大型钢结构件多维振动时效及振动焊接激振器

1.本发明属于特种机器人设备技术领域，特别涉及一种对大型钢结构件进行多维振动时效处理和实施振动焊接用的高频激振器。


背景技术：

2.金属结构件在铸造、焊接、锻压和机械切削加工过程中，由于热胀冷缩和机械力造成的变形，在工件内部产生残余应力，致使工件处于不稳定状态，降低工件的尺寸稳定性和机械物理性能，使工件在成品后使用过程中因残余应力的释放而产生变形和失效。尤其船舶、桥梁、重型机械设备等大型钢结构件焊接后必然会有残余应力，残余应力是导致其变形或者开裂的重要原因。因此，必须对这些工件进行消除残余应力的时效处理。时效有自然时效、热时效和振动时效三种基本工艺技术，而振动时效是使用振动时效设备对工件进行亚共振振动，消除残余应力的时效技术。自然时效由于时效周期太长，不能满足生产进度要求；热时效设备投资较大，时效成本很高，生产效率较低，应用有难度，且对大型、超大型设备或零件不适用；振动时效设备投资少，生产效率高，时效成本低，是比较理想的处理方法。振动时效对降低或匀化金属结构件残余应力，提高抗动载变形能力，稳定尺寸精度和防止裂纹有非常好的效果，且无氧化脱碳等现象，是目前大型、超大型结构件和多种材料组合结构件的唯一时效处理方法，不受场地、环境、工序和工件形状限制的处理方法。
3.振动时效是在构件焊接完成后在常温下进行的。因此要使动应力和残余应力之和大于材料常温下的屈服极限则必须具有较大激振力。振动焊接是在焊接的整个过程中，包括降温过程在内，给被焊构件一个较轻微的振动，使焊缝在热状态下调整应变而改变热应力场，从而达到降低和均化应力。振动焊接可以大幅度提高焊接结构件的疲劳寿命，提高率在70％以上；使焊接件的横向残余应力下降25％左右，振动焊接已被证实是提高焊接件疲劳寿命的有效方法。
4.振动焊接和振动时效是为提高焊缝质量而在两个阶段分别采取的技术工艺过程。振动焊接是在焊接过程中进行的振动处理过程，而振动时效是在结构件焊接成型后而进行的时效处理过程，前者的作用在于使晶粒细化提高材料的机械性能。降低焊接应力和变形、减少气孔和杂质并使焊接纹理细密提高宏观焊接质量。而后者则是专门用于降低和均化焊接应力，消除残余应力对变形、开裂和疲劳寿命的影响。在消除应力方面、振动焊接起到一定的作用，但其振动很小，产生的动应力不大，因此消除主应力的效果不如振动时效。因此，对于大型钢构件的最佳工艺规程一般是振动焊接与振动时效同时采用：即第一阶段在焊接过程中采用振动焊接、第二阶段采用振动时效处理。在激振频率方面，振动时效一般采用共振或亚共振方式。而振动焊接采用共振和非共振均可，且实践证实高频微振动可大幅度的改善焊接接头力学性能，焊接接头的疲劳性能寿命也得到显著提升。因此，可对大型钢结构件先后实施振动焊接和振动时效处理的激振器的频率范围较大，同时具有高频激振和低频激振功能。
5.但现有的激振器主要是单自由度惯性激振器，不仅激振频率较低，且与钢结构件
之间的固定主要靠夹具固定。这对于一些外部没有可夹持结构的大型结构件，不仅安装使用不便，而且激振方向不可调节，振动时效和振动焊接的效果受到影响。迫切需要研制一种激振方向确定、可控，且方便在大型钢结构件上固定的激振器，解决现有技术的不足。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种大型钢结构件多维振动时效及振动焊接激振器，方便固定安装且激振方向确定可控的高频激振器，改善焊接接头性能，提高残余应力消除的效果与处理效率。
7.本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。
