专利名称：超声波高频冲击消除应力系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及超声冲击技术领域，尤其涉及一种利用超声波高频冲击消除应力的系统。
背景技术：
超声冲击技术是一种高效的消除部件表面或焊缝区有害残余拉应力、引进有益压应力的方法。超声冲击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。超声波驱动电源通过电缆与设置在外壳内的超声波换能器连接，换能器的振动输出端部与变幅杆连接，变幅杆端部装有冲击针。超声波驱动电源将市电转换成高频高电压交流电流，输给超声波换能器。然后超声波换能器利用压电陶瓷的负压电效应将输入的电能转换成机械能，即超声波，其表现形式是换能器在纵向作往复伸缩运动；伸缩运动的频率等同于驱动电源的交流电流频率，伸缩的位移量在十几微米左右。变幅杆的作用一是将换能器的输出振幅放大，达到100微米以上，另一方面对冲击针施加冲击力，推动冲击针高速前冲。冲击头冲击工件后，在很短的时间内速度由不小于1.5米/秒减小至O米/秒，能量向焊缝传递，以达到消除内应力的作用。冲击头受工件的反作用后回弹，碰到高频振动的变幅杆后，再次受到激发，又一次高速度撞向焊缝，如此反复多次，完成冲击作业。目前传统的超声波冲击时效设备，存在着如下问题:(1)当超声波电源的电压发生变化时，超声波电源的输出功率也会发生变化，这时反映在超声波换能器上就是机械振动忽大忽小，导致冲击效果不稳定。因此需要稳定输出功率，一般通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定。(2)提供频率跟踪信号，当超声波换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而超声波换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，当然这种改变的频率只是漂移，变化不是很大，频率跟踪信号可以控制超声波电源信号，使信号超声 波电源的频率在一定范围内跟踪超声波换能器的谐振频率点，让超声波电源工作在最佳状态。(3)无法显示时效过程的电流时间曲线，其时效处理效果如何判定，以及时效处理的效果无法当场确定，需要专用应力测试设备进行检测后，才能判断效果O进一步地，现有的超声波冲击时效技术，其采用硬件的方法进行恒流调节与频率跟踪，时效处理效果不理想。表现在于:(1)其系统跟踪频率为±3.0kHz，频率波动性大；
(2)其电流稳定性差，需要电阻旋钮进行微调；(3)其时效处理效果不稳定，而且无电流时间曲线等图像显示。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提出一种超声波高频冲击消除应力系统，其解决了目前超声波电源频率不稳定，功率跟踪困难且调整复杂等缺点，保障了超声波时效处理效果，提闻了焊接广品的质量。为实现上述目的，本实用新型提供了一种超声波高频冲击消除应力系统，其包括:控制箱及冲击枪，该控制箱内设有与冲击枪连接设置的换能器，所述控制箱内设有整流逆变模块、连接整流逆变模块与换能器的匹配网络，以及相互电性连接的单片机与数据采集电路；所述单片机一端连接于整流逆变模块与匹配网络之间，该单片机另一端与整流逆变模块电性连接；所述数据采集电路一端还与一工控机电性连接。其中，所述换能器与冲击枪之间通过电缆连接，该换能器与冲击枪之间设置有变幅杆。本实用新型中，所述整流逆变模块内包括有依次电性连接的整流滤波电路、DC/DC转换器、全桥逆变电路及高频变压器，该整流滤波电路一端与市电相连接，高频变压器一端与匹配网络相连接。再者，所述高频变压器与匹配网络之间通过一信号采集电路与单片机电性连接。具体的，所述信号采集电路内设有相互电性连接的霍尔传感器及A/D转换电路，该A/D转换电路一端与单片机电性连接。更进一步地，所述单片机内包括有依次电性连接的功率跟踪电路、功率控制电路、D/A转换电路及压控振荡器，该A/D转换电路与功率跟踪电路电性连接。此外，所述单片机通过一第一驱动电路与DC/DC转换器电性连接，该单片机还通过一第二驱动电路与全桥逆变电路电性连接。具体的，所述数据采集电路可以采用型号为PCI7901的32通道模拟信号采集卡。本实用新型中，所 述工控机可以采用intel双核E2210CPU，该工控机还采用15寸的真彩色液晶屏；此外，所述工控机还连接有一打印机。本实用新型的超声波高频冲击消除应力系统，其采用工控机技术，通过软件与硬件相结合的方法，实现了超声波电源的智能化，解决了目前超声波电源频率不稳定，功率跟踪困难且调整复杂等缺点，保障了超声波时效处理效果，提高了焊接产品质量；此外，其解决了现有技术无法立即判别超声波冲击时效的应力消除效果的问题，可为焊接产品提供产品时效检验的依据，即在谐振频率f稳定的情况下，若电流i与时间t曲线(i—t)变平，则可认为达到已时效处理段的超声波冲击时效效果。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本实用新型超声波闻频冲击消除应力系统一种具体实施例的|旲块结构不意图；图2为本实用新型中控制频率自动跟踪的流程图；图3为本实用新型的超声波闻频冲击消除应力系统的时效效果图。
具体实施方式
