（机械电子工程专业论文）高频激振时效装置的研究.pdf

高频激振时效装置的研究摘要激振时效是一种新兴的时效方式，与传统的自然时效和热时效相比具有处理周期短、能源消耗少、操作简单等优势，特别适合于对大型构件进行时效处理。但是由于目前对于激振时效机理及装置的研究并不成熟，所以尚未得到大规模的推广和应用。因此，针对激振时效技术的研究和开发具有很高的实用价值和应用前景。本文在了解残余应力产生原因及消除途径的基础上对激振时效的机理进行了分析和研究；对超声波磁致伸缩换能器的工作原理和设计方法进行了研究；成功的研制出了能够有效消除残余应力的高频激振时效装置。装置由振子、变幅杆和激振源三个部分组成：在对磁致伸缩材料的磁致伸缩性能进行研究的基础上，运用解析法推导出变压器形换能器的机电状态方程和机械等效图，并研制出了能够产生超声振动的振子；对不同形状的变幅杆的特点进行分析和研究，选用圆锥形平滑过渡的阶梯形变幅杆对振子的振速进行放大，采用解析法推导出其机械振动方程，在此基础上计算出变幅杆的结构尺寸，并运用a n s y s 软件对变幅杆进行模态和谐振分析，验证了设计的合理性；设计出了能够给振子提供交变流电的激振源，它由整流电路、功率放大电路、匹配电路等组成，通过调试和优化使整个系统的输出功率达到最大。运用所研制的激振时效装置对焊接钢板进行消除应力的实验，使用盲孔法来测试应力的大小。对激振时效前后的残余应力进行对比分析，结果表明所研制的装置可有效地消除和均化残余应力。关键词：残余应力；时效；磁致伸缩；超声波换能器高频激振时效装置的研究a b s t r a c tc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a ln a t u r a ls t r e s sr e l i e f ( n s r ) a n dt e m p e r a t u r es t r e s sr e l i e f( t s r ) ，v i b r a t i o ns t r e s sr e l i e f ( v s r ) ，w h i c hi ss t i l lan e wd e v e l o p i n gt e c h n o l o g y , h a sal o to fa d v a n t a g e ss u c ha ss h o r t e rp r o c e s s i n gc y c l e ，l e s se n e r g yc o n s u m p t i o n ，e a s i e ro p e r a t i o na n ds oo n i ti sm o r es u i t a b l ef o rb i gc o m p o n e n t st h a nt r a d i t i o n a ls t r e s sr e l i e f h o w e v e r , a st h ec u r r e n tr e s e a r c ho nm e c h a n i s ma n dd e v i c eo ft h i st e c h n o l o g yi sn o tm a t u r eu n t i ln o w ,v s rh a sn o tr e c e i v e dl a r g e s c a l ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nv s rt e c h n o l o g yh a sb i gp r a c t i c a lv a l u ea n dg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i s mo fv s ri sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e db a s e do nu n d e r s t a n d i n gt h er e a s o no fr e s i d u a ls t r e s sg e n e r a t i o na n dt h ew a yo fh o wt oe l i m i n a t ei t ；t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do ft h em a g n e t o s t r i c t i o nt r a n s d u c e rh a v eb e e ns t u d i e d ；as e to fh i g h f r e q u e n c yv s re q u i p m e n tu s e df o re l i m i n a t i n gr e s i d u a ls t r e s sh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h ee q u i p m e n ti n c l u d e st h r e ep a r t s ：v i b r a t o r , a m p l i t u d et r a n s f o r m e r , p o w e rs u p