝向复杂曲面构件的待调控部位，其目的是使超声波有方向性的直接射在变幅杆端面与待调控部位之间的液体区域内。本实施例通过对机械手位姿的控制来实现对复杂曲面构件的待调控部位的调整，以此来保证当复杂曲面构件的待调控部位发生变化时，能通过对机械手的控制，保证变幅杆输出端能够朝向待调控部位，且与待调控部位表面保持在设定距离范围内。在一些实施例中，还可以采用两个机械手或者多个机械手协同工作的方式，对复杂曲面构件的两侧或者多侧同时进行调控。

在一些实施例中，上述液态介质101可以是水、油、水油混合液、包含添加剂的水油混合液、半固态流动介质和胶态流动介质。在对复杂曲面构件进行残余应力调控时，液态介质的温度应保持为室温25度左右，以避免构件表面质量损失，或者降低损失的速率。

下面参照如图2所示的一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法的流程图，对上述复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化装置的工作原理进行详细描述。参照图1，该方法包括：

S101：检测并记录复杂曲面构件的待调控部位的残余应力值；

通过对复杂曲面构件的待调控部位的残余应力值进行检测，根据该残余应力值的大小调整后续步骤中高强度超声波的频率。

S102：根据复杂曲面构件的三维模型制定机械手扫查轨迹；

在对复杂曲面构件进行残余应力调控前，可以根据复杂曲面构件的三维模型制定机械手扫查轨迹，利用机械手夹持复杂曲面构件按照该制定的扫查轨迹，将复杂曲面构件的各个待调控部位依次浸入液态介质中，并通过超声换能装置发送的高强度超声波对各个待调控部位依次进行残余应力的调控。

S103：由机械手夹持复杂曲面构件，并使待调控部位浸没于液态介质中；

根据上述制定的机械手扫查轨迹，通过机械手夹持复杂曲面构件，按照扫查轨迹，将待调控部位浸没于液态介质中，并通过控制机械手使得复杂曲面构件的待调控部位与变幅杆的前端的垂直距离保持在0.5mm至1mm左右，这样才能产生空化效应。并且，通过控制复杂曲面构件的待调控部位与变幅杆的前端的垂直距离保持在0.5mm至1mm范围内，可以使空化气泡均匀稳定地在待调控部位的表面破灭，这样可以最有效、最大程度的利用空化气泡破灭释放出的微激波和冲击波，以最有效地消减及均化构件表面的残余应力。

S104：开启超声波换能器及变幅杆，根据待调控部位的残余应力值的大小，预计调控时间；

通过开启固定于容器侧壁上的超声波换能装置，以及开启浸没于液态介质中并朝向待调控部位设置的变幅杆，然后根据步骤S101检测得到的待调控部位的残余应力值的大小，预计调控时间，控制超声波换能装置产生高强度超声波，并发送到待调控部位。根据复杂曲面构件的待调控部位的残余应力值大小设定预估的调控时间，保证该调控时间尽量准确，对复杂曲面构件进行残余应力调控时，调控时间不能过长，对于强度和硬度较低的构件，每个点位调控时间不超过30秒，对于强度和硬度较高的构件，每个点位调控时间不超过15分钟。

在本实施例中，超声波换能装置产生的高强度超声波的工作频率控制在15～30kHz范围内，利用超声波在液体中的空化现象，向液态介质中发送高强度超声波，通过高强度超声波实现对液态介质的驱动，使容器中的液态介质的内部能够产生微小的气泡以及泡核，这些微小的气泡和泡核在超声波的作用下产生振荡、生长、扩张、收缩、溃灭的过程即为超声空化的具体表现，在超声空化过程中，这些空化气泡在迅速闭合破灭时会产生微激波，微激波使局部会具有很大的压强，并最终作用于复杂曲面构件的待调控部位。除微基波外，在空化气泡溃灭收缩至最小尺寸并开始反弹时，还会产生冲击波，与微激波相比，冲击波具有更大的压强，其同样最终作用于复杂曲面构件的待调控部位。通过微激波与冲击波形成的强大压力场，共同作用于复杂曲面构件的待调控部位，与待调控部位的残余应力叠加，当叠加的应力达到或超过待调控构件的屈服极限时，复杂曲面构件的待调控部位表面将发生微观的塑性变形，从而使待调控部位表面的残余应力得以消减和均化。由于微激波、冲击波产生的压力场的强度(一般在三四十兆帕左右)远小于接触式高能声束调控法，因此本实施例提供的这种强度级别的压力场可以保证残余应力得以消减和均化的同时，不损坏薄壁结构构件及弱刚度结构构件，保证其无损性、完整性。