[0020]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。如图1所示，本实用新型提供一种超声波高频冲击消除应力系统，其包括:控制箱及冲击枪(未图示)，该控制箱内设有与冲击枪连接设置的换能器10，所述控制箱内设有整流逆变模块20、连接整流逆变模块20与换能器10的匹配网络30，以及相互电性连接的单片机40与数据采集电路50 ;所述单片机40 —端连接于整流逆变模块20与匹配网络30之间，该单片机40另一端与整流逆变模块20电性连接；所述数据采集电路50 —端还与一工控机60电性连接。本实用新型采用工控机技 术，实现了超声波电源的智能化，其可以使金属焊缝的表面层内的残余拉伸应力变为压应力，从而大幅提高金属结构的疲劳寿命。其中，所述换能器10与冲击枪之间通过电缆连接，该换能器10与冲击枪之间设置有变幅杆(未图示)。该换能器10用于将输入的电能转换成机械能，即超声波，其表现形式是换能器10在纵向作往复伸缩运动。该伸缩运动的频率等同于驱动电源的交流电流频率，伸缩的位移量在十几微米左右。变幅杆的作用一是将换能器10的输出振幅放大，达到100微米以上，另一方面对冲击枪施加冲击力，推动冲击枪高速前冲。冲击枪冲击工件后，能量向焊缝传递，以达到消除内应力的作用。本实用新型采用的超声波高频冲击就是利用大功率的超声波，推动冲击工具，对冲击枪施加冲击力，沿焊缝方向高速冲击焊缝的焊趾部位，冲击枪受工件的反作用后回弹，碰到高频振动的变幅杆后，再次受到激发，又一次高速度撞向焊缝，如此反复多次，推动冲击枪以每秒二万次以上的频率，完成冲击金属物体表面的作业。冲击枪冲击工件后，能量向焊缝传递，使之产生较大的压缩塑性变形，使焊趾处产生圆滑的几何过渡，从而大大降低了焊趾处余高和凹坑造成的应力集中，消除了焊趾处表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制了裂纹的提前萌生；同时调整了焊接残余应力场，消除其焊接拉应力，在焊趾附近产生一定数值的残余压应力，并使焊趾部位材料得以强化，以达到消除内应力的作用。本实用新型中，所述整流逆变模块20内包括有依次电性连接的整流滤波电路21、DC/DC转换器22、全桥逆变电路23及高频变压器24，该整流滤波电路21 —端与市电相连接，高频变压器24 —端与匹配网络30相连接。其中，所述整流滤波电路21可以为一二极管不可控整流电路，220V的单相交流电经过该二极管不可控整流电路得到直流电压。所述全桥逆变电路23用于将50Hz的交流频率变为40Hz使其处于超声波频域段。具体的，该全桥逆变电路23可以采用全桥逆变器作为超声振动系统的功率转换主电路，解决了由于负载温度变化等原因产生谐振频率的漂移，保证系统的高效率。匹配网络30主要指为使换能器10输出额定电功率，进行阻抗变换匹配，以及为使换能器10输出最高效率进行调谐匹配。由于超声波电源与换能器10匹配的好坏将决定整个电路的控制效果。本实用新型是通过匹配网络30使电源向换能器10输出额定的电功率，这是由于电源需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器10的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用。其次，通过匹配网络30使超声波电源输出效率最高，这是由于超声波换能器10有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使电源输出效率降低。由此可见与超声波换能器10匹配的好坏直接影响着超声波电源的效率，因此，应该对匹配网络30的每个参量(高频变压器匝比K，输出匹配电感Lf)进行严格的计算。再者，所述高频变压器24与匹配网络30之间通过一信号采集电路32与单片机40电性连接。在本实用新型具体实施例中，所述信号采集电路32内设有相互电性连接的霍尔传感器及A/D转换电路(未图示)，该A/D转换电路一端与单片机40电性连接。进一步地，所述单片机40内包括有依次电性连接的功率跟踪电路41、功率控制电路42、D/A转换电路及压控振荡器(未图示)，该A/D转换电路与功率跟踪电路41电性连接。所述单片机40通过一第一驱动电路43与DC/DC转换器22电性连接，该单片机40还通过一第二驱动电路44与全桥逆变电路23电性连接。工作时，信号采集电路32采样高频电流信号，其利用霍尔传感器取得电流有效值信号，经过快速的A/D转换为数字信号送入单片机40，单片机40分析电流的有效值信号，通过D/A转换输出电压控制压控振荡器的振荡频率，通过驱动电路隔离驱动，使全桥逆变电路23的工作频率随负载的谐振频率变化而变化，从而实现自动跟踪的过程，使换能器10工作于最佳状态。特别的，本实用新型中的第一驱动电路43与第二驱动电路44均可以采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动模块；功率跟踪电路41和功率控制电路42可以采用现有的频率跟踪控制电路，通过锁相法实现频率跟踪控制，频率跟踪部分出现相位差时，先给频率赋一个较大步长(m=100)，然后随着相位差的减小，逐渐减小步长，直到相位差为零。利用该IGBT驱动模块和智能化的频率跟踪控制，不仅增强了设备的稳定性，增加了输出功率控制系统，且使本实用新型的系统在对不同材质的材料使用上更加合理。如图2所示，为本实用新型中控制频率自动跟踪的流程图，在本实用新型中，所述频率自动跟踪基于变步长频率跟踪，该变步长频率跟踪是在频率跟踪的过程中根据具体情况随时改变搜索的步距。首先给定相位采样信号，设两个参考值L、K(L>K)。