[发明专利]一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法

说明书

一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法，将表面和内部分布有残余应力的复杂金属和非金属机械构件放置于具有高能声束的液态流体介质或软介质中，利用由高能超声换能器阵列产生的高能声束向复杂结构构件表面和内部辐射，通过聚焦扫查方式使构件内的高能弹性波在残余应力集中区域施加的交变动应力与残余应力叠加，当总应力大于材料的屈服极限时，构件将产生塑性变形，最终使构件内部的残余应力得以消减和均化。

技术领域

本发明涉及材料性能研究技术领域，特别是指一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法。

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，应该特别重视工件在机械加工、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。为保证能对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构件内部的残余应力进行消减。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于复杂构件残余应力消减和均化的装置及方法，以能对复杂结构构件内部的残余应力进行消减。

本发明提供的用于复杂构件残余应力消减和均化的装置，其特征在于，包括：容器，其内具有液态介质；使所述构件悬置于该液态介质中的部件；多个固定设置于容器的容器壁及容器底部的高能超声换能器，所述高能超声换能器可向容器内部发出超声波；控制装置，通过发出控制信号控制所述高能超声换能器发出的所述超声波聚焦形成高能声束。

由上，高能声束向复杂构件表面和内部辐射，使构件内产生的高能弹性波在残余应力集中区域施加的交变动应力与残余应力叠加，当总应力大于材料的屈服极限时，复杂构件将产生塑性变形，最终使复杂构件内部的残余应力得以消减和均化。

进一步地，上述多个高能超声换能器呈阵列排布，容器壁及容器底部的高能超声换能器共同形成三维空间声束阵列。

由上，可以使控制装置控制多个高能超声换能器产生的超声波聚焦形成高能声束更为容易。

进一步地，还包括可以对液态介质进行加热的加热装置。

由上，将液态介质加热到一定的温度后，可以减小超声波的能量传递损失，提高复杂构件残余应力消减和均化效率。

进一步地，所述容器为密闭压力容器，还包括可以对容器内进行加压的增压泵。

由上，可以对液态介质进行增压，从而可以减小超声波的能量传递损失，提高复杂构件残余应力消减和均化效率。

进一步地，所述控制信号可以控制聚焦位置的移动，可以控制聚焦能量的大小和方向。

由上，可以使高能声束对不同材料的复杂构件的不同位置的不同大小的残余应力进行聚焦扫查，从而实现对残余应力的消减和均化。

进一步地，基于上述装置的用于复杂构件残余应力消减和均化的方法，包括以下步骤：