8.一种大型钢结构件多维振动时效及振动焊接激振器，包括调节支架、安装底座、减振器、主支架、复位装置、固定支架、激振电磁铁和浮动式磁吸座。其中，所述的调节支架包括支撑臂、侧臂和调姿缸，用于支撑和固定安装底座，并调节安装底座、激振电磁铁和浮动式磁吸座的姿态。所述的支撑臂的前端与安装底座通过铰链相连接，所述的侧臂的后端通过焊接的方法与支撑臂的前端固连，所述的调姿缸的后端与侧臂的上端通过铰链相连接，调姿缸的前端与安装底座的外侧端通过铰链相连接，用于为安装底座、激振电磁铁和浮动式磁吸座的姿态调节提供动力。所述的安装底座通过减振器与主支架相连接，用于支撑和安装减振器及主支架；所述的减振器位于安装底座和主支架之间，用于减少或隔离激振电磁铁产生的振动，避免主支架将振动传递给安装底座和调节支架；所述的复位装置的前端通过螺钉固定安装在固定支架上，所述的复位装置的后端套装在主支架的外侧端，用于在激振电磁铁振动激励消失后使主支架回复到原来的位置，与激振电磁铁联动实现对大型钢结构件的往复激振；所述的激振电磁铁的后端通过螺钉或焊接的方法固定安装在主支架的中间部位，所述的激振电磁铁的前端置于固定支架内，为本发明的往复激振提供动力；两个浮动式磁吸座对称布置在固定支架的前端两侧，用于将本发明固定在待处理的大型钢结构件上，实现固定支架和待处理的大型钢结构件的刚性连接，所述的浮动式磁吸座的后端与固定支架通过螺钉或焊接的方法固连；在所述的固定支架的前侧面上还设有振动传感器，且所述的振动传感器通过螺钉与固定支架相连接，用于直接或间接测量激振电磁铁工作时产生的位移、速度、加速度和频率等技术参数。所述的振动传感器采用三轴加速度传感器。在所述的固定支架的中间部位设有电磁铁安装孔，且在所述的电磁铁安装孔前端外侧面四周设有类翻边式加强筋，在所述的固定支架的左右两端设有磁吸座安装孔，在所述的固定支架的前后两端还设有四组对称布置的复位装置安装孔，且每组复位装置安装孔的数量为3-4。
9.在所述的安装底座的外侧端设有四个对称布置的悬压板，用于支撑减振器；在所述的悬压板的后侧面设有两个凹窝，与减振器上的调节螺钉配合可调节减振器中减振弹簧的压缩量；所述的悬压板的外侧端安装在减振器的后端。在位于上端的两个悬压板之间设有一个调节支座，且在所述的调节支座的后端设有调节耳座；所述的调节耳座与调姿缸的前端通过铰链相连接。在安装底座的后侧中间部位还设有支撑座，所述的支撑座的前端通过螺钉固定安装在安装底座上，且所述的支撑座与调节支架中的支撑臂的前端通过铰链相连接。
10.在所述的主支架的前端设有电磁铁固定架，所述的电磁铁固定架与主支架之间通
过焊接的方法相固连，所述的激振电磁铁的后端通过螺钉固定安装在主支架的电磁铁固定架内；在所述的主支架的中间设有工艺孔，在所述的主支架的外侧端设有四个对称布置的悬支座，用于固定安装复位装置，且在四个悬支座上均设有导向孔。
11.所述的减振器包括减振壳、减振弹簧和调节螺钉。其中，所述的减振壳的前端通过螺钉固定安装在主支架的悬支座的后侧面上，减振壳的后端套装在安装底座的悬压板上；在所述的减振壳的前端设有连接法兰，用于将减振壳固定安装在主支架上；在所述的减振壳的后端设有两个螺纹孔，用于安装调节螺钉；在所述的减振壳的两个外侧面上均设有矩形导向槽，用于安装和调节悬压板。所述的减振弹簧置于减振壳的内部，且减振弹簧的后端与悬压板外侧端的前端面保持接触。所述的调节螺钉的后端与减振壳的后端通过螺纹相连接，且所述的调节螺钉的前端与悬压板后端的凹窝保持接触，用于调节减振弹簧在减振壳内的压缩量；所述的减振弹簧为圆柱螺旋弹簧。
12.所述的复位装置包括导向杆、导向套和复位弹簧。其中，所述的导向杆的后端置于悬支座的导向孔内，所述的导向杆的前端置于导向套内，所述的导向套的前端通过螺钉固定安装在固定支架的后侧面上，所述的复位弹簧位于固定支架和主支架之间，且套装在导向杆和导向套上，为主支架的复位提供动力；所述的复位弹簧为圆柱螺旋弹簧或圆锥螺旋弹簧。
13.所述的浮动式磁吸座包括吸附支座、电磁吸盘。其中，所述的吸附支座的后端与固定支架的外侧端通过螺钉或焊接的方法固连，所述的电磁吸盘的后端与吸附支座通过球铰链相连接，所述的电磁吸盘可相对吸附支座实现空间三维转动，具有三个运动自由度。所述的浮动式磁吸座中有三个电磁吸盘，且在初始状态下三个电磁吸盘的外轮廓构成一个同心圆；所述的浮动式磁吸座中三个球铰链的球心构成一个等边三角形。如此设计的目的是，为了提高浮动式磁吸座对待处理的大型钢结构件表面的适应性，无论是平面或曲面均可实现有效吸附固定。