p l y a f t e ru n d e r s t a n d i n gt h em a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c to fm a t e r i a l ，t h es t a t ee q u a t i o na n de q u i v a l e n td i a g r a m so ft r a n s f o r m e rt y p et r a n s d u c e ra r ed e r i v e d ，a n dt h ev i b r a t o rw h i c hc a ng e n e r i cu l t r a s o n i cv i b r a t i o nh a sa l s ob e e nd e v e l o p e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa c c o r d i n gt od i f f e r e n ts h a p e so fa m p l i t u d et r a n s f o r m e r , t h es t e p - l i k ea m p l i t u d et r a n s f o r m e rs m o o t ht r a n s i t i o nb yc o n i c a li ss e l e c t e dt or e a l i z ea m p l i t u d ea m p l i f i c a t i o n t h e nd e s i g ni t sd i m e n s i o na n dp r o v et h er a t i o n a l i t yb ym o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i su s i n ga n s y s p o w e rs u p p l yd e s i g n e di nt h i sp a p e ri sc o m p o s e do fr e c t i f i c a t i o nc i r c u i t ，p o w e ra m p l i f i c a t i o nc i r c u i ta n dm a t c h i n gc i r c u i ta n di t sm a i nr o l ei st op r o v i d ea l t e r n a t i n gc u r r e n tt ov i b r a t o ra n dm a k ew h o l es y s t e m so u t p u tp o w e rm a x i m u mb yc o m m i s s i o n i n ga n do p t i m i z a t i o n f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sp r o v e dt h a tt h es e td e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nr e l i e fr e s i d u a ls t r e s se f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：r e s i d u a ls t r e s s ；a g i n g ；m a g n e t o s t r i c t i v e ；u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r第1 苹绪论第1 章绪论1 1 研究背景及意义在对金属构件进行热加工或者压力加工的过程中，由于不同部位受热以及受力程度的不同，会导致金属内部产生残余应力。残余应力的存在不仅会对构件的性能产生很大的负面影响，而且可能会导致构件脆性断裂、产生裂纹、变形或翘曲等，会妨碍对其进行进一步的加工，甚至会引发严重的事故，对经济和社会造成重大的损失。在很多行业中，时效处理都是非常必要的。对于船舶制造业来讲，焊接裂纹是一种严重的缺陷，因为在船舶运营的过程中裂纹可能会急剧扩张，最终导致结构的断裂，所以对船舶构件进行时效处理是极其重要的一道工艺。压力容器广泛的应用于核能、化工等众多领域，往往用于处理有毒、易爆或者含辐射的物质，所以对于其质量的控制相当重要，必须要使加工过程中产生的残余应力降到最低，这样才能保证人民生命和财产的安全。在建筑行业残余应力的危害也是不容忽视的，例如在2 0 世纪中期，位于比利时艾伯特运河上的数十座焊接桥梁先后发生了断裂，经调查研究发现，断裂的主要原因是在焊接过程中产生的残余应力过高，再加上恶劣的气候环境，最终造成了事故的发生，其经济损失数以万计【。缸在目前的加工工艺当中，针对残余应力的处理方法大概可以分为两大类，一类是自然时效法，另一类是人工时效法。前者是一种非常古老的时效方法，其原理是使构件在自然环境中长期放置，依赖于自然环境的变化而产生的反复的温度应力会使残余应力有所降低，这种方法时效处理效果好。