专利名称：阶梯型超声冲击针装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声冲击工具配件的使用，更加具体地说，涉及一种超声冲击消除某些材料表面或者焊接热影响区应力的冲击针，该冲击针可以明显提高超声冲击时的效率，产生更深的压缩应力层，使材料的强度、耐腐蚀性和疲劳寿命得到明显提高。
背景技术：
在焊接结构的加工过程中，由于焊接热循环的作用，引起焊接接头局部不均匀的热塑性变形和相变，产生自相平衡的焊接残余应力，使焊接接头的使用性能降低，超声冲击通过改善焊接残余应力的分布来改善其性能。由于该方法使用灵活、效率高，因此适用范围广，不仅可以应用于焊接结构的制造过程中，而且可以应用于安装现场，是一种有效改善焊接接头残余应力的方法。超声冲击的原理是超声振动发生器驱动冲击针产生机械振动，冲击针快速撞击工件表面，引起工件表面得到强化并产生变形，从而达到使金属表面产生一定深度的残余压应力层，使金属零件的强度、耐腐蚀性和疲劳寿命得到明显提高。而残余应力层深度的大小主要取决于冲击过程中冲击针的撞击速度。现有技术的冲击针针头大都设计成尾部带梢的结构，一方面在其工作的过程中，冲击针和冲击针座枪口处发生碰撞，极大的降低冲击针的冲击速度；另外，尾部带梢的结构在与换能器碰撞的过程中，由于受力的不均匀容易使冲击针发生歪斜，这两方面都会减小超声冲击所产生的应力层深度，对冲击效果有明显的影响。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种阶梯型超声冲击针装置及其应用，通过改变冲击针的形状，使冲击针`和枪口尽量发生刚性碰撞，达到避免以往带稍冲击针和冲击针座枪口碰撞时产生较大摩擦力，以至于降低冲击针速度。同时改变了冲击针和冲击针延长头的碰撞方式，用点接触代替面接触，使碰撞时接触面受力方向和冲击针轴向一致，冲击针不易发生偏转，也可以提高超声冲击的效率和稳定性。本发明的目的通过下述技术方案予以实现:阶梯型超声冲击针装置，在冲击针的造型上采用了阶梯式的设计，以减小冲击针和冲击针座之间的摩擦，适用于超声冲击设备进行材料的成型，矫形以及表明处理，以提高冲击效率，产生更深的压应力层，提高材料的疲劳寿命。本发明的技术方案中采用尾圆头型冲击针，整体呈阶梯型圆柱状，取代了以前常用的带稍形结构，其示意图如图4所示，所述冲击针由直径d的前部圆柱和直径D的后部圆柱构成，其中所述前部圆柱的前端呈半球形，用于和加工部件的表面进行超声冲击接触，所述后部圆柱的尾端呈半球形，用于和变幅杆端面或者冲击针延长头端面相接触，以获得进行超声冲击的能量，后部圆柱的直径D略大于前部圆柱的直径d。整体上看来呈两个阶梯形圆柱状设计的冲击针。一方面和变幅杆端面(或者冲击针延长头端面)碰撞时受力方向沿着冲击针轴线方向，不会产生横向分力；另一方面，冲击针与孔的下方边缘碰撞时不会摩擦。有利于处理过程中冲击针沿着轴线方向稳定运动，提高撞击速度。上述结构中，d〈D<1.3d，优选D为1.2d，d是前部圆柱的直径，D是后部圆柱的直径；0.1L彡I彡0.2L，优选I为0.2L，I是末端到阶梯处的距离，L是冲击针全长。在使用时，可将所述阶梯型超声冲击针与冲击针座、冲击针延长头配合进行使用，其中: 所述冲击针座的前端设置有锥形的枪口，枪口处带有矩形的挡板，挡板和枪口开有固定冲击针的圆孔，下部是圆柱形的且尾部有凸起，用于装卸时使用。冲击针延长头分为表面带凹坑和不带凹坑两种，整体上呈短圆柱形，末端带有一段螺纹杆，用来和变幅杆、换能器相连；所述凹坑用于和阶梯状冲击针的末端相接触。在具体装配时，冲击针座上带有矩形挡板的一端开有与冲击针相配合的圆孔，用来把冲击针位置固定住，另一端开口与超声冲击枪体连接，并设计有装卸用凸起，用以在装卸过程中在法兰和枪体之间通过法兰连接，起固定作用。冲击针延长头和变幅杆相连，用以传递能量，且两者与冲击针座之间留有一定的润滑间隙，以避免能量的损失。冲击针延长头有两种形式，一种是表面上设计有与冲击针位置相对应的凹坑，可以很好的和冲击针端部相配合，使冲击针和延长头接触时能够更好的配合，增大接触面积，使冲击针不易偏转 ’另一种延长头表面是平整的，圆头冲击针和延长头撞击时受力更集中于冲击针轴向的方向，减小了其他方向的受力，有利于提高超声冲击的动力利用率，产生更深的应力层。