一種低電壓大電流超聲沖擊裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低電壓大電流超聲沖擊裝置，包括在殼體內(nèi)依次設置有施力裝置、壓電陶瓷換能器、與壓電陶瓷換能器連接頂端帶有工作頭的變幅桿，所述壓電陶瓷換能器的陶瓷片片數(shù)選用14-30偶數(shù)片，厚度選用0.5-3mm，為全波長和半波長兩種形式。本發(fā)明的有益效果是：能夠有效改變現(xiàn)有壓電式超聲表面加工裝置大電壓低電流的不穩(wěn)定和極不安全的工作方式，在顯著降低其負載阻抗并加大其諧振帶寬、改善頻率跟蹤條件、提高有效功率輸出的同時，大幅降低裝置的工作電壓，從而保障操作安全，同時適用處理較高強度材質(zhì)的結構件。另外，換能器散熱條件的改善也可以使負載阻抗降低，同時延長換能器的使用壽命。
【專利說明】一種低電壓大電流超聲沖擊裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機械結構疲勞性能改善【技術領域】，特別是涉及一種低電壓大電流超聲沖擊裝置。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)階段國內(nèi)外主要采用TIG熔修、錘擊和噴丸等方法來提高機械部件和結構的疲勞性能，但這些方法勞動強度大、能耗高而且會產(chǎn)生負面影響。超聲沖擊以其執(zhí)行機構輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、應用時受限少，成本低而且節(jié)能等優(yōu)點，適用于各種接頭，是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的方法。半波長超聲沖擊法的提出，解決了如管道內(nèi)壁等狹小空間或特殊位置的處理問題，使超聲沖擊法的適用性更強。隨著超聲沖擊方法的不斷使用，對其性能的改進提出了新的要求。
[0003]現(xiàn)有的全波長和半波長兩種設計方式的壓電式超聲沖擊裝置均屬于大電壓低電流的工作方式，瞬間失諧電壓可達上千伏，極不安全，尤其是在水下環(huán)境沖擊作業(yè)時，對操作人員的人身安全造成極大威脅。同時處于該種工作方式的負載阻抗一般比較大，諧振頻帶相對較窄，頻率跟蹤條件極為苛刻，致使系統(tǒng)無法始終工作在最佳諧振狀態(tài)，從而大大降低了有效功率的輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于改變現(xiàn)有壓電式超聲沖擊裝置大電壓低電流的不穩(wěn)定和極不安全的工作方式，提出一種低電壓大電流壓電式超 聲沖擊裝置。
[0005]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種低電壓大電流超聲沖擊裝置，包括:殼體，在殼體內(nèi)依次設置有施力裝置，壓電陶瓷換能器，在壓電陶瓷換能器上連接頂端帶有沖擊頭的變幅桿，所述壓電陶瓷換能器的陶瓷片片數(shù)選用14-30偶數(shù)片，厚度選用 0.5_3mm。
[0006]所述超聲沖擊裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿的全波長形式和1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿的半波長形式。
[0007]所述施力裝置為風冷裝置。
[0008]所述變幅桿的軸向截面呈階梯、錐臺或其組合。
[0009]所述沖擊頭為沖擊針式或滾動式，所述沖擊頭形狀有平頭針、半球頭或半橢球頭針、球體、橢球體、卵球體、柱體或相應陣列。
[0010]所述超聲沖擊裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為3mm，所述沖擊頭為沖擊針陣列、沖擊單針、球體滾動、柱體滾動或其相應陣列工作頭。
[0011]所述超聲沖擊裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為1.5mm，所述沖擊頭為沖擊針陣列、沖擊單針、球體滾動、柱體滾動或其相應陣列工作頭。[0012]所述超聲沖擊裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為30片、厚度為0.75mm，所述沖擊頭為滾動球體、滾動柱體或二者相應陣列的加工頭。