但由于处理周期长，管理困难等原因已逐渐被抛弃1 2 一q 。目前使用的人工时效法主要是热处理时效，它是指将工件放置在高温下保持较长的时间，然后缓慢的冷却至室温以消除残余应力的一种工艺。这种工艺虽然可以达到时效处理的效果，但是对温度的要求特别严苛，如果控制的不够精确，效果将会大打折扣，并且可能会导致工件表面材料氧化，其硬度及机械性能下降。激振时效法是一种新兴的，能够取代热时效法的工艺。它的主要原理是人为的产生激振，使原子的晶格能够吸收到足够多的机械能，从而减小或均化残余应力和残余变形，使零件的屈服强度和韧性提高，表面硬度和尺寸变形减d d s , 6 1 。这种方法周期短、能耗少、处理效果好并且便于自动化控制，在能源日益紧缺的今天有着非常广阔的应用市场和发展空间。哈尔滨t 程大学硕十学位论文1 2 国内外研究现状1 2 1 国外的研究现状关于残余应力比较经典的模型是由m a r t e n s 等人在1 9 1 2 年提出的( 如图1 1 ) 。设有长度分别为z 。、z ：和z ，弹性模量为c l 、c 2 和c 。的三根弹簧，用两块刚性板将它们连接起来，在没有外力的作用下系统达到平衡时，弹簧的长度均为z ，此时弹簧上产生的力e 、疋和e 即为残余应力，且他们之和为零。图1 1 残余应力的弹簧模型所以从本质上讲，消除残余应力有两种方法：一种是使处于弹性形变的晶格达到塑性屈服，这样内应力就会相应的减小；另一种是给晶格足够大的能量，使其振动，最终回到平衡位置，减小晶格的变形量，从而达到消除残余应力的目的。激振时效法最早出现在二十世纪初的美国，是由著名物理学家司徒埃特提出的，其基本思想是通过对应力工件施加循环载荷，使工件的内应力释放，从而使残余应力降低，达到时效的目的r 。但是当时的电机制造技术和控制手段比较落后，制造出来的激振器不仅笨重而且缺乏可控性，再加上对于激振时效法的机理并不十分明确，这一技术在很长的一段时间内都没有得到应用和推广。在二十世纪中叶，由于西方国家快速的工业化进程，导致了全球范围内出现了能源紧缺的现象，激振时效法才又重新被人们所重视，它的优越性也逐渐的显现出来。而在二十世纪七十年代出现的可调高速电机更是全面推动了这一技术的发展。从二十世纪五十年代开始，就有振动时效装置被投放到市场上，而对振动时效技术的测试直n - 十世纪六十年代才由b u h l e r 、p f a l z g r a f 以及z e i g 完成，他们总结了振动时效技术的有效性，并发现：对于一些结构复杂的设备，即便是在共振条件下，时效效果也会由于应力降低的不均匀性而大打折扣；同时指出一味地增加外加应力有可能会使材料出现疲劳损伤【引。在1 9 6 8 年，k e l s o 对激振时效的机理进行了较为全面的阐述，他指出振动时效的本质是无序原子在外界能量的作用下达到平衡状态，并且提出了目前为止对振动消除残2臼疆2之乏萋c一-。l巳懂第1 覃绪论一 i l li l l i li i余应力最普遍的宏观解释：残余应力和外加振动应力相互叠加，在超过屈服点时材料将发生塑性变形，从而使残余应力得到释放【9 , 1 0 。在此以后，有学者引入微塑性流的概念对变形的过程进行重新的阐述和说明，但基本理念并没有发生改变。面对于激振时效的原理来讲，带有革新意义的思想产生于二十世纪末，是由日本人提出的，并且通过实验的方法验证了这种思想的有效性。它的突破之处在于在焊接的同时使用超声波来消除残余应力，实验效果明显优于一般的激振时效，焊接后残余应力显著减小i n 】。近年来，英国斯特拉思克莱德大学的缪斯等人对激振时效法进行了系统的研究，得出了以下结论：冷却后v s r 并不一定可以起到消除残余应力的作用；对于处理效果而言，振动幅值比振动时间起到了更为重要的作用；激振时效法会改变材料的微观结构，从而提高材料的硬度和疲劳寿命；若对焊接杆件施加扭转振动，采用较小力矩就可以消除较大残余应力1 1 2 - 1 5 ) 。虽然对于激振时效法消除残余应力的机理研究进展比较缓慢，但是由子其处理效果明显优于其它时效方法，所以被相当迅速的运用于生产制造的各个方面。西方国家将这项工艺应用于包括航空、船舶、印刷等行业在内的众多领域当中，并且都取得了相当可观的经济效益。据资料显示，目前全球正在使用的激振时效系统有上万个，美国在上个世纪九十年代年采用激振时效工艺的公司己有7 0 0 多个，而英国几乎所有的公司都使用了该技术1 1 6 切。美国p x i i 程公司，采取激振时效法来消除八吨重的焊接结构齿轮的内应力。，以减少焊接裂纹，效果非常显著；美国p o n t l a a d 电子专业公司，用该项技术处理四吨重的锻件毛坯，该公司规定对锻件进行三次振动处理：毛坯、粗加工后、精加工后，三次处理后就达到了保证锻件稳定性的目的；美国西北工艺公司对一千八百吨重的海洋铁塔及一于两百八十吨重的钻井平台均使用过振动时效处理；英国在制造喷气发动机火焰筒衬里的过程中，常由于焊接后产生热膨胀而产生裂纹，报废率占3 0 以上，后来改用振动时效工艺，报废率几乎为零；英国所有专用机床的生产均采用了激振时效处理，因为相交于热时效，这种方法更有利于保证产品的精度1 2 2 国内的研究现状在二十世纪八十年代，激振时效技术就被引进我国。相较于西方国家快速推广的情形来讲，我国政府虽给予了足够的重视，但是在相关领域的应用依然不够充分。