一种冲‑滚式超声冲击针头的制作方法

本发明涉及超声冲击枪技术领域，特别涉及一种超声冲击枪用滚压式冲击针头。

背景技术：

超声冲击处理是目前有效强化金属焊缝区域的一种技术手段，该处理方式的优势在于，设备轻巧，使用方便，处理过程中不受场地等条件的约束，同时，它还是一种对环境污染极小的处理手段。

在超声冲击过程中，焊缝区域的表面会产生剧烈的塑性变形，表层晶粒细化的同时将原来的焊接应力改变为压应力，有效的强化了焊缝区域表面，降低了材料的缺陷，提高了材料的表面硬度、耐蚀性能以及疲劳性能等等。

目前的超声冲击设备采用的多为“单针”、“三针”式冲头，在冲击处理过程中，冲击针头以20khz的频率冲击焊缝表面的同时，还受到人为给予的水平给进力，推动整个枪体沿焊缝方向移动。然而，在处理过程仍中存在较多问题：1、撞针会受到各种阻力影响，出现行进卡顿，覆盖不完全，处理效率低的现象；2、冲击时常伴有金属间相互摩擦产生的尖锐刺耳声让人难以忍受；3、高频振动驱使冲击针反复撞击材料表面，产生瞬时高温，使表面状态以及性能发生不良的变化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种冲-滚式超声冲击针头，改变现有冲击针头的冲击方式，使针头与材料间在横向上的滑动摩擦转变为滚动摩擦，大大提高处理效率的同时减小噪音，降低冲击产生温度，使得处理后的焊缝组织均一性更强，整体性能更好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种冲-滚式超声冲击针头，包括冲击针座；冲击针座包括上端柱形结构、中部杆结构和下端柱形腔体；杆结构内部设有第一腔体；柱形腔体下端开口，内部设有第二腔体；第二腔体连通第一腔体；第二腔体的直径大于第一腔体的直径；柱形腔体的下端开口处安装有端盖；端盖上开有若干孔洞，每个孔洞安装有一个滚珠；第二腔体中安装有金属圆片，滚珠的上部位于第二腔体内，且位于金属圆片与端盖之间，下部露于端盖外部；第一腔体内安装有连接金属圆片上部的弹簧。

进一步的，上端柱形结构内部为带有锥度的锥形槽。

进一步的，下端柱形腔体的外侧开有连通第二腔体的油槽。

进一步的，孔洞的直径小于滚珠的直径。

进一步的，弹簧上部与中部杆的第一腔体上端相固定。

进一步的，上端柱形结构的壁厚为3～4mm；中部杆结构的直径大于φ8mm，小于φ10mm；下端柱形腔体的第二腔体的直径为φ20mm，高度为8mm。

进一步的，端盖上打有六个孔洞，其中五个均匀分布在外侧呈五角状，另一个分布在正中心。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、针头设计轻巧，安装非常方便，在不需要改造或者破坏冲击枪其他结构的基础上可随时拆卸与更换。通常情况下，冲击针需要高频撞击金属材料的表面，属于损耗品，而冲-滚式冲击针采用的滚珠尺寸较小，成本较低，更换针座内的滚珠简单方便而且更加节约经济成本；、普通冲击针的在撞击材料表面的同时，横向受到人给予的水平推力，使得撞针与金属间发生滑动摩擦，摩擦阻力较大，处理效率较慢，一般仅有20-60mm/min。而冲-滚式冲击针利用滚珠与材料表面接触，滚珠在可以自由滚动的基础上还有弹簧结构的辅助，使其可以做小幅的上下位移，避免了由于材料表面状态不好而造成的针头停滞，移动困难的问题，使处理过程中的阻力更小，行进更加流畅，从而大大提高了处理效率。普通的冲击处理过程中存在以下两个严重的问题：一、噪音大，金属间时常发生尖锐、刺耳的摩擦声让人难以忍受。二、冲针与金属撞击时，由于撞击频率高，瞬时的冲击力大，有时会出现局部的高温，产生火花，使材料表面产生氧化甚至灼伤，这种情况通常会严重影响到材料的表面性能。而冲-滚处理由于滚珠的灵活性强，受到的阻力小，与金属便面发生的多为滚动摩擦，在处理过程中通常只伴有频率一致的撞击声而不再有尖锐的噪声，使其对环境的影响得到改善。冲滚式针座下端还开有一个油槽，主要目的为了加入润滑剂，使滚珠滚动更加灵活自如。同时，润滑剂还可以降低滚珠与材料撞击后产生的高温，避免对材料的损伤。