[0013]所述超聲沖擊裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為20片、厚度為2_，所述沖擊頭為半球頭沖擊針陣列工作頭。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用全波長或半波長低電壓大電流壓電式超聲沖擊裝置對工件進行超生沖擊，能夠有效改變現(xiàn)有壓電式超聲沖擊裝置大電壓低電流的不穩(wěn)定和極不安全的工作方式，在顯著降低其負載阻抗并加大其諧振帶寬、改善頻率跟蹤條件，提高有效功率輸出的同時，大幅降低裝置的工作電壓，從而保障操作安全。另外，換能器散熱條件的改善也可以使負載阻抗降低，同時延長換能器的使用壽命。階梯一錐臺一階梯型全波長或半波長低電壓大電流壓電式超聲沖擊方法能夠有效提高輸出功率，可用來處理較高強度材質(zhì)的結構件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明低電壓大電流壓電式全波長超聲沖擊裝置示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明的滾動工作頭及陣列示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明階梯-錐臺-階梯型的低電壓大電流壓電式半波長超聲沖擊裝置示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明階梯-錐臺-階梯型的低電壓大電流壓電式全波長超聲沖擊裝置處理T型接頭焊趾示意圖；
[0019]圖5是本發(fā)明低電壓大電流壓電式半波長超聲沖擊處理管道內(nèi)壁焊縫示意圖。
[0020]圖中:I為風冷裝置，2為半波長壓電陶瓷換能器，3為半波長變幅桿，4為沖擊針陣列，5為平頭沖擊針,6為平頭沖擊針陣列,7為半球頭或半橢球頭沖擊針,8為半球頭或半橢球頭沖擊針陣列，9為球體沖擊頭，10為球體沖擊頭陣列，11為橢球體沖擊頭，12為橢球體沖擊頭陣列，13為卵球體沖擊頭，14為卵球體沖擊頭陣列，15為柱體沖擊頭，16為柱體沖擊頭陣列，17為風冷裝置，18為1/4波長壓電陶瓷換能器，19為1/4波長變幅桿，20為沖擊針陣列，21為風冷裝置，22為半波長階梯-錐臺-階梯型壓電陶瓷換能器，23為半波長變幅桿，24為半球頭沖擊針陣列，25為被加工T型接頭，26為風冷裝置，27為1/4波長壓電陶瓷換能器，28為1/4波長變幅桿，29為滾動球體加工頭，30為被加工管壁焊縫。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明:
[0022]A、沖擊裝置
[0023]如圖1所示一種低電壓大電流壓電式全波長超聲沖擊裝置，包括在殼體內(nèi)設置有施力裝置1、半波長壓電陶瓷換能器2、一端連接在所述壓電陶瓷換能器2上的半波長變幅桿3、在半波長變幅桿3另一端設有的工作頭4，所述施力裝置I為風冷裝置，所述沖擊頭4為如圖2所示的沖擊針陣列，或可更換為沖擊單針、球體、柱體或其相應陣列工作頭,所述半波長壓電陶瓷換能器2的片數(shù)為14片，厚度為3_。
[0024]對于壓電式換能器，是本發(fā)明實現(xiàn)低電壓大電流超聲技術部分，改變了現(xiàn)有技術的壓電陶瓷片的個數(shù)的普遍選用值，現(xiàn)有技術中陶瓷片一般選擇4一6片，本發(fā)明在大量的實驗中發(fā)現(xiàn)，當壓電陶瓷片的個數(shù)增加為原來的η倍，負載阻抗降低為原來的1/η2，相同電流情況下，輸出的振幅變?yōu)樵瓉淼腎/η ;壓電陶瓷片的厚度減少為原來的1/η，負載阻抗降低為原來的1/η2，相同電流情況下，輸出的振幅變?yōu)樵瓉淼腎/η。因此，通過增加壓電陶瓷片的個數(shù)和減少陶瓷片的厚度可以有效降低負載阻抗，改善系統(tǒng)頻率跟蹤的條件，大幅提高有效功率的輸出，從而在獲得相同輸出功率的前提下顯著降低輸出電壓，甚至可以達到諧振電壓僅為幾個伏特的超低電壓工作方式。由于整個系統(tǒng)的功率并不改變，電流的可調(diào)節(jié)范圍將會大大增加。
[0025]另外，該種方法在不改變晶堆總體直徑和厚度的同時，加大了銅極的面積，因此有利于換能器散熱，防止其因散熱不良而造成的阻抗上升和換能器老化。