“六五 期间v s r 被列为中国三十八项重点攻关任务子项“提高机床铸件质量的研究3哈尔滨丁程大学硕士学位论文内容之中，由北京机床研究所负责进行工艺实用性研究，这使得我国对v s r 工艺的研究达到了世界先进水平；“七五 期间我国在v s r 工艺上的研究日趋成熟，并且发布了v s rt 艺的国家标准，同时v s r 设备也开始摆脱仿制国外产品的路线，进入自行研发阶段；1 9 9 1 年此技术被国务院新技术办公室批准为国家重点推广项目：1 9 9 3年被国家科委列为“国家级科技成果重点推广计划 项目；2 0 0 1 年8 月中国机械工业联合会发布文件，正式将v s r 技术纳入机床制造标准，极大地推动了v s r 技术的发展和应用【1 8 ，1 9 1 。在激振时效的理论方面，国内的学者也进行了系统全面的论证。浙江大学的贾叔仕等人认为，激振时效机理大概可以从微观和宏观两个角度去解释：从宏观上讲，当外加振动应力与材料内部残余应力相叠加大于材料屈服极限时，材料将发生屈服变形，产生应力松弛，从而消除残余应力；从微观上讲，在循环应力的作用下，金属晶体发生位错运动，从而产生位错增殖、塞积和缠结等现象，最终使高残余应力区的位错塞积群被开动，使晶体产生微观塑性变形，高残余应力得以释放。【2 0 1 张勇等为配合国家经贸委技术进步与装备司推广应用“振动时效技术，专门撰写文章针对其机理以及对金属零件残余应力、零件抗变形能力、零件尺寸精度等方面的影响等做了详细的讨论：西安理工大学许肠等对v s r 的现场即时定性判断的判据提出了新观点，认为与振前扫频曲线相比，振后扫频曲线是否简洁而平滑，是v s r t 艺效果是否良好的重要标志之一【2 。从一九七九年第一台激振时效装置投放到市场上开始，这项技术开始被逐渐的应用于装备，化工等相关行业。北京航空工艺研究所将该技术应用于高精度数控机床的生产领域，实践表明：在热加工和粗加工后均对焊件进行激振时效处理，与热时效相比( 表1 1 ) 能更好的保证了制造尺寸的精确度【2 2 , 2 3 】。表1 1 热时效与激振时效效果对比距焊缝垂直距离m m1 02 03 04 0随力热时效后1 7 0 61 0 0 04 2 26 3 7m p a振动时效后3 1 42 8 44 91 3 7在机械行业，激振时效的应用日益广泛。包括佳木斯电机厂在内的一些企业由于采用了激振时效的工艺，使产品的尺寸精度能够满足外国厂家的需求，促进了企业的出口。在2 0 1 0 年世博会台湾馆的建设过程中，使用了激振时效对焊接构件进行处理，不仅使会馆主体结构的安全性得到了保证，而且缩短了工期。对于一些国家的重点项4第1 章绪论目诸如2 0 0 吨压机横梁、西气东输全焊接球阀等，也均采用了激振时效的方法来消除应力【2 4 】。激振时效技术的推广对我国化工设备的设计思想产生了革新性的影响，以前无法进退火炉及制造规范规定不需要进行消除应力处理的设备，现在只要有微小的投入即可进行消应处理了，为化工设备安全系数的提高提供了有效手段。由于尺寸精度的提高，密封性能得以改善；疲劳寿命的提高和抗应力腐蚀能力的增强，使得设备的使用寿命得到延长；振动时效设备结构简单、操作方便、省时、节能、效果好，可适应结构复杂及尺寸庞大的工件，化工设备制造行业正在积极推广应用此项技术1 2 5 , 2 6 】。目前我国对激振时效装置的开发已经逐步的成熟和规范，其中技术比较先进而且具有代表性的企业是株洲市天洲振动时效设备厂。经过十几年不断的发展和创新，先后成功开发出了t z 2 1 系列智能型振动时效装置、r s r 系列全自动振动消除应力专家系统、r s r 2 0 0 0 系列全自动振动消除应力专家系统、r s r 3 0 0 0 系列三维全自动振动消除应力专家系统和t z c 系列多功能超声处理装置( 如图1 2 ) 1 2 7 】。图1 2t z c 系夕0 多功能超，；i 处理装置即便如此，激振时效技术依然没有在我国的企业当中得到大规模的应用，其主要原因是：目前激振装置比较单一，大多采用直流电机带动偏心轮产生低频振动，价格昂贵，可靠性差；对于高频激振时效机理的研究还不是相当透彻，特别是还没有做到完全的量化；针对时效处理效果的判定标准不够成熟，使得实验结果不能够被真实有效表现出来，给这项技术的推广应用带来了障碍。1 2 3 目前的研究存在的问题虽然激振时效法能耗低、周期短及效果好等优点已在实践中得到证实，但是在研究和推广的过程中依然存在着很多不足：( 1 ) 激振时效法在实际应用的过程中缺乏必要的理论基础。虽然有学者给出了其微观和宏观的解释，但是均没有能够做到量化的分析，所以给操作过程的规范化带哈尔滨t 程大学硕十学位论文来了障碍。( 2 ) 目前大多激振时效装置价格昂贵、频率低且可靠性差。它们一般是采用单片机或集成块控制直流电动机带动偏心轮来产生振动信号，但直流电动机本身结构复杂，而且激励频率也被片面地局限于低频振动的范围之内，所以性价比并不高。( 3 ) 残余应力的测量技术尚不完善。振动时效技术中通常采用试件振动特性的变化来判定试件内部残余应力的变化情况，如根据初步的理论分析和实践经验，当试件内部残余应力得到消除或降低时，表现在振动时效前后扫频曲线的变化上，其特征是共振峰值增高而共振频率降低等现象，这一特点在j b t 5 9 2 6 9 1 中被规定为判定振动时效效果的标准，然而采用这些方法还缺乏严格的科学根据，对于较复杂的试钟往往会出现异常的情况，同时这种方法灵敏度低、无法量化【2 9 l 。