超聲波高頻衝擊消除應力系統的製作方法

2023-05-27 18:12:26

專利名稱：超聲波高頻衝擊消除應力系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲衝擊技術領域，尤其涉及一種利用超聲波高頻衝擊消除應力的系統。
背景技術：
超聲衝擊技術是一種高效的消除部件表面或焊縫區有害殘餘拉應力、引進有益壓應力的方法。超聲衝擊是利用大功率的超聲波推動衝擊工具以每秒二萬次以上的頻率衝擊金屬物體表面，由於超聲波的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產生較大的壓塑性變形；同時超聲衝擊波改變了原有的應力場，產生一定數值的壓應力，使超聲衝擊部位得以強化。超聲波驅動電源通過電纜與設置在外殼內的超聲波換能器連接，換能器的振動輸出端部與變幅杆連接，變幅杆端部裝有衝擊針。超聲波驅動電源將市電轉換成高頻高電壓交流電流，輸給超聲波換能器。然後超聲波換能器利用壓電陶瓷的負壓電效應將輸入的電能轉換成機械能，即超聲波，其表現形式是換能器在縱向作往復伸縮運動；伸縮運動的頻率等同於驅動電源的交流電流頻率，伸縮的位移量在十幾微米左右。變幅杆的作用一是將換能器的輸出振幅放大，達到100微米以上，另一方面對衝擊針施加衝擊力，推動衝擊針高速前衝。衝擊頭衝擊工件後，在很短的時間內速度由不小於1.5米/秒減小至O米/秒，能量向焊縫傳遞，以達到消除內應力的作用。衝擊頭受工件的反作用後回彈，碰到高頻振動的變幅杆後，再次受到激發，又一次高速度撞向焊縫，如此反覆多次，完成衝擊作業。目前傳統的超聲波衝擊時效設備，存在著如下問題:(1)當超聲波電源的電壓發生變化時，超聲波電源的輸出功率也會發生變化，這時反映在超聲波換能器上就是機械振動忽大忽小，導致衝擊效果不穩定。因此需要穩定輸出功率，一般通過功率反饋信號相應調整功率放大器，使得功率放大穩定。(2)提供頻率跟蹤信號，當超聲波換能器工作在諧振頻率點時其效率最高，工作最穩定，而超聲波換能器的諧振頻率點會由於裝配原因和工作老化後改變，當然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制超聲波電源信號，使信號超聲 波電源的頻率在一定範圍內跟蹤超聲波換能器的諧振頻率點，讓超聲波電源工作在最佳狀態。(3)無法顯示時效過程的電流時間曲線，其時效處理效果如何判定，以及時效處理的效果無法當場確定，需要專用應力測試設備進行檢測後，才能判斷效果O進一步地，現有的超聲波衝擊時效技術，其採用硬體的方法進行恆流調節與頻率跟蹤，時效處理效果不理想。表現在於:(1)其系統跟蹤頻率為±3.0kHz，頻率波動性大；
(2)其電流穩定性差，需要電阻旋鈕進行微調；(3)其時效處理效果不穩定，而且無電流時間曲線等圖像顯示。

實用新型內容本實用新型的目的在於，提出一種超聲波高頻衝擊消除應力系統，其解決了目前超聲波電源頻率不穩定，功率跟蹤困難且調整複雜等缺點，保障了超聲波時效處理效果，提聞了焊接廣品的質量。為實現上述目的，本實用新型提供了一種超聲波高頻衝擊消除應力系統，其包括:控制箱及衝擊槍，該控制箱內設有與衝擊槍連接設置的換能器，所述控制箱內設有整流逆變模塊、連接整流逆變模塊與換能器的匹配網絡，以及相互電性連接的單片機與數據採集電路；所述單片機一端連接於整流逆變模塊與匹配網絡之間，該單片機另一端與整流逆變模塊電性連接；所述數據採集電路一端還與一工控機電性連接。其中，所述換能器與衝擊槍之間通過電纜連接，該換能器與衝擊槍之間設置有變幅杆。本實用新型中，所述整流逆變模塊內包括有依次電性連接的整流濾波電路、DC/DC轉換器、全橋逆變電路及高頻變壓器，該整流濾波電路一端與市電相連接，高頻變壓器一端與匹配網絡相連接。再者，所述高頻變壓器與匹配網絡之間通過一信號採集電路與單片機電性連接。具體的，所述信號採集電路內設有相互電性連接的霍爾傳感器及A/D轉換電路，該A/D轉換電路一端與單片機電性連接。更進一步地，所述單片機內包括有依次電性連接的功率跟蹤電路、功率控制電路、D/A轉換電路及壓控振蕩器，該A/D轉換電路與功率跟蹤電路電性連接。