14.使用前，根据振动时效处理工艺的需要选择待处理的钢结构的合适固定区域进行安装，只需要将本发明的浮动式磁吸座中的电磁吸盘与钢结构件表面接触，通电后电磁吸盘即可将本发明牢牢固定在钢结构上，不需要任何夹具。然后，启动激振电磁铁，即可对待处理的钢结构进行振动焊接或振动时效处理作业。振动焊接或振动时效处理作业完成后，断开电磁吸盘的电源，即可取下本发明。为了提高隔振效果，在安装底座与主支架之间还可以增设阻尼器。
15.本发明的有益效果是，本发明提出了一种专门针对大型钢结构件实施多维振动时效及振动焊接的激振器，可有效降低或匀化钢结构件残余应力，提高抗动载变形能力，稳定尺寸精度和防止产生裂纹；特有的浮动式磁吸座对钢结构件表面的适应能力强，具有安装与拆卸方便，无需固定夹具或临时焊接辅助夹持结构件，可避免对待处理钢结构件造成损伤；采用高频电磁激振，激振频率高，且激振方向可调节，可根据钢结构件焊缝及残余应力分布情况合理确定激振方向，缩短振动时效处理和振动焊接的时间，降低能耗与生产成本。本发明结构紧凑、振动时效处理效率高、效果显著、成本低，设有减振装置，可延长支撑结构件的使用寿命，还具有不受场地、环境、工序和工件形状限制等优点，可克服现有技术的缺陷。
附图说明
16.图1为本发明的总体结构示意图；
17.图2为本发明的激振电磁铁、浮动式磁吸座与固定支架之间的装配关系示意图；
18.图3为本发明的安装底座的结构示意图；
19.图4为本发明的减振器与复位装置之间的装配关系示意图；
20.图5为本发明的减振器中减振壳的结构示意图；
21.图6为本发明的主支架的结构示意图；
22.图7为本发明的固定支架的结构示意图；
23.图8为本发明的浮动式磁吸座的结构示意图；
24.图9为本发明的主支架、复位装置、固定支架和激振电磁铁之间的装配关系示意图。
具体实施方式
25.为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
26.如图1、图2、图4、图7和图9所示，一种大型钢结构件多维振动时效及振动焊接激振器，包括调节支架1、安装底座2、减振器3、主支架4、复位装置5、固定支架6、激振电磁铁7和浮动式磁吸座8。其中，所述的调节支架1包括支撑臂11、侧臂12和调姿缸13，用于支撑和固定安装底座2，并调节安装底座2、激振电磁铁7和浮动式磁吸座8的姿态。所述的支撑臂11的前端与安装底座2通过铰链相连接，所述的侧臂12的后端通过焊接的方法与支撑臂11的前端固连，所述的调姿缸13的后端与侧臂12的上端通过铰链相连接，调姿缸13的前端与安装底座2的外侧端通过铰链相连接，用于为安装底座2、激振电磁铁7和浮动式磁吸座8的姿态调节提供动力。所述的安装底座2通过减振器3与主支架4相连接，用于支撑和安装减振器3及主支架4；所述的减振器3位于安装底座2和主支架4之间，用于减少或隔离激振电磁铁7产生的振动，避免主支架4将振动传递给安装底座2和调节支架1；所述的复位装置5的前端通过螺钉固定安装在固定支架6上，所述的复位装置5的后端套装在主支架4的外侧端，用于在激振电磁铁7振动激励消失后使主支架4回复到原来的位置，与激振电磁铁7联动实现对大型钢结构件的往复激振；所述的激振电磁铁7的后端通过螺钉固定安装在主支架4的中间部位，所述的激振电磁铁7的前端置于固定支架6内，为本发明的往复激振提供动力；两个浮动式磁吸座8对称布置在固定支架6的前端两侧，用于将本发明固定在待处理的大型钢结构件上，实现固定支架6和待处理的大型钢结构件的刚性连接，所述的浮动式磁吸座8的后端与固定支架6通过螺钉或焊接的方法固连；在所述的固定支架6的前侧面上还设有振动传感器9，且所述的振动传感器9通过螺钉与固定支架6相连接，用于直接或间接测量激振电磁铁7工作时产生的位移、速度、加速度和频率等技术参数。所述的振动传感器9采用三轴加速度传感器。在所述的固定支架6的中间部位设有电磁铁安装孔61，且在所述的电磁铁安装孔61前端外侧面四周设有类翻边式加强筋611，在所述的固定支架6的左右两端设有磁吸座安装孔62，在所述的固定支架6的前后两端还设有四组对称布置的复位装置安装孔63，且每组复位装置安装孔63的数量为3-4。
