[发明专利]超声冲击针速度测量实验设备及其应用

说明书

技术领域

本发明属于超声冲击技术领域，更加具体地说，涉及一种新型超声冲击针测速实验设备。

背景技术

焊接过程中由于温度变化不均匀，会在焊后产生焊接残余应力。特别是接头部位，是整个结构中的薄弱环节，往往在焊接接头的焊趾处存在着各种焊接缺陷、应力集中和拉伸焊接残余应力，这些原因造成焊接接头处的疲劳强度远低于母材金属的水平。而残余应力对结构疲劳强度的影响是人们非常关心的问题，并且投入了大量的人力物力进行研究。研究结果表明焊接残余应力对疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力比有关，当应力比数值较低时影响非常大。

超声冲击通过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，从而改变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。

然而虽然超声冲击工艺的原理简单，和普通喷丸处理工艺类似，但由于实际冲击过程是冲击针在换能器和试件之间反复多次的撞击，冲击针的速度变化又及其复杂，且由于实际冲击过程中冲击针头和试件之间的距离太近而无法观察，导致国内外对超声冲击针在冲击过程中的最大速度，冲击针的加速机制以及冲击针作用于被处理金属材料之后形成塑性变形层的本质物理演变机理一直未得到很好的解释。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，为了解决超声冲击过程中冲击针速度变化复杂，冲击针头和试件之间距离太小无法之间用肉眼观察的问题，设计的实验设备、实验流程以及实验数据处理方法。以达到更加直观的观察冲击过程，分析超声冲击的机理，优化工艺参数的目的。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

超声冲击针速度测量实验设备，包括底座、石英管、试样夹、固定螺钉、红外线测速仪和高速摄像机五部分。

所述底座整体上为圆柱形，其一端设置为锥脚形，其端部设置有用来和石英管相连的圆孔；其另一端的圆周上设置有螺纹和装卸凸起，用于和超声冲击枪体外壳连接，其内部为腔室（即内腔），所述超声冲击枪外壳通过螺纹和装卸凸起（法兰扣上并锁死）实现连接后，可使超声冲击枪的传动机构位于腔室（即内腔）中并顶住位于石英管中的冲击针。

所述石英管是透明的，外部标有尺寸，外径和底座端部的圆孔直径相配合，内径和长度有多种尺寸，可以根据实验测试的冲击针直径进行选择，其一端与底座相连，开口位于底座内腔的上方，以避免超声设备直接作用在石英管上造成石英管的损伤；另一端与试样夹相连，管口位于试样夹中部的通孔处，以使冲击针能够作用在试样表面。

所述试样夹是圆柱形的，一端设置有和石英管连接的圆形孔，孔的直径和石英管外径相同，另一端设置有螺纹孔，用于和固定螺钉配合，所述试样夹的中间部位开有一个矩形的通孔，用来装卡试件；一般情况下试样夹和石英管是固定在一起的，对于特殊的试样或者实验要求可以选择拆分型，实验时自行组装，连接处用紧固橡胶垫固定。

固定螺钉的外螺纹和试样夹的内螺纹配合，其作用是固定试样位置，保证实验过程中试样无法移动。

红外线测速仪主要是用于测量实验过程中冲击针速度的。高速摄像机负责对实验的整个过程进行拍摄，并可以通过每毫秒多帧拍摄对冲击针速度和运动情况进行分析。

本方法的技术方案可以用于超声冲击设备对各种材料进行实验，冲击过程中冲击针速度的测量和过程的观察，利用本发明的设备可实现对超声冲击过程中冲击针的速度变化和运动情况：首先按照试样夹的尺寸加工试样，根据实验要求选取合适内径和长度的石英管，组装实验设备，把冲击针放入石英管中，将冲击枪稳定地固定在试验台上，然后把底座和超声冲击枪体相连，冲击枪上的传动机构放置在底座的内腔中，并顶住位于石英管中的冲击针，装卡试样后就可以进行实验了。启动超声冲击设备，冲击针将会在冲击枪和试件之间来回撞击，用固定在特定高度的红外线测速仪记录下冲击针通过该高度时的速度，并可通过高速摄像设备观察冲击过程中冲击针的速度变化和运动情况。

通过本发明的技术方案可以得到正常冲击过程中的冲击针速度值，并可根据冲击过程中的速度变化通过有限元模拟的方式获得试件表面的残余应力分布情况。