此外，所述單片機通過一第一驅動電路與DC/DC轉換器電性連接，該單片機還通過一第二驅動電路與全橋逆變電路電性連接。具體的，所述數據採集電路可以採用型號為PCI7901的32通道模擬信號採集卡。本實用新型中，所 述工控機可以採用intel雙核E2210CPU，該工控機還採用15寸的真彩色液晶屏；此外，所述工控機還連接有一印表機。本實用新型的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其採用工控機技術，通過軟體與硬體相結合的方法，實現了超聲波電源的智能化，解決了目前超聲波電源頻率不穩定，功率跟蹤困難且調整複雜等缺點，保障了超聲波時效處理效果，提高了焊接產品質量；此外，其解決了現有技術無法立即判別超聲波衝擊時效的應力消除效果的問題，可為焊接產品提供產品時效檢驗的依據，即在諧振頻率f穩定的情況下，若電流i與時間t曲線(i—t)變平，則可認為達到已時效處理段的超聲波衝擊時效效果。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本實用新型超聲波聞頻衝擊消除應力系統一種具體實施例的|旲塊結構不意圖；圖2為本實用新型中控制頻率自動跟蹤的流程圖；圖3為本實用新型的超聲波聞頻衝擊消除應力系統的時效效果圖。
具體實施方式
[0020]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。如圖1所示，本實用新型提供一種超聲波高頻衝擊消除應力系統，其包括:控制箱及衝擊槍(未圖示)，該控制箱內設有與衝擊槍連接設置的換能器10，所述控制箱內設有整流逆變模塊20、連接整流逆變模塊20與換能器10的匹配網絡30，以及相互電性連接的單片機40與數據採集電路50 ;所述單片機40 —端連接於整流逆變模塊20與匹配網絡30之間，該單片機40另一端與整流逆變模塊20電性連接；所述數據採集電路50 —端還與一工控機60電性連接。本實用新型採用工控機技 術，實現了超聲波電源的智能化，其可以使金屬焊縫的表面層內的殘餘拉伸應力變為壓應力，從而大幅提高金屬結構的疲勞壽命。其中，所述換能器10與衝擊槍之間通過電纜連接，該換能器10與衝擊槍之間設置有變幅杆(未圖示)。該換能器10用於將輸入的電能轉換成機械能，即超聲波，其表現形式是換能器10在縱向作往復伸縮運動。該伸縮運動的頻率等同於驅動電源的交流電流頻率，伸縮的位移量在十幾微米左右。變幅杆的作用一是將換能器10的輸出振幅放大，達到100微米以上，另一方面對衝擊槍施加衝擊力，推動衝擊槍高速前衝。衝擊槍衝擊工件後，能量向焊縫傳遞，以達到消除內應力的作用。本實用新型採用的超聲波高頻衝擊就是利用大功率的超聲波，推動衝擊工具，對衝擊槍施加衝擊力，沿焊縫方向高速衝擊焊縫的焊趾部位，衝擊槍受工件的反作用後回彈，碰到高頻振動的變幅杆後，再次受到激發，又一次高速度撞向焊縫，如此反覆多次，推動衝擊槍以每秒二萬次以上的頻率，完成衝擊金屬物體表面的作業。衝擊槍衝擊工件後，能量向焊縫傳遞，使之產生較大的壓縮塑性變形，使焊趾處產生圓滑的幾何過渡，從而大大降低了焊趾處餘高和凹坑造成的應力集中，消除了焊趾處表層的微小裂紋和熔渣缺陷，抑制了裂紋的提前萌生；同時調整了焊接殘餘應力場，消除其焊接拉應力，在焊趾附近產生一定數值的殘餘壓應力，並使焊趾部位材料得以強化，以達到消除內應力的作用。本實用新型中，所述整流逆變模塊20內包括有依次電性連接的整流濾波電路21、DC/DC轉換器22、全橋逆變電路23及高頻變壓器24，該整流濾波電路21 —端與市電相連接，高頻變壓器24 —端與匹配網絡30相連接。其中，所述整流濾波電路21可以為一二極體不可控整流電路，220V的單相交流電經過該二極體不可控整流電路得到直流電壓。所述全橋逆變電路23用於將50Hz的交流頻率變為40Hz使其處於超聲波頻域段。具體的，該全橋逆變電路23可以採用全橋逆變器作為超聲振動系統的功率轉換主電路，解決了由於負載溫度變化等原因產生諧振頻率的漂移，保證系統的高效率。匹配網絡30主要指為使換能器10輸出額定電功率，進行阻抗變換匹配，以及為使換能器10輸出最高效率進行調諧匹配。