1 3 论文主要的研究内容论文的主要内容分为以下几个部分：( 1 ) 对激振机理进行研究，对影响激振时效效果的因素和工艺参数进行研究、分析；( 2 ) 对用于激振时效的磁致伸缩超声波换能器的工作原理和设计方法进行研究，对磁致伸缩材料磁致伸缩性能进行分析，对超声振子、变幅杆进行研究、分析、设计，对变幅杆进行模态和谐振分析；( 3 ) 对磁致伸缩超声波换能器激振源进行研究、设计，对激振时效装置进行试验和测试。6第2 章激振时效装置的总体方案设计第2 章激振时效装置的总体方案设计2 1 概述激振时效装置是一种针对残余应力的时效处理装置，通过对构件进行一定频率的激振使构件内部的残余应力得到释放，改善构件的性能。残余应力是指在无外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力，其产生的根本原因是物体内部产生不均匀的弹塑性变形；很多加工工艺都会使构件内部产生不同程度的残余应力，如铸造、切削、焊接、热处理和装配等1 3 0 l 。在各种工艺中，焊接应力比较典型，并且易于量化讨论和分析，故本文主要以焊接工艺为例来阐述残余应力产生的过程和消除的途径，验证所研制的激振时效装置的可靠性。2 2 焊接残余应力的产生及消除焊接构件由于焊接而产生的内应力叫做焊接应力；焊接过程中某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，对焊接性能有极其重要的影响；焊接后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力i 会对结构的使用性产生影响【3 n 。在焊接构件的过程中，焊接的区域温度急剧上升并最终导致了构件的局部溶化；而焊接过后，焊缝区域的温度急剧下降。在这种局部的、不均匀的温度变化过程中，首先在焊接区域产生了热膨胀，形成了塑性的热压缩；而后，随着温度的降低，焊接区域开始冷却收缩，却又受到周围区域的约束。最终，在焊接区域表现出拉伸残余应力，而在相邻区域结果却相反。若对焊件进行进一步的加工，或者在工作和运行的过程中焊件又产生了应力，那么它将与焊接产生的残余应力相互叠加，只要局部或整体达到屈服，残余应力就会发生变化。而在工程实践中，焊接应力的产生和变化是一个非常复杂的过程，它是由材料属性，制造工艺、结构特点等多种不同的因素相互作用而产生的结果，如图2 1 所示1 3 2 1 。但是总体来说可以将残余应力产生的原因分为两大类；一类是由于热作用产生的残余应力；另一类是由于塑性变形产生的残余应力。两类原因导致残余应力的本质都是相同的，均是组织内部结构发生变化，导致了塑性变形部分和没有发生塑性变形的部分相互牵制，最终引起了晶格的畸变，而残余应力也正是晶格畸变的一种宏观表现。所以可以通过两种途径来消除应力：一种是给原子足够多的能量，使它可以回到以前的平衡位置；另一种是让弹性变形的部分转变为塑性变形。7哈尔滨t 程大学硕十学位论文图2 1 导致焊接应力的各种因素及它们之间的联系2 3 激振时效机理分析2 3 1 宏观机理当对金属构件施加幅值递增的循环载荷时，材料的屈服极限会逐渐升高，如图2 2所示。同时构件的残余变形量也会累积增加，最终导致构件损坏。若对载荷的幅值加以限制，则材料的屈服极限逐渐升高，但新产生的塑性形变量却逐渐减小，如图2 3所示。在循环作用若干次以后，材料将不会产生新的塑性形变，仅产生弹性形变【3 引。这种情况类似于激振时效的静态模型，即由于塑性形变的产生使残余应力得到释放。o0图2 2 变载荷下的拉伸曲线图2 3 等幅载荷拉伸曲线l u b a nf e l g e r 在对金属构件的应变特性做了大量研究以后发现：假设构件本身含有大小为吼的残余应力，当它受到幅值为f c 一的交变载荷作用时，金属的特性曲线如图2 4 所示【3 4 1 。其中o a 是弹性载荷直线，当构件所承受的应力超过吼以后，进入塑性区直到c 点，a c b7 是第一次受到交变载荷时的应力和应变曲线，虽然c b 与第2 章激振时效装置的总体方案设计i i i 葺i 宣i i i i 宣i i i i 葺j 宣i i i i 宣i i ii ,i i i弹性载荷直线平行，但是形变量却不为零。当经历过数次交变载荷以后，其应力应变曲线为b c b ”，同时残余应力也由吼下降到。o0 o e0图2 4 交变载荷下的应力应燹曲线这种现象一般称为包申格效应，在宏观上的描述为当构件经历一段时问的循环载荷作用后，材料的当量屈服强度上升，当与构件应力相等时才不会有新的塑性形变产生，此时材料的弹性性能得到强化f 3 鼾。从上述实验中还可以得出这样一个结论，只有当自身应力和外加载荷嘞之和大于材料的屈服极限吼时，材料的残余应力才会得到释放，即：嘞4 - c y 残 ( 2 1 )这也是激振时效必须满足的条件。故当对构件进行一段时间台勺激振时效处理以后，必须提高载荷的振幅，否则将不能达到继续消除残余应力的目的。2 3 2 基于细观力学分析激振时效微观机理塑性变形的本质是位错运动，目的是为了从高能量位置转移向低能量位置，运动形式主要有滑移和攀移两种1 3 6 3 7 l 。在任何晶体中都存在有位错，有学者认为对于从溶化状态新生成的晶体来讲，其内部存在位错的主要原因是：( 1 ) 位错是子黾体所固有的，伴随着晶体韵产生而形成；( 2 ) 由予晶体中存在有杂质，所以促使了位错的形成。