[发明专利]一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，属于金属表面处理技术领域。

背景技术

喷丸表面处理是金属材料表面强化的有效手段之一。传统喷丸工艺通常以压缩空气和机械离心力作为动力源，加速弹丸轰击材料表面。其缺点是设备能耗大，有粉尘污染，占用空间大，不方便移动作业等。超声喷丸表面处理尽管受到设备结构和功率限制，只适合对小型工件进行表面强化，但是克服了传统喷丸工艺的缺点，功率超声用于表面强化显示出巨大的发展潜力。

超声冲击（Ultrasonic Impact Treatment- UIT）技术最早由乌克兰Paton焊接研究所提出。1972年，发明了磁致伸缩换能器超声冲击装置（专利号USSR No.472782）。1997年，乌克兰专利（专利号Ukrainian Patent No.13936）针对早期装置存在的表面处理均匀性差，系统需要水冷导致设备和工艺过程复杂，以及冲击部件易于损坏等缺点，采用冲击头与变幅杆的弹性连接结构，并在变幅杆与冲击杆（针）之间增加高强材料垫片等方式，对早期装置进行了改进。但改进后的装置一般只能连续工作3-5分钟，需频繁停机冷却，且只适合处理零部件平整表面，对焊缝处理效果不佳。2002年，Prokopenko等发明了压电陶瓷换能器超声冲击装置（专利号US 6467321 B2），提高了能量转换效率，减小了冲击装置体积、重量及对冷却强度的要求。2007年，Statnikov等发明了用于超声冲击处理的振动系统及工具（专利号US 2007/0040476 A1）。通过分析磁致伸缩体的形状、尺寸、排列方式、铜焊工艺、防气蚀方式和内腔形状，变幅杆的材质、形状、尺寸、端头硬化方式和硬化层结构，冲击针的形状、尺寸和装配方式，以及密封环的材质、形状、尺寸和装配方式等影响因素，全面优化了各部件的材质、形状、尺寸，制备工艺和装配方式，显著提高了装置性能的一致性、稳定性和可靠性。2008年，Prokopenko等发明了用于金属硬化和消除应力处理的超声工具（专利号WO 2008/150250 A1），通过增设温度传感器等措施，使冷却系统的效率增加，工作周期延长，冲击头零件的磨损与疲劳性能提高，改善了装置的可靠性。

天津大学焊接工程技术研究所于1997年建造了超声冲击设备。2002年，王东坡等发明了《一种提高焊接接头疲劳性能的压电式超声冲击装置》（公开号CN1359778A），用压电式换能器代替了原有的磁致伸缩换能器。与同类装置相比，在相同工作频率下，其体积减小300-600%，重量减轻40-100%，效率提高200-300%，焊接部位的疲劳强度提高20-200%，疲劳寿命延长3-400倍，且无需液体冷却。相关系列发明专利还有：《一种压电式超声冲击枪》（公开号CN 1359777A），《一种超声冲击枪用振幅杆》（公开号CN 1359781A）和《一种超声冲击枪用多针式冲击头》（公开号CN 1359780A）等。2006-2008年，又分别申请了发明专利《斜角度超声冲击枪》（公开号CN 1887507A），可适应各种空间位置和任意角度操作；《一种半波长超声冲击枪》(公开号CN 101134195A)和《一种3/2波长的超声冲击枪》(公开号CN 201186944Y),冲击针能够接触到工件上狭小空间等特殊位置；《一种滚动冲击头超声冲击枪》（公开号CN 101220407A），保证了系统的谐振特性稳定和超声能量的有效利用。