由於超聲波電源與換能器10匹配的好壞將決定整個電路的控制效果。本實用新型是通過匹配網絡30使電源向換能器10輸出額定的電功率，這是由於電源需要一個最佳的負載才能輸出額定功率所致，把換能器10的阻抗變換成最佳負載，也即阻抗變換作用。其次，通過匹配網絡30使超聲波電源輸出效率最高，這是由於超聲波換能器10有靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出，使電源輸出效率降低。由此可見與超聲波換能器10匹配的好壞直接影響著超聲波電源的效率，因此，應該對匹配網絡30的每個參量(高頻變壓器匝比K，輸出匹配電感Lf)進行嚴格的計算。再者，所述高頻變壓器24與匹配網絡30之間通過一信號採集電路32與單片機40電性連接。在本實用新型具體實施例中，所述信號採集電路32內設有相互電性連接的霍爾傳感器及A/D轉換電路(未圖示)，該A/D轉換電路一端與單片機40電性連接。進一步地，所述單片機40內包括有依次電性連接的功率跟蹤電路41、功率控制電路42、D/A轉換電路及壓控振蕩器(未圖示)，該A/D轉換電路與功率跟蹤電路41電性連接。所述單片機40通過一第一驅動電路43與DC/DC轉換器22電性連接，該單片機40還通過一第二驅動電路44與全橋逆變電路23電性連接。工作時，信號採集電路32採樣高頻電流信號，其利用霍爾傳感器取得電流有效值信號，經過快速的A/D轉換為數位訊號送入單片機40，單片機40分析電流的有效值信號，通過D/A轉換輸出電壓控制壓控振蕩器的振蕩頻率，通過驅動電路隔離驅動，使全橋逆變電路23的工作頻率隨負載的諧振頻率變化而變化，從而實現自動跟蹤的過程，使換能器10工作於最佳狀態。特別的，本實用新型中的第一驅動電路43與第二驅動電路44均可以採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)驅動模塊；功率跟蹤電路41和功率控制電路42可以採用現有的頻率跟蹤控制電路，通過鎖相法實現頻率跟蹤控制，頻率跟蹤部分出現相位差時，先給頻率賦一個較大步長(m=100)，然後隨著相位差的減小，逐漸減小步長，直到相位差為零。利用該IGBT驅動模塊和智能化的頻率跟蹤控制，不僅增強了設備的穩定性，增加了輸出功率控制系統，且使本實用新型的系統在對不同材質的材料使用上更加合理。如圖2所示，為本實用新型中控制頻率自動跟蹤的流程圖，在本實用新型中，所述頻率自動跟蹤基於變步長頻率跟蹤，該變步長頻率跟蹤是在頻率跟蹤的過程中根據具體情況隨時改變搜索的步距。首先給定相位採樣信號，設兩個參考值L、K(L>K)。先初始化，開中斷，經過A/D轉換後的相位差信號P>L，或P〈K時，說明超聲電源的頻率遠離振子的諧振頻率，採用大步距的調節方式，可以迅速接近振子的諧振頻率；若L>P>K，說明超聲電源的頻率工作在振子的諧振頻率附近，採用小步距的調節方式，可以提高頻率跟蹤的精度，其步距能小至4kHz，可以滿足超聲波要求。具體的，本實用·新型所述的數據採集電路50可以採用型號為PCI7901的32通道高速、高精度的模擬信號採集卡，其可以使測試電流數據更加準確，計算的應力精度大大提聞。再者，本實用新型中的工控機60可以採用intel雙核E2210CPU以提高頻率的分析精度以及數據處理速度，其主頻為2.2GHz，具有IG的金士頓內存條，500G大容量的硬碟。該工控機60內部採用美國國家儀器(NI:National Instruments)公司的LabWindows/CVI軟體開發技術，以軟硬體相結合的方式，實現了頻率自動跟蹤功能及功率控制功能，保障了頻率在時效處理過程中的穩定性，使其時效處理過程中工作電流平穩，提高了頻率控制精度，保障時效處理效果的一致性。本實用新型中的工控機60還可以採用15寸的真彩色液晶屏62作為軟體運行界面，對電流時間曲線及頻率進行顯示，能夠清晰地顯示曲線、圖表和數據。此外，該工控機60還可以連接一印表機64，該印表機可以採用噴墨式印表機，可列印出時效處理過程中的參數曲線，作為時效檢驗的評判依據。作為本實用新型的選擇性實施例，所述工控機60還可以採用虛擬儀錶盤顯示技術，用於動態指針及數字顯示頻率、電流等參數以及時效處理曲線。