先初始化，开中断，经过A/D转换后的相位差信号P>L，或P〈K时，说明超声电源的频率远离振子的谐振频率，采用大步距的调节方式，可以迅速接近振子的谐振频率；若L>P>K，说明超声电源的频率工作在振子的谐振频率附近，采用小步距的调节方式，可以提高频率跟踪的精度，其步距能小至4kHz，可以满足超声波要求。具体的，本实用·新型所述的数据采集电路50可以采用型号为PCI7901的32通道高速、高精度的模拟信号采集卡，其可以使测试电流数据更加准确，计算的应力精度大大提闻。再者，本实用新型中的工控机60可以采用intel双核E2210CPU以提高频率的分析精度以及数据处理速度，其主频为2.2GHz，具有IG的金士顿内存条，500G大容量的硬盘。该工控机60内部采用美国国家仪器(NI:National Instruments)公司的LabWindows/CVI软件开发技术，以软硬件相结合的方式，实现了频率自动跟踪功能及功率控制功能，保障了频率在时效处理过程中的稳定性，使其时效处理过程中工作电流平稳，提高了频率控制精度，保障时效处理效果的一致性。本实用新型中的工控机60还可以采用15寸的真彩色液晶屏62作为软件运行界面，对电流时间曲线及频率进行显示，能够清晰地显示曲线、图表和数据。此外，该工控机60还可以连接一打印机64，该打印机可以采用喷墨式打印机，可打印出时效处理过程中的参数曲线，作为时效检验的评判依据。作为本实用新型的选择性实施例，所述工控机60还可以采用虚拟仪表盘显示技术，用于动态指针及数字显示频率、电流等参数以及时效处理曲线。[0029]如图3所示，为本实用新型超声波高频冲击消除应力系统的时效效果图。本实用新型中，只要符合以下条件，则可以认为大了超声波冲击时效效果，即在谐振频率f稳定的情况下，若电流i与时间t曲线(i一t)变平，则可认为达到已时效处理段的超声波冲击时效效果。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种超声波闻频冲击消除应力系统，包括控制箱及冲击枪，该控制箱内设有与冲击枪连接设置的换能器，其特征在于，所述控制箱内设有整流逆变模块、连接整流逆变模块与换能器的匹配网络，以及相互电性连接的单片机与数据采集电路；所述单片机一端连接于整流逆变模块与匹配网络之间，该单片机另一端与整流逆变模块电性连接；所述数据采集电路一端还与一工控机电性连接。
2.如权利要求1所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述换能器与冲击枪之间通过电缆连接，该换能器与冲击枪之间设置有变幅杆。
3.如权利要求2所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述整流逆变模块内包括有依次电性连接的整流滤波电路、DC/DC转换器、全桥逆变电路及高频变压器，该整流滤波电路一端与市电相连接，高频变压器一端与匹配网络相连接。
4.如权利要求3所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述高频变压器与匹配网络之间通过一信号采集电路与单片机电性连接。
5.如权利要求4所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述信号采集电路内设有相互电性连接的霍尔传感器及A/D转换电路，该A/D转换电路一端与单片机电性连接。
6.如权利要求5所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述单片机内包括有依次电性连接的功率跟踪电路、功率控制电路、D/A转换电路及压控振荡器，该A/D转换电路与功率跟踪电路电性连接。
7.如权利要求6所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述单片机通过一第一驱动电路与DC/DC转换器电性连接，该单片机还通过一第二驱动电路与全桥逆变电路电性连接。
8.如权利要求1 所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述数据采集电路采用型号为PCI7901的32通道模拟信号采集卡。
9.如权利要求1所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述工控机采用intel双核E2210CPU，该工控机还采用15寸的真彩色液晶屏。
10.如权利要求9所述的超声波高频冲击消除应力系统，其特征在于，所述工控机还连接有一打印机。
专利摘要本实用新型涉及超声冲击技术领域，具体公开了一种超声波高频冲击消除应力系统，其包括控制箱及冲击枪，该控制箱内设有与冲击枪连接设置的换能器，所述控制箱内设有整流逆变模块、连接整流逆变模块与换能器的匹配网络，以及相互电性连接的单片机与数据采集电路；所述单片机一端连接于整流逆变模块与匹配网络之间，该单片机另一端与整流逆变模块电性连接；所述数据采集电路一端还与一工控机电性连接。本实用新型的超声波高频冲击消除应力系统，其解决了目前超声波电源频率不稳定，功率跟踪困难且调整复杂等缺点，保障了超声波时效处理效果，提高了焊接产品的质量。
文档编号C21D10/00GK203112893SQ201320045639
公开日2013年8月7日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者蒲毅智 申请人:成都海讯科技实业有限公司