传统冲击针存在如下问题:冲击针的运动会产生横向位移与周围发生碰撞导致撞击和回弹的速度下降，影响变幅杆对冲击针的加速效果，使最大撞击速度降低的问题。传统冲击针尾端为平面并且带锥形梢状结构，以防止工作时冲击针从枪体中脱落，然而这种结构在使用过程中会出现一些问题，图1和2为常见问题示意图。一方面，冲击针与变幅杆端面碰撞时，由于受力不均匀容易使冲击针在I号位置发生歪斜；另一方面，梢状结构阻挡冲击针飞出枪体时会与孔壁的2号位置产生滑动摩擦和碰撞。这两方面都会导致冲击针产生横向位移，并且导致冲击速度下降。使用的高速摄像设备是SHJQ-M0ti0nPix)-Y3高速摄像机对冲击过程进行拍摄，可以更清楚地观察冲击针的运动轨迹。图3为试验中连续拍摄的13张照片，为了便于对比横向位移的偏差，把他们叠加在一起便于观察，从下到上按照拍摄顺序依次排列。冲击针先向左移动与周围发生碰撞后向右移动，碰撞一次后速度明显下降，同时使后续的加速过程难以持久，往往无法起到良好的加速效果。本发明的技术方案中采用尾圆头型冲击针，其示意图如图4所示，把梢型结构改为阶梯圆柱和圆形端部，一方面和变幅杆端面(或者冲击针延长头端面)碰撞时受力方向沿着冲击针轴线方向，不会产生横向分力；另一方面，冲击针与孔的下方边缘碰撞时不会摩擦。有利于处理过程中冲击针沿着轴线方向稳定运动，提高撞击速度。本发明在进行材料的表面处理，成型及矫形过程中能高效的消除焊接热影响区的残余拉应力,通过超声冲击在材料表面形成一个压应力层,提高材料的表面抗腐蚀能性,疲劳性能及抗动载荷能力。冲击针形状的设计考虑到了冲击针和冲击针座的枪口处碰撞时的问题，减小了碰撞时的摩擦力对 冲击针速度的影响，降低由此产生的能量损失。使冲击过程中超声冲击设备的功率更好发挥，可以达到:1.使冲击后的压应力层更深。
2.使冲击后使工件产生更大的变形，有利于材料的成型及矫形。3.降低冲击针和冲击针座的枪口摩擦所产生的能力损失，防止冲击针和冲击针座擦变热，提高设备使用寿命。该发明用材料加工成型后，经过热处理，具有很好的强度和使用寿命。同时此发明还具有制造简单，安装容易，成本低廉的优点。在相同条件下可以更高效地发挥超声冲击设备的作用，在实际生产中具有很重要的意义。
图1传统冲击针常见问题示意图(I)图2传统冲击针常见问题示意图(2)图3传统冲击过程中冲击针的运动轨迹，其中使用高速摄像机对冲击过程中冲击针进行连续拍摄，并以获得13张照片进行叠加，可以更清楚地观察冲击针的运动轨迹图4阶梯型冲击针的结构示意5阶梯型冲击针和带凹坑冲击针延长头装配剖面示意图，其中I为冲击针座，2为冲击针，3为带坑的冲击针延长头，4为润滑间隙，5为装卸凸起，6为变幅杆，7为枪口(挡板)，8为挡板图6阶梯型冲击针和平头冲击针延长头装配剖面示意图，其中I为冲击针座，2为冲击针，3为不带坑的冲击针延长头，4为润滑间隙，5为装卸凸起，6为变幅杆，7为枪口(挡板)，8为挡板图7传统冲击针处理后试件的变形示意8阶梯型冲击针处理后试件的变形示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案实施例1阶梯型冲击针与带凹坑型冲击针延长头配合如附图5所不，结构有冲击针座1，冲击针2和带坑的冲击针延长头3组成,冲击针座的外形呈圆柱形结构，枪口处呈锥脚形，冲击针座一端开有开口，并在外圆周上设置有装卸用的凸起，开口端和超声冲击枪的外壳(图中未表示)配合，然后用法兰固定，装卸凸起5在法兰和冲击枪外壳之间起固定作用；另一端密封，为枪口端，设置有挡板7、8，其上开有和冲击针配合的圆孔，阶梯型的冲击针设置在圆孔中，冲击针的尾端设计为直径大于冲击针直径的阶梯形圆柱(D为1.3d ；1为0.2L)，减小冲击针与冲击针座的枪口碰撞时发生摩擦，冲击针的两端都设计成半球形，有利于冲击过程中，冲击针的碰撞加速。在与冲击针配合的圆形孔和冲击针之间设计了间隙，同时为避免变幅杆和冲击针延长头与冲击针座、夕卜壳之间的能量损失，设置有润滑间隙。冲击针延长头3的螺纹和冲击枪的变幅杆6相配合，另一端与冲击针相接触，延长头上设计的坑与冲击针相配合，通过和换能器的连动，为冲击针提供动力，冲击过程中对工件表面进行加工。