若对晶体施加周期性的交变应力，则在晶体内产生新的位错和输入能量之间的关系为：【，伍) 一捌南l n 争捌，( 2 _ 2 )对式( 2 - - 2 ) 两边求导，然后求极值可以得到：9哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文即墼4 ：r l l - y ) 悻k + 1 )( 2 - 3 )式中：u c 产生位错所需的能量弹性模量心位错圈半径b 位错相对位移，泊松比a 系数位错芯半径由式( 2 3 ) 可以看出，产生位错需要较大的局部应力和能量。但是当金属材料产生塑性变形时有大量位错不断的产生，目前对于这种位错增值机制的解释有很多种，其中最为通行的说法是弗兰克瑞德源( 如图2 5 ) 。位错线a b 两端由于某种原因被固定，当受到外加切应力z 的作用时，位错线开始弯曲，曲率半径，与切应力的关系为：f b l u 2 r( 2 4 )当位错线变形为半圆时，切应力达到最大值( 如图2 5 c ) 。由于位错线上的各点所受应力大小相同，所以线速度保持一致，而靠近端点处的角速度逐渐增大，在a 、b 处形成卷曲( 如图2 5 d ) 。在位错线上取相对称的两点1 1 1 、1 1 ，它们柏氏矢量相同但位错线的方向相反，当卷曲到一定程度时会释放出一个位错环并重新生成一条位错线。在外力的作用下，上述过程不断循环，每释放一个位错环，晶体就相对运动一个柏氏矢量b ，最终形成了宏观的塑性变形。匦匦哂-ca ，( b 圃匦匦cd )图2 5 兰克瑞德源当金属材料在外力的作用下产生滑移时，会有大量的位错在同一滑移面上滑移。1 0第2 章激振时效装置的总体方策设计如果领先位错遇到林位错、不可动位错组态和晶界等障碍物并且无法克服时，它将停止继续向前滑移，而领先位错之后的由位错源激发出来的位错将塞积在其后形成塞积群( 如图2 6 ) 3 s l 。假设与领先位错临近的位置有一晶粒，在原有的应力场中其内部的位错p 处于静止的状态。但是随着塞积群的长度不断增加，晶体周围的应力场不断变化，位错p 所受到的作用力7 也随之增大。当r 值增大到足以克服位错p 的阻力时，p 被激发成为位错源，塑性变形即被传递给了p 所在的晶粒，则塞积得以开通，晶粒开始发生畸变，此处的应力得到释放。- 一to王蛰：呈呈芏1 - l位错捧y i j x图2 6 位错塞积示意图2 3 3 激振时效微观机理激振时效分为低频激振时效和高频激振时效两种，它们消除应力的机理略有不同。低频激振时效是利用周期性的应变使位错克服各种阻力运动，最终产生微观的塑性形变，同时构件的应力场也发生相应的改变。它使整个构件的残余应力重新分布，峰值下降，达到新的平衡，但是并不能使残余应力彻底消除。而高频时效可以使构件达到无应力状态，并且不易导致疲劳损伤。对于高频激振时效的机理存在有两种不同的解释：( 1 ) 高频激振可以使使晶粒达到共振频率，剧烈的振动，迅速的回归到平衡位置，由于晶体的质量很小，而且在材料内部的运动阻力非常大，所以要想达到共振的目的就必须使用高频激振；( 2 ) 高频时效的频率高、振速快、冲击力强，能够使构件表面的温度瞬间上升到6 0 0 0 c 并迅速冷却，对于焊缝来讲，这种高频能量的输入能够使其表面的金相组织发生变化，从而使晶粒的体积膨胀降低焊缝区域的拉伸残余应力。2 4 激振时效装置的总体方案设计研究表明，使用超声波对焊缝进行时效处理，当振速达到2 m s 一3 m s 时可以有效地消除残余应力。使表面的晶粒细化并且延长材料的疲劳寿命1 3 9 1 。故本文所研制的激振时效装置要能够产生振速大于2 m s 的超声振动，为了防止在工作的过程中因频率漂移而使振动频率低于超声波的最低频率，设定装置的额定频率为2 4 k h z 。超声波冲击振动所能够传递给被加工构件的能量可表述为f哈尔滨t 程大学硕十学位论文j = 埘2 a 2 ( 2 - - 5 )式中：j 输入的超声冲击振动能量，超声振动的频率c 为超声振动的传播速度彳为超声振动的振幅p 为被加工件的材料密度为了使构件获得足够大的能量，设定装置的功率为3 0 0 w 。2 4 1 换能器的分类换能器的主要作用是将某种形式的波动能量转换成其它的形式，分为电声换能器、光电换能器以及机声换能器等多个种类。激振时效法主要是利用高频率的机械振动将能量传递给晶格以消除残余应力，所以本文需要研制出一整套能够产生稳定的、高频的、可控的、大振幅的机械振动装置。而在这些方面，电声换能器具有显著的优势。电声换能器的工作状态分为两种：一种是发射状态，主要是把电信号转变为机械振动；另一种是接收状态，与发射状态相反，它的主要作用是把介质中的声信号通过机械振动系统耦合到电路中并变成电信号，然后把这些电信号送到接收或者指示设备上去【矧。故本文需要研制的换能器是一套处于发射状态的电声换能器。依据换能器能量转换方式的不同，可以将其大致分为两类：第一类是电场性换能器，即电路系统给储能元件提供一个振荡的电信号，借助于电场的“力效应产生机械振动的推动力；第二类是磁场性换能器，即电路系统给储能元件提供一个振荡的电信号，借助于磁场的“力效应 产生机械振动的推动力。而在各大类中，又可以根据其换能器件工作原理不同分为若干小类。( 如图2 7 ) 同样，换能器材料也相应的分为两大类：压电材料和磁致伸缩材料。