附图说明

图1为冲-滚式冲击针外部结构示意图；

图2为冲-滚式冲击针内部结构示意图；

图3为端盖结构示意图；

图4为冲击针安装后，冲击枪的整体示意图；

图5为1号试样冲击后的微观组织形貌；

图6为2号试样冲-滚后的微观组织形貌。

其中：1、上端柱形结构；2、中部杆结构；3、下端柱形腔体；4、冲击针座；5、锥形槽；6、弹簧；7、金属圆片；8、油槽；9、滚珠；10、端盖；11、滚珠孔；12、螺丝孔；13、超声冲击枪；14冲-滚式冲击针。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示，本发明一种冲-滚式超声冲击针头14，能够安装于超声冲击枪13的前端；包括：冲击针座4、弹簧结构，端盖以及滚珠三部分。

冲击针座4包括上端柱形结构1、中部杆结构2和下端柱形腔体3。

上端柱形结构1内部为带有一定锥度的锥形槽5，该锥形槽5可将冲击针与超声冲击枪13前端的变幅杆相套接，因此槽的直径大小可根据具体变幅杆的直径大小来设计。这样设计的目的在于，1不需要改变变幅杆，变幅杆前端不需打洞或者刻制螺纹，保证变幅杆的完好性与传力的集中性；2拆卸方便且可以随时更换冲击针，可实现冲-滚式冲头与普通“单针”或“多针”冲头的相互更换，有利于根据具体工况条件来挑选合适的冲击针。上端柱形壁厚为在3～4mm，在冲击过程中由于针头需要高频振动与水平移动，壁太薄会使冲针整体晃动甚至与变幅杆脱落，而壁太厚会使冲针振动受阻减小处理过程中传输的功率。整个上端的长度约为15mm，这样既保证连接的紧固性又保证传输的稳定性。

冲击针座4中部收缩为直径大于φ8mm，小于φ10mm的中部杆结构2，杆内部中空，构成冲击针的冲击力主要传输部位，将杆部缩小主要为了减轻整体冲击针的重量，同时保证冲击力传输时的集中性。

冲击针的下端为直径φ20的柱形腔体3，高度大约为8mm，主要用来放置弹簧结构与滚珠9。末端刻有内螺纹或者直接开螺钉孔，用来与端盖10相连。外侧还开有一个油槽，用来添加液体润滑剂。添加润滑剂的目的在于：润滑剂可以保证滚珠的滚动更加灵活、自由；降低处理过程中滚珠撞击金属而产生的高温，避免灼伤材料表面。

弹簧结构为一根与金属圆片7相连的弹簧6，放置在中部杆2与下端腔体3内，弹簧6上部与中部杆的上端相焊合，固定。下端金属圆片恰可置于柱形腔体3内，可被压缩，弹动。

端盖10直径为φ22，端盖10刻有外螺纹或打有螺钉孔，用来与冲击针座4相连接。端盖上打有六个孔洞，其中五个均匀分布在外侧呈五角状，另一个分布在正中心。该孔洞的直径为应略小于φ5，用来放置六个滚珠9。该设计的主要目的在于，将原先传力集中的“单点”、“三点”接触转变为较为分散、均匀、覆盖面积更广的“多点”接触，这样不但可以大大提高处理效率的同时，还避免了由于针头多次撞击同一位置而产生深凹坑的问题，降低了材料表面整体粗糙度。

滚珠9为六个大小为φ5的圆珠，由于滚珠9需要与金属部件发生多次的摩擦、冲撞，其强度一般不宜过高或过低，过高会导致冲撞后留下较深的凹陷破坏材料表面状态，过低会使滚珠容易发生变形、破损，需要经常更换造成浪费。因此滚珠的材质应根据具体所处理材料的不同而选择，一般为铸钢丸，其强度应该略高于所处理材料。

整个冲击针的材质除了滚珠、金属原片与弹簧三个重要受力结构外，其余全部为铝合金。其主要目的在于，保证强度的同时，减轻冲击针的整体重量，减少传输功率的损耗。

本发明一种冲-滚式超声冲击针头使用时的操作方式如下：

1.将六个滚珠均匀涂抹固体润滑剂或滴上液体润滑剂，并置于端盖的六个孔上。

2.将端盖与冲击针底座的螺纹或螺钉上紧，使其紧密连接，此时滚珠应轻压金属圆片。

3.用手反复轻压滚珠，再使其滚动几次。此时，滚珠应该弹跳性良好，并且可以顺畅、自由的滚动。若出现滚珠难以活动的情况需要拆卸下来检查一下几点：润滑剂是否涂抹均匀。滚珠是否有破损，尺寸大小有所变化等，需要及时更换。底座下端的腔内是否清洁，是否有残留的杂质。弹簧是否正常、完好，如果出现问题需要进行更换。