[0026]晶堆一般選用14?30片壓電陶瓷片，陶瓷片數(shù)量為偶數(shù)，單片厚度一般為0.5?3mm。該種工作方式下，系統(tǒng)瞬間失諧的峰值電壓不超過90伏，大大提高了操作安全系數(shù)，輸出功率50?450W連續(xù)可調(diào)，電流最大可調(diào)節(jié)至100A。由于單位電流值所提供的振幅同比例下降，為了獲得相同的振幅，必須同比例地增大電流，因此，該超聲沖擊機構工作在低電壓大電流的狀態(tài)。
[0027]本發(fā)明超聲沖擊機構采用半數(shù)字或全數(shù)字化超聲波發(fā)生器作為加工電源，其作用是將工頻交流電轉換為超聲頻振蕩，以供給工作頭能量；采用半波長或1/4波長壓電換能器，其作用是將高頻電振蕩信號轉換成機械振動；半波長 或1/4波長變幅桿的作用是放大換能器所獲得的超聲振動振幅，以滿足超聲加工的需要；可滾動的球體或柱體工作頭被設計為不同材質(zhì)和一系列不同的直徑以及相應的陣列，如圖2所示，圖中5為平頭沖擊針，6為平頭沖擊針陣列，7為半球頭或半橢球頭沖擊針，8為半球頭或半橢球頭沖擊針陣列,9為球體沖擊頭，10為球體沖擊頭陣列，11為橢球體沖擊頭，12為橢球體沖擊頭陣列，13為卵球體沖擊頭，14為卵球體沖擊頭陣列，15為柱體沖擊頭，16為柱體沖擊頭陣列，應根據(jù)待加工試件軟硬程度、加工部位尺寸、表面質(zhì)量要求以及生產(chǎn)效率等因素進行選擇。此外，在執(zhí)行機構的底部可用彈簧或壓縮空氣為加工過程提高靜壓力，壓縮空氣還能起到冷卻裝置的作用。
[0028]本發(fā)明沖擊裝置還有除圖1中所示的標準全波長的執(zhí)行機構外多種實施方式，如圖3所示階梯-錐臺-階梯型的低電壓大電流壓電式半波長超聲沖擊裝置，包括:1/4波長壓電陶瓷換能器18、1/4波長變幅桿19，回轉半徑小于150_，施力裝置為風冷裝置17，工作頭20為沖擊針陣列,可更換為沖擊單針、球體或柱體滾動工作頭或其相應陣列,所述1/4波長壓電陶瓷換能器18的陶瓷片數(shù)為14片、厚度為1.5mm，所述1/4波長變幅桿階梯-錐臺-階梯型。
[0029]單一形狀變幅桿存在著放大系數(shù)相對小或形狀因數(shù)小等缺點，而單一的階梯型變幅桿由于界面存在突變會引起應力集中，使用時自身也會產(chǎn)生疲勞等一系列問題，因此，如圖3所示，本發(fā)明設計了半波長或1/4波長階梯一錐臺一階梯過渡型變幅桿，有效的降低了界面突變引起的應力集中現(xiàn)象，同時保證了較大的放大系數(shù)。
[0030]半波長低電壓大電流壓電式超聲沖擊裝置具有重量輕、體積小適應靈活等優(yōu)點，對于管壁、內(nèi)環(huán)槽等的處理更加理想，必要時可改為單手持握式操作。
[0031]圖4是低電壓大電流壓電式全波長超聲沖擊處理T型接頭焊趾示意圖，25為待加工的T型接頭試件，圖中給出了被加工T型接頭試件的圖示，21為風冷裝置，22為低電壓大電流半波長壓電陶瓷換能器，23為半波長階梯-錐臺-階梯型變幅桿，24為半球頭沖擊針陣列，所述半波長壓電陶瓷換能器的陶瓷片數(shù)為20片、厚度為2_，所述半波長變幅桿為階梯-錐臺-階梯型。
[0032]圖5是低電壓大電流壓電式半波長超聲沖擊處理管道內(nèi)壁焊縫示意圖，26為風冷裝置，27為低電壓大電流1/4波長壓電陶瓷換能器，28為1/4波長變幅桿，29為滾動球體加工頭，可替換為滾動柱體加工頭或二者相應的陣列，30為被加工管壁焊縫所述1/4波長壓電陶瓷換能器的陶瓷片為30片、厚度為0.75mm。
[0033]B、加工方法
[0034]使用全波長或半波長低電壓大電流壓電式超聲沖擊方法應根據(jù)待加工材料的形狀尺寸、材質(zhì)、表面質(zhì)量要求以及生產(chǎn)效率等因素來綜合選擇相應的工藝參數(shù)。
[0035]對于鋼材或鈦合金以及鑄鐵、鎳基高溫合金等較硬材料，超聲沖擊應選用直徑相對較小的滾動工作頭或其陣列或沖擊針陣列，直徑一般在I?IOmm的范圍內(nèi)。加工頭材質(zhì)一般應為硬質(zhì)合金，如果希望獲得更好的效果可以使用硬 度更高的材料，如各種陶瓷，包括金屬化陶瓷，金鋼石，非晶態(tài)合金等。對于強度級別更高的材料，可選用階梯-錐度-階梯型變幅桿相配合，以達到更大的有效輸出功率和滿意的沖擊效果。
[0036]對于鋁、銅合金、鎂合金等較軟材料，超聲沖擊應選用直徑相對較大的單針沖擊或球體、柱體工作頭，沖擊頭直徑一般在10?30mm的范圍內(nèi)。加工頭材質(zhì)一般應為工具鋼或硬質(zhì)合金。該種方法可以使表面過渡平滑，較小的沖擊力不至于對材料造成損傷。