图2 7 换能器的分类压电材料在十九世纪就被居里发现了，但直到第一次世界大战时，才被应用到换能器的领域中。它分为真正的单晶体和极化的多晶陶瓷两大类，前者的压电性是由于第2 章激振时效装置的总体方粟设计晶体结构上的不对称性，后者的压电性是人为产生的。目前常用的压电材料有钛酸钡( b t ) 、锆钛酸铅( p z t ) 等均属于后者。和普通磁致伸缩材料相比，压电陶瓷具有很多优点：通过改交陶瓷的组成成份和制作工艺，能很容易的获得具有不同特性的陶瓷，以便应用于不同的场合；可任意选取极化方向，并制成任意的形状；变形的程度比较理想；机电耦合系数高，使换能器能在宽频带上工作并且具有较高的发射效率和灵敏度；机电能量密度大，可用于大功率。同时压电陶瓷也具有很多不可避免的缺点阻碍着它的应用：导热系数过低，在设计时必须增加额外的散热措施，增加了换能器的体积；声速不高，对于低频大功率的换能器并不适用；由于制作过程不易被精确的控制，而且制作过程中微小的变化都会影响到性能，所以导致了其性能不稳定；抗张强度低；密度大，特性阻抗高，不利于与低特性阻抗的工作介质相匹配。从二十世纪二十年代开始，人们发现了很多种材料具有磁致伸缩效应。按照其材料特性分为金属磁致伸缩材料和铁氧体磁致伸缩材料两大类。前者的优点是居里点较高、工作时性能稳定以及具有很高的机械强度；但是这类材料盼电阻率低涡流偏大，故要制成叠片组合在一起，为使叠片之间绝缘，需要进行退火处理；其中比较具有代表性的材料有：镍、铝铁合金和镍钴合金等。后者的显著特点是磁致损耗和涡流较小，灵敏度高：其中比较具有代表性的材料有镍锌铁氧体和镍锌钴铁氧体。二十世纪七十年代初期，美国水面武器中心的c l a r k 博士首先发现了t b f e ，等二元稀土铁化合物在室温下有很大的磁致伸缩系数，八十年代初期以后进一步发展成了三元稀土铁化合物，其中比较典型的材料为t b x 印，工f e ：，它具有较低的各向异性，并可以获得更大的磁致伸缩系数，被称为超磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l s ，简称g m m ) ，也称稀土超磁致伸缩材料1 4 i l 。对于超磁致伸缩材料的组成成份来讲，不同国家的产品会略有差异，但是产品的性能都大伺套异。以美国e d g e t e c h n o l o g i e s 公司生产的牌号为t e r f e n 0 1 d 的商品为例，它具有耦合系数大、频率特性好、能量密度高、居里温度高和无过热失效等诸多优点。与其它几种常见材料性能的比较如表2 1 所示1 4 2 j 。因此，超磁致伸缩材料也引起了相关的高技术领域的重视。我国稀土资源非常丰富，虽然对于这方面的研究起步较晚，但进展迅速。随着制造工艺的不断完善，性能不断的提高，稀土超磁致伸缩材料的应用领域也不断扩大。哈尔滨t 程大学硕十学位论文表2 1 几种常见材料性能比较t c r f c n 0 1 d纯镍压电陶瓷性能参数t b o 2 7 d y o 7 3 f e l 9 3 9 8 n ip z t 4杨氏模量n m 22 6 5x 1 0 1 02 0 6 0 x1 0 1 01 1 3 0 x 1 0 1 0声速m s41 6 9 06 0 4 04 1 5 0居里点o c3 8 73 5 43 0 0伸缩系数# m m 以1 5 0 0 一2 0 0 04 04 0 0机电耦合系数k o 7 20 1 6 - 0 2 5o 6 8d 3 3 m a 一11 7 x 1 0 。9d 3 3 m y 一14 9 6 x 1 0 1 2磁导率9 36 0磁弹密度j m 。31 4 0 0 0 2 5 0 0 03 09 6 02 4 2 总体方案的设计虽然稀土超磁致伸缩材料的性能略优于一般的磁致伸缩材料和压电陶瓷，但是它自身依然具有不可避免的缺点：材料质脆，容易断裂；机械加工困难且制作工艺复杂；高频时涡流损耗大等。而且近期国家出于对稀土资源的保护，出台了一系列的措施限制其开采，导致了稀土价格持续飙升，已远远高于其它材料。所以在满足换能器性能要求的基础上，从适用性、经济性等多个角度综合考虑，最终选用镍作为超声波换能器振子的主要原材料。目前比较典型的振子的结构有：圆管形，分为多管和单管两类；变压器形( 棒形) ；组合式，把众多磁致伸缩细管组合在一起共同推动一个辐射膜。对于镍来讲，影响其工作性能的主要因素是涡流效应。因为它会使磁致伸缩棒的温度上升，造成能源浪费，而且会影响磁致伸缩棒的性能参数，导致其工作状态不稳定。比如在居里温度以上，磁致伸缩材料的磁致伸缩性能将会彻底消失。所以三种常见的经典结构都将镍分为了若干个小部分，有效的减小了涡流损耗，但是每种结构排列组合的方式却不尽相同。从加工工艺，组装的难度，体积的大小等各方面综合考虑，最终选定变压器形结构为设计的方向。制作变压器形振子的主要工艺是：将镍制成薄片，然后氧化处理使其在表面生成可以绝缘的氧化膜，再把这些薄片用树脂粘合在一起。振子的整体尺寸，以及缠绕线1 4第2 苹微振时效装置的总体方粟设计_i t i i i 宣i i i i 宣葺i i i 圈的电压、电流等参数要在具体分析材料的弹性变形、电磁效应等性能的基础上确定。由于振子本身的振速和振幅都很小，无法达到激振时效的要求，故要在振子前端安置一个变幅杆以放大振速；为了使振子产生超声振动，需要激振源能够将2 2 0 v 、5 0 h z 的交流电转变为相应的高频交变电流。