27.如图1和图3所示，在所述的安装底座2的外侧端设有四个对称布置的悬压板21，用
于支撑减振器3；在所述的悬压板21的后侧面设有两个凹窝211，与减振器3上的调节螺钉33配合可调节减振器3中减振弹簧32的压缩量；所述的悬压板21的外侧端安装在减振器3的后端。在位于上端的两个悬压板21之间设有一个调节支座22，且在所述的调节支座22的后端设有调节耳座23；所述的调节耳座23与调姿缸13的前端通过铰链相连接。在安装底座2的后侧中间部位还设有支撑座24，所述的支撑座24的前端通过螺钉固定安装在安装底座2上，且所述的支撑座24与调节支架1中的支撑臂11的前端通过铰链相连接。
28.如图1、图2、图6和图9所示，在所述的主支架4的前端设有电磁铁固定架41，所述的电磁铁固定架41与主支架4之间通过焊接的方法相固连，所述的激振电磁铁7的后端通过螺钉固定安装在主支架4的电磁铁固定架41内；在所述的主支架4的中间设有工艺孔42，在所述的主支架4的外侧端设有四个对称布置的悬支座43，用于固定安装复位装置5，且在四个悬支座43上均设有导向孔44。
29.如图1、图4和图5所示，所述的减振器3包括减振壳31、减振弹簧32和调节螺钉33。其中，所述的减振壳31的前端通过螺钉固定安装在主支架4的悬支座43的后侧面上，减振壳31的后端套装在安装底座2的悬压板21上；在所述的减振壳31的前端设有连接法兰311，用于将减振壳31固定安装在主支架4上；在所述的减振壳31的后端设有两个螺纹孔312，用于安装调节螺钉33；在所述的减振壳31的两个外侧面上均设有矩形导向槽313，用于安装和调节悬压板21。所述的减振弹簧32置于减振壳31的内部，且减振弹簧32的后端与悬压板21外侧端的前端面保持接触。所述的调节螺钉33的后端与减振壳31的后端通过螺纹相连接，且所述的调节螺钉33的前端与悬压板21后端的凹窝211保持接触，用于调节减振弹簧32在减振壳31内的压缩量；所述的减振弹簧32为圆柱螺旋弹簧。
30.如图1、图2、图4、图6和图9所示，所述的复位装置5包括导向杆51、导向套52和复位弹簧53。其中，所述的导向杆51的后端置于悬支座43的导向孔44内，所述的导向杆51的前端置于导向套52内，所述的导向套52的前端通过螺钉固定安装在固定支架6的后侧面上，所述的复位弹簧53位于固定支架6和主支架4之间，且套装在导向杆51和导向套52上，为主支架4的复位提供动力；所述的复位弹簧53为圆柱螺旋弹簧或圆锥螺旋弹簧。
31.如图1、图2和图8所示，所述的浮动式磁吸座8包括吸附支座81、电磁吸盘82。其中，所述的吸附支座81的后端与固定支架6的外侧端通过螺钉或焊接的方法固连，所述的电磁吸盘82的后端与吸附支座81通过球铰链相连接，所述的电磁吸盘82可相对吸附支座81实现空间三维转动，具有三个运动自由度。所述的浮动式磁吸座8中有三个电磁吸盘82，且在初始状态下三个电磁吸盘82的外轮廓构成一个同心圆；所述的浮动式磁吸座8中三个球铰链的球心构成一个等边三角形。如此设计的目的是，为了提高浮动式磁吸座8对待处理的大型钢结构件表面的适应性，无论是平面或曲面均可实现有效吸附固定。
32.使用前，根据振动焊接或振动时效处理工艺的需要选择待处理钢结构的合适固定区域进行安装，只需要将本发明的浮动式磁吸座8中的电磁吸盘82与钢结构件表面接触，通电后电磁吸盘82即可将本发明牢牢固定在钢结构上，不需要任何夹具。然后，启动激振电磁铁7，即可对待处理的钢结构进行振动焊接或多维振动时效处理作业。振动焊接或振动时效处理作业完成后，断开电磁吸盘82的电源，即可取下本发明。
33.为了提高隔振效果，在安装底座2与主支架4之间还可以增设阻尼器。本发明特别适合于大型、超大型钢结构件或设备的振动焊接及多维振动时效处理，对钢结构件表面的
适应能力强，固定安装及拆卸方便，无需额外焊接固定安置，避免对钢结构件或设备造成损伤。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。