在一些实施例中，还可以通过调整上述高强度超声波的频率，使其变为其他高频谐振频率，在该频率下，超声波在水中不能产生空化效应，而是产生了高能声束，然后以液态介质作为耦合介质，将高能声束传输到待调控部位的内部，也可实现对待调控部位内部的残余应力的消减和均化。

S105：达到预计调控时间后，关闭超声波换能器以及变幅杆，通过控制机械手从容器中取出复杂曲面构件，并对待调控部位进行应力检测；

S106：重复上述步骤，直至应力值不再发生变化为止；

采用上述超声空化冲击和高能声束对复杂曲面构件的待调控部位进行设定调控时间的残余应力调控后，可通过机械手从容器中取出该复杂曲面构件，并对调控后的待调控部位进行应力检测，检测其残余应力是否达到设定阈值，若达到则无需再进行调控，若未达到，则采用上述步骤继续对该待调控部位进行残余应力调控，直至达到设定阈值。

S107：根据制定的机械手扫查轨迹,通过机械手夹持复杂曲面构件，进行下一个待调控部位的调控，直至完成复杂曲面构件的所有待调控部位的调控；

根据上述制定的机械手扫查轨迹，通过对机械手位姿的控制来实现对复杂曲面构件的各个待调控部位的调整，以此来保证当复杂曲面构件的待调控部位发生变化时，能通过对机械手的控制，保证变幅杆输出端能够朝向待调控部位，且与待调控部位表面保持在设定距离范围内。

综上，本申请实施例通过利用超声空化效应产生的冲击波和微射流冲击复杂曲面构件的待调控部位，调控待调控部位表面的残余应力；同时利用高能声束通过水耦方式传入待调控部位内部，调控待调控部位内部的残余应力，从而实现对复杂曲面构件的残余应力的消减和匀化，以提高复杂曲面构件的精度和稳定性。

需要说明的是，本申请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，上述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的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在上述的描述中，所涉及的表示步骤的标号，并不表示一定会按此步骤执行，还可以包括中间的步骤或者由其他的步骤代替，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

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，在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。

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，本发明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发明的保护范围。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，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种复杂曲面构件残余应力超声空化冲击消减和均化方法，其特征在于，通过设置内部装有液态介质的容器，在所述容器的侧壁上安装超声换能装置，该超声换能装置的朝向容器内的一端固定有浸没于所述液态介质中的变幅杆；所述方法包括：

通过机械手夹持所述复杂曲面构件，将复杂曲面构件的待调控部位浸没于所述容器内的液态介质中，并通过控制机械手使所述待调控部位与所述变幅杆保持在设定距离范围内；

根据所述待调控部位的残余应力值的大小，通过所述超声换能装置产生高强度超声波，并通过所述变幅杆发送到所述待调控部位，对待调控部位的残余应力进行消减和均化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据复杂曲面构件的三维模型制定机械手扫查轨迹；

根据所述机械手扫查轨迹，通过所述机械手夹持所述复杂曲面构件，依次将复杂曲面构件的待调控部位浸没于液态介质中，并与所述变幅杆保持在设定距离范围内；

根据待调控部位的残余应力值的大小，通过调整所述高强度超声波，依次对待调控部位的残余应力进行消减和均化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对待调控部位的残余应力进行消减和均化包括：

通过所述高强度超声波在所述液态介质中产生的超声空化冲击，对待调控部位表面的残余应力进行消减和均化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

通过调整所述高强度超声波的频率，以所述液态介质作为耦合介质将所述高强度超声波发送到所述待调控部位，对待调控部位内部的残余应力进行消减和均化。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声换能装置包括下述任意一种：

用于激发出弹性波的压电材料器件及其连接的电声换能器、磁致弹性波器件及其连接的磁声换能器、光致弹性波器件及其连接的光声换能器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态介质包括下述任意一种：

水、油、水油混合液、包含添加剂的水油混合液、半固态流动介质和胶态流动介质。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定距离范围为0.5mm至1mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变幅杆的前端为凹球面或凹柱面，以用于对所述高强度超声波进行聚焦。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声换能装置与所述容器的侧壁的连接处设有密封介质。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态介质的温度保持为25度。

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