所以本文研制的超声波时效装置由三个部分组成：激振源、振子和变幅杆( 如图2 8 ) 。2 5 本章小结图2 8 激振时效系统设计方案本章主要是对残余应力产生原因、消除途径、激振时效的机理、超声波产生的方式和不同种类超声波换能器的特性进行了研究，对压电材料和磁致伸缩材料的性能进行了分析，设计了激振时效装置的整体方案，装置由激振源、振予和变幅杆三个部分组成。-哈尔滨t 程大学硕十学位论文第3 章磁致伸缩换能器振子的设计与研究3 1 磁致伸缩材料的应用机理磁致伸缩换能器的工作原理是建立在铁磁物质磁致伸缩效应上的：( 1 ) 在均匀的、各向同性的磁介质中，磁场强度日和磁感应强度b 存在着线性关系：b = 从( 3 1 )式中：磁导率，h m但铁磁性材料的磁导率通常不是常数，其值与温度、磁场强度以及磁化历史都有着密切的关联。而且对于各向异性的磁介质来讲，磁导率是一张量，所以日和b 的关系式可以表述为： 主i 4 差兰差兰差三 。 荟 】( 3 一! ，本文主要讨论的是各向同性的磁介质，所以在略去向量符号以后简化为公式( 3 1 ) j( 2 ) 铁磁性物质另外一个重要的特点就是磁滞效应，即在铁磁介质中磁感应强度b 的变化总是落后于磁场强度日的变化：在周期性的磁场作用下，相应的磁感应强度也做周期性的变化，从而形成一迥线，称为磁滞迪线( 如图3 1 ) 【4 3 l 。磁滞迪线的面积与循环所消耗的能量成正比。在条件允许的情况下，可以先用一个较大的恒定磁场日一对铁磁材料进行极化，然后再叠加上一个较小的交变磁场h 。( 如图3 2 ) ，这样就可以使换能器工作在一个相对线性的区域，减小热量的损失。bjlf而j 一么。hh图3 1 磁滞迪线示意图图3 2 磁场叠加示意图( 3 ) 铁磁性物质都是导体，而导体在自身的磁感应强度发生变化的时候都会在1 6第3 章磁致伸缩换能器振子的设计与研冗l i i i i j i i i i i i i i 宣ii i i i i i i i | i |其内部产生相应的阻碍其变化的电流，这种电流也叫涡流，而这种现象被称之为涡流效应。涡流效应所带来的后果是电磁能转变为热能，导体的温度上升，这不仅会影响材料的性能，而且将导致能源的浪费。为了减小这种涡流损耗，常用的有两种方法：第一种是选择电阻率高的材料，电阻率越高，产生的电流就越小，能量的耗散也就越少；第二种是将材料制成薄片状，再在表面涂上绝缘漆或者绝缘的氧化物，这样涡流就被限制在狭小的范围内回流，减小了净电动势，增大了电阻率，减小了能量的损失。( 4 ) 磁致伸缩效应分为两种，一种是指铁磁材料在磁场的作用下，它的大小和形状将会发生变化的现象，被称为正向磁致效应；另一种是当铁磁材料在受外力作用时它的磁化状态随之发生变化的现象，被称为反向磁致伸缩效应；由于变化的类型和形式不同，磁致伸缩效应又分为线磁致伸缩效应、体积磁致伸缩效应以及扭转磁致伸缩效应等【4 引。正向磁致伸缩效应最早是由焦耳发现的，故也被称为焦耳( j o u l e ) 效应。这种效应所引起的长度上的相对变化量受到材料性质、加工方法、外界温度等各种条件的影响。但是其数量级一般都仅在1 0 6 左右。并且磁致伸缩变形的方向不随外界磁场的方向变化而变化。这就是所谓的倍频现象( 如图3 3 ) 。用公式表示为：h竽一妒恒2 )或孚一妒白2 )ij _) l一u 七图3 3 倍频现象反向磁致伸缩效应是由魏拉发现的，同样也称之为魏拉( v i l t o r i ) 效应。只有被极化的棒体才具有这种效应，即棒体本身必须具有恒定的磁感应强度j 5 1 ，这样才能在发生形变的时候产生附加的磁场强度，其大小与b 以及变形量有关：碍，a 佃) 竽。a 佃b( 3 4 )l对于磁致伸缩效应的物理解释是：在铁磁体内存在许多体积在1 0 9 - 1 0 8 ( 锄3 ) 左1 7哈尔溟下程大学硕士学何论文右的磁畴，在未极化时磁畴排列混乱，磁矩抵消，在宏观上不显示磁性：极化时，依据外加磁场强度的大小，磁畴逐渐转向极化方向，同时伴随着磁矩的叠加以及晶格的变动，反映在宏观上就是磁致伸缩形变；反之，如果在极化时铁磁体发生形变，晶格必然会发生改变，遂即影响到磁畴的方向，在宏观上就表现为产生了一个附加磁场。3 2 振子的结构及特性分析3 2 1 磁致伸缩方程任何一个弹性物体在发生变形的时候，都说明它有受到力的作用，磁致伸缩材料也不例外。在受到外界磁场的作用时，在磁致伸缩材料的内部会产生机械应力，该力被称为磁致伸缩力，它是材料产生形变的根本原因。而单位面积上的力的大小和材料单位长度上的伸长量成正比，被称为磁致伸缩应力，并用乙表示：ll ，k z 。y o - 址；-( 3 5 )式中：k 杨氏模量，p al 值为正时表示受到张应力，值为负时表示受到压应力【州。由磁致伸缩效应可知，当磁致伸缩棒处于极化状态时，棒内任一点的应力z 和磁感应强度b 不仅和外力以及外加磁场密切相关，而且两者相互影响，这些因素共同作用的结果就是使磁致伸缩棒产生应变z 。在大量实验的基础上，用下列几组方程表示各个要素之间的相互关系：( 1 ) 当x 和b 为自变量时：t 一) ，知一o b ( 3 - - 6 a )日。一a + 三b( 3 6 b )u 。( 2 ) 当x 和日为自变量时：t = ) ，孑z o 弘。h( 3 7 a