消除焊接残余应力的超声冲击设备的设计与研究

论文摘要

目前,焊接结构广泛地应用于国民经济的各相关领域中,可以说焊接结构的应用在一定程度上促进了现代工业的发展。然而,由于焊接应力和变形的存在直接影响到焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺性。所以它一直是焊接界关注的重要问题之一。超声冲击法是一种焊后改善焊接接头残余应力的新工艺。本文主要针对这种方法所用的超声冲击设备进行研究。超声冲击技术就是利用大功率的超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面,由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量,使金属表层产生较大的压塑性变形；同时超声冲击波改变了原有的应力场,产生一定数值的压应力；使超声冲击部位得以强化。本文在对改善焊接残余应力的超声冲击设备的结构和功能进行分析的基础上,确立了超声冲击设备的整体方案。超声冲击设备由两部分组成：超声波发生器和执行机构。执行机构包括超声换能器、变幅杆和冲击头。超声波发生器应具有产生足够功率及所需频率的交流电的主回路,以及频率跟踪控制系统和输出功率控制系统。由于稀土超磁致伸缩材料是当今室温下具有最大磁致伸缩系数的材料,比压电陶瓷高一个数量级,在低磁场下就可获得巨应变,并且具有机电耦合系数高、能量密度高、响应速度快等优点。故本文设计了以超磁致伸缩换能器作为核心部件的执行机构,针对超磁致伸缩换能器进行了计算并设计出了它的具体结构和尺寸,应用CAXA软件绘制出了部分零件的二维图,以及超磁致伸缩换能器的总体结构图,然后应用CATIAV5软件对换能器进行了三维可视化实体装配建模。并通过计算设计了圆锥形变幅杆和冲击头,应用CATIAV5软件对变幅杆和冲击头进行了三维可视化实体建模。对超声冲击工艺进行分析,了解实际工作中功率和频率的变化情况,分析超声冲击设备声学系统的电声特性和超声冲击处理特性,提出超声波发生器功能和结构的总体设计思想,建立了超声波发生器的主回路,完成了超声波发生器中谐振频率自动跟踪和输出功率自动控制系统的电路设计,并对频率自动跟踪系统中的鉴相器进行MATLAB仿真。在文章的最后对整个论文进行了总结,并提出了对今后工作的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的选题背景
• 1.1.1 课题的提出
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 超声冲击技术的发展历程
• 1.2.1 超声冲击技术
• 1.2.2 超声冲击处理技术的发展历程
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 超声冲击设备整体方案的建立
• 2.1 超声冲击设备执行机构
• 2.2 超声波发生器的系统设计方案
• 2.3 超声冲击设备整体方案的建立
• 第3章 超磁致伸缩换能器的设计
• 3.1 超声换能器类型的选择
• 3.1.1 压电效应及压电材料
• 3.1.2 磁致伸缩效应
• 3.1.3 稀土超磁致伸缩材料
• 3.2 超磁致伸缩超声换能器的设计
• 3.2.1 超磁致伸缩换能器的组成及工作原理
• 3.2.2 超磁致伸缩材料几何参数的确定
• 3.2.3 辐射板尺寸的计算
• 3.2.4 超磁致伸缩材料预应力的施加
• 3.2.5 偏置磁场的选择
• 3.2.6 超磁致伸缩换能器的磁场设计及磁路分析
• 3.2.7 超磁致伸缩换能器的实体装配建模
• 第4章 变幅杆及冲击头的计算与设计
• 4.1 变截面杆基本纵振方程
• 4.2 圆锥形变幅杆的设计与计算
• 4.3 冲击头的选择
• 第5章 超声波发生器的研究
• 5.1 电路构成及其工作原理
• 5.2 主电路的建立
• 5.2.1 功率开关器件的选择
• 5.2.2 BUCK直流斩波器
• 5.2.3 半桥逆变器
• 5.2.4 功率开关器件的驱动
• 5.2.5 输出变压器的设计
• 5.3 匹配网络的设计
• 5.4 频率自动跟踪系统
• 5.4.1 频率跟踪控制系统
• 5.4.2 频率跟踪的电路设计
• 5.5 鉴相器的仿真
• 5.6 输出功率自动控制系统
• 5.7 保护电路
• 5.7.1 欠压保护
• 5.7.2 过流保护
• 5.7.3 过热保护
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