[0029]如圖3所示，為本實用新型超聲波高頻衝擊消除應力系統的時效效果圖。本實用新型中，只要符合以下條件，則可以認為大了超聲波衝擊時效效果，即在諧振頻率f穩定的情況下，若電流i與時間t曲線(i一t)變平，則可認為達到已時效處理段的超聲波衝擊時效效果。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之 內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種超聲波聞頻衝擊消除應力系統，包括控制箱及衝擊槍，該控制箱內設有與衝擊槍連接設置的換能器，其特徵在於，所述控制箱內設有整流逆變模塊、連接整流逆變模塊與換能器的匹配網絡，以及相互電性連接的單片機與數據採集電路；所述單片機一端連接於整流逆變模塊與匹配網絡之間，該單片機另一端與整流逆變模塊電性連接；所述數據採集電路一端還與一工控機電性連接。
2.如權利要求1所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述換能器與衝擊槍之間通過電纜連接，該換能器與衝擊槍之間設置有變幅杆。
3.如權利要求2所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述整流逆變模塊內包括有依次電性連接的整流濾波電路、DC/DC轉換器、全橋逆變電路及高頻變壓器，該整流濾波電路一端與市電相連接，高頻變壓器一端與匹配網絡相連接。
4.如權利要求3所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述高頻變壓器與匹配網絡之間通過一信號採集電路與單片機電性連接。
5.如權利要求4所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述信號採集電路內設有相互電性連接的霍爾傳感器及A/D轉換電路，該A/D轉換電路一端與單片機電性連接。
6.如權利要求5所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述單片機內包括有依次電性連接的功率跟蹤電路、功率控制電路、D/A轉換電路及壓控振蕩器，該A/D轉換電路與功率跟蹤電路電性連接。
7.如權利要求6所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述單片機通過一第一驅動電路與DC/DC轉換器電性連接，該單片機還通過一第二驅動電路與全橋逆變電路電性連接。
8.如權利要求1 所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述數據採集電路採用型號為PCI7901的32通道模擬信號採集卡。
9.如權利要求1所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述工控機採用intel雙核E2210CPU，該工控機還採用15寸的真彩色液晶屏。
10.如權利要求9所述的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其特徵在於，所述工控機還連接有一印表機。
專利摘要本實用新型涉及超聲衝擊技術領域，具體公開了一種超聲波高頻衝擊消除應力系統，其包括控制箱及衝擊槍，該控制箱內設有與衝擊槍連接設置的換能器，所述控制箱內設有整流逆變模塊、連接整流逆變模塊與換能器的匹配網絡，以及相互電性連接的單片機與數據採集電路；所述單片機一端連接於整流逆變模塊與匹配網絡之間，該單片機另一端與整流逆變模塊電性連接；所述數據採集電路一端還與一工控機電性連接。本實用新型的超聲波高頻衝擊消除應力系統，其解決了目前超聲波電源頻率不穩定，功率跟蹤困難且調整複雜等缺點，保障了超聲波時效處理效果，提高了焊接產品的質量。
文檔編號C21D10/00GK203112893SQ201320045639
公開日2013年8月7日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者蒲毅智 申請人:成都海訊科技實業有限公司