4.在油槽内滴入几滴液体润滑剂。

5.将冲击针座上端与变幅杆相套接，尽量压紧，避免冲击过程中的晃动或者脱离。

6.手持冲击枪垂直放置，使滚珠轻轻接触上材料的焊缝部位。接通电源，打开冲击枪的开关，此时冲击针开始高频振动，滚珠反复撞击材料表面。手持冲击枪慢慢移动，推动滚珠，使滚珠在振动的同时发生滚动。一般需沿焊缝往复冲滚3次即可将焊缝区域进行全覆盖处理。

对比试验：

实验采用工业纯钛焊接板，其板厚约10mm，采用非熔化极惰性气体钨极保护焊即tig焊。焊前对板材进行除锈、除油处理，焊合后焊缝宽度约为10mm，坡口为v，坡口角度单边60°。焊接层数为两层，其中第一层，电流120a，电压10v，焊接速度100cm/min；第二层，电流130a，电压12v，焊接速度110cm/min。

在焊接钛板上沿焊缝方向切取2个宽度为30mm的板条，分别标记为1号试样和2号试样进行冲击处理。冲击频率为2khz，电流大小为2a，处理时间为6min，处理过程中需要缓慢、流畅的推送冲击枪进行多次往复的全覆盖冲击。其中，1号试样采用普通三针针头进行冲击，而2号试样采用冲-滚式冲头进行冲击。对处理式样分别进行冲击速率的计算、金相组织观察以及表面粗糙度的测量，其结果如下：

表1冲击结果

冲击6min后，普通冲击试样1冲击了3.5个道次，冲击速度为35mm/min而冲-滚式冲击共冲击6个道次，冲击速度为60mm/min。冲滚式冲击与普通冲击相比在处理过程中有以下几个明显区别：处理过程中，单程的覆盖面积更大，行进更加流畅，因此效率得到了显著提升，冲击速度大约提高了71％；冲击过程中由于滚珠的滚动和弹簧的弹跳保证了冲击针的稳定性，大大减少处理过程中的停顿、“卡针”等现象，克服了由于焊缝表面形貌因素对冲击速率以及冲击效果的影响。普通冲击过程中伴有尖锐、刺耳的金属摩擦声，还因撞击产生的瞬时高温，放出火花，破坏材料表面状态，而冲滚式冲击大大缓解了这一问题，处理过程中仅有滚珠撞击金属表面声而不再有摩擦产生的噪音，同时也未见有火花放出。

图5为1号试样冲击后的微观组织形貌，图6为2号试样冲-滚后的微观组织形貌。

从金相组织中可以看出，1号普通冲击后的试样，焊缝接头的三个区域：焊缝、热影响区、母材处所形成的的变形层厚度明显不一，最厚的地方可达300μm左右，而到了热影响区以及母材区域，变形层变薄，仅有不到100μm，出现这种现象可能有以下几个原因：普通冲击针针头与针头处存在空隙，间隙大约为2mm，致使冲击过程中存在覆盖不完全的问题。因此需要人为控制针头走向多次往复冲击。处理道次不足。由于效率低，在6min内仅处理了3.5个道次，因此母材区域没有覆盖完全。受限于材料的表面状态，针头有时会产生停顿等问题，因此有些区域冲击次数较多而有些区域则较少，造成冲击不均匀的现象。

2号冲-滚式冲击处理后试样，焊缝的三个区域：焊缝、热影响区、母材的变形层厚度趋于一致，达到250μm左右。且由于冲滚往复次数较多，变形层内部位错的交割、塞积更加严重，孪晶数量大量增多，塑形变形更加的剧烈，反映在金相照片中的结果为表面变形层的颜色更加深暗，说明冲-滚处理后试样表面的强化效果要明显优于普通冲击处理。

表2为冲-滚处理与普通冲击处理后试样表面的粗糙度，由表可以看出，冲-滚处理后焊接接头各个区域的粗糙度ra与rz值相比普通冲击处理都有明显的降低。事实上，两个试样处理完成后用肉眼则可清晰的观察出，普通冲击后的式样表面凹凸明显，金属表面明暗反差较大，冲击针撞击后留下的凹坑较深，且分布不均。而冲-滚式冲击后的试样表面更加的平整，滚珠留下的痕迹稍浅且均匀覆盖于焊缝表面，这说明，这种处理方式明显改善了原先冲击处理后粗糙度大的问题，这对材料的其他性能尤其是疲劳性能以及抗腐蚀性能的提升有极大的帮助。

表2冲-滚处理与普通冲击处理后试样表面粗糙度