[0037]單針沖擊或單一滾動沖擊頭可用于較大尺寸過渡的工件，如對接接頭等；而對于較小尺寸過渡的工件，如T型、十字接頭等則應選擇沖擊針或頭陣列。
[0038]對于狹小空間或特殊位置，如管道內(nèi)壁焊縫或箱體內(nèi)焊縫等，可選用半波長系列超聲沖擊方法。同樣，可根據(jù)具體情況選用合適的沖擊頭及階梯-錐度-階梯型變幅桿。
[0039]實施例1
[0040]鈦合金T型接頭，用低電壓大電流全波長階梯-錐臺-階梯型超聲沖擊方法對其內(nèi)焊趾進行處理，如圖4所示。
[0041]實驗結果:處理后，工件焊趾光滑過渡，處理位置粗糙度Ra為0.46 ;處理后樣品硬度明顯增大，與顯微組織未發(fā)生變化的心部相比，表面硬度提高約1.6倍；工件表面形成了635MPa的殘余壓縮應力。疲勞強度提高了 56%。
[0042]實施例2
[0043]壁厚為30mm的16Mn管道，用低電壓大電流半波長超聲沖擊方法對其進行表面處理，如圖5所示。
[0044]實驗結果:處理后，工件焊趾光滑過渡，處理位置粗糙度Ra為0.34 ;表面硬度提高約1.7倍；工件表面形成了 746MPa的殘余壓縮應力。疲勞強度提高了 91%。
【權利要求】
1.一種低電壓大電流超聲沖擊裝置，包括:殼體，在殼體內(nèi)依次設置有施力裝置，壓電陶瓷換能器，在壓電陶瓷換能器上連接頂端帶有沖擊頭的變幅桿，其特征是:所述壓電陶瓷換能器的陶瓷片片數(shù)選用14-30偶數(shù)片，厚度選用0.5-3_。
2.根據(jù)權利要求1所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述超聲沖擊裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿的全波長形式和1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿的半波長形式。
3.根據(jù)權利要求1所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述施力裝置為風冷裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述變幅桿的軸向截面呈階梯、錐臺或其組合。
5.根據(jù)權利要求1所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述沖擊頭為沖擊針式或滾動式，所述沖擊頭形狀有平頭針、半球頭或半橢球頭針、球體、橢球體、卵球體、柱體或相應陣列。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述超聲沖擊裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為3mm,所述沖擊頭為沖擊針陣列、沖擊單針、球體滾動、柱體滾動或其相應陣列工作頭。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述超聲沖擊裝置包括1/4波長壓電陶瓷換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為14片、厚度為1.5mm，所述沖擊頭為沖擊針陣列、沖擊單針、球體滾動、柱體滾動或其相應陣列工作頭。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述超聲沖擊裝置包括1/4波長壓電陶瓷 換能器加1/4波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為30片、厚度為0.75mm，所述沖擊頭為滾動球體、滾動柱體或二者相應陣列的加工頭。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的低電壓大電流超聲沖擊裝置，其特征是:所述超聲沖擊裝置包括半波長壓電陶瓷換能器加半波長變幅桿，所述壓電陶瓷換能器片數(shù)為20片、厚度為2mm，所述沖擊頭為半球頭沖擊針陣列工作頭。
【文檔編號】C21D10/00GK103436685SQ201310307639
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月22日 優(yōu)先權日:2013年7月22日
【發(fā)明者】王東坡, 王穎, 王婷, 吳良晨, 尹丹青, 鄧彩艷 申請人:天津大學