实施例2阶梯型冲击针与带平整型冲击针延长头配合如附图6所不,结构有冲击针座1，冲击针2和带坑的冲击针延长头3组成,冲击针座的外形呈圆柱形结构，枪口处呈锥脚形，冲击针座一端开有开口，并在外圆周上设置有装卸用的凸起，开口端和超声冲击枪的外壳(图中未表示)配合，然后用法兰固定，装卸凸起5在法兰和冲击枪外壳之间起固定作用；另一端密封，为枪口端，设置有挡板7、8，其上开有和冲击针配合的圆孔，阶梯型的冲击针设置在圆孔中，冲击针的尾端设计为直径大于冲击针直径的阶梯形圆柱(D为1.3d ；1为0.1L)，减小冲击针与冲击针座的枪口碰撞时发生摩擦，冲击针的两端都设计成半球形，有利于冲击过程中，冲击针的碰撞加速。在与冲击针配合的圆形孔和冲击针之间设计了间隙，同时为避免变幅杆和冲击针延长头与冲击针座、夕卜壳之间的能量损失，设置有润滑间隙。冲击针延长头3的螺纹和冲击枪的变幅杆6相配合，另外一端，平整的冲击针延长头与冲击针相配合，通过和换能器的连动，为冲击针提供动力，冲击过程中对工件表面进行加工。利用上述实施例的超声冲击装置进行超声冲击，冲击后的效果如下:宏观形貌在相同的工艺参数下对5A06铝合金(铝合金化学成分如表I)进行冲击，具体工艺参数如表2，单面反复冲击4次。其结果与传统冲击针处理后的结果相比弹坑略深，具有更大的变形性。使用相同的振幅，冲击时间，冲击速度处理的尺寸相同的铝合金板材(尺寸为长100mm,宽30mm,厚4mm)在研究喷丸强化技术中，通常对试片单面进行弹丸冲击，表面层发生塑性形变，由此导致试片向喷射面呈球面状弯曲，切入球面的特定基准面到球面最高点之间的距离称为弧高度，用来表征喷丸或者冲击的强度。传统冲击针处理后试件变形的弧高度为0.75mm,阶梯形冲击针处理后试件变形的弧高度为1.56mm。变形程度对比如图7，图8。阶梯形冲击针处理后所产生的变形的弧高度大约是传统冲击针处理后变形的两倍。有利于超声冲击的成形和矫形，更适合对焊后的失稳变形进行后处理以及很多金属材料的大弧度直接成形。表15A06招合金化学成分(％)
权利要求
1.阶梯型超声冲击针，其特征在于，整体呈阶梯型圆柱状，所述冲击针由直径d的前部圆柱和直径D的后部圆柱构成，其中所述前部圆柱的前端呈半球形，用于和加工部件的表面进行超声冲击接触，所述后部圆柱的尾端呈半球形，用于和变幅杆端面或者冲击针延长头端面相接触，以获得进行超声冲击的能量，d〈D ≤1.3d，其中d是前部圆柱的直径，D是后部圆柱的直径；0.1L≤I≤0.2L，其中I是末端到阶梯处的距离，L是冲击针全长。
2.根据权利要求1所述的阶梯型超声冲击针，其特征在于，D优选为1.2d，I优选为0.2L。
3.如权利要求1所述的阶梯型超声冲击针在超声冲击装置中的应用，其特征在于，所述阶梯型超声冲击针与冲击针座、冲击针延长头配合进行使用，其中:所述冲击针座的前端设置有锥形的枪口，枪口处带有矩形的挡板，挡板和枪口开有固定冲击针的圆孔，下部是圆柱形的且尾部有凸起，用于装卸时使用；所述冲击针延长头整体上呈短圆柱形，末端设置有螺纹杆，用来和变幅杆、换能器相连，所述冲击针延长头的另一端用于和阶梯状冲击针的末端相接触。
4.根据权利要求3所述的阶梯型超声冲击针在超声冲击装置中的应用，其特征在于，所述冲击针延长头上用于和阶梯状冲击针末端相接触的平面为不带有凹坑或者带有凹坑，所述凹坑用于和阶梯状冲击针的末端相接触。
5.根据权利要求3或者4所述的阶梯型超声冲击针在超声冲击装置中的应用，其特征在于，使用超声冲击装置对材料表面进行超声冲击，以消除焊接热影响区的残余拉应力，通过超声冲击在材料表面形成一个压应力层。
6.根据权利要求5所述的阶梯型超声冲击针在超声冲击装置中的应用，其特征在于，使用超声冲击装置对5A06铝合金材料表面进行超声冲击，超声冲击工艺参数:电流1.08A,振幅15.2 u m,冲击速度5mm/s,冲击次数4,冲击区域60mmX 30mm。
全文摘要
本发明公开了阶梯型超声冲击针装置及其应用，通过改变冲击针的形状，使冲击针和枪口尽量发生刚性碰撞，达到避免以往带稍冲击针和冲击针座枪口碰撞时产生较大摩擦力，以至于降低冲击针速度。同时改变了冲击针和冲击针延长头的碰撞方式，用点接触代替面接触，使碰撞时接触面受力方向和冲击针轴向一致，冲击针不易发生偏转，也可以提高超声冲击的效率和稳定性。
文档编号C21D10/00GK103074481SQ20131004588
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者王东坡, 吴良辰, 黄超, 张涛, 柳阳, 王颖 申请人:天津天东恒科技发展有限公司