筒类构件的残余应力消减方法

技术领域

本申请涉及一种筒类构件的残余应力消减方法。

背景技术

目前，可以通过超声波发生装置对筒类构件进行残余应力的接触式调控。具体的，将超声波发生装置(如超声换能器)固定在筒类构件侧壁外表面，施加高能声束，对筒类构件的残余应力进行消减。

申请公开号为CN108660309A的专利文献公开了上述类似的技术，该专利文献公开了一种输气管道焊接残余应力高能声束消减装置，其通过输送管道上的束带和底座等部件，将超声换能器固定在管道的管壁外表面，通过超声换能器的高能声束对管道的焊接残余应力进行消减。

但是，当外壁不规则或外壁较厚的筒类构件，其内腔部位的残余应力难以进行调控。例如，当构件外壁形状复杂或不规则时，难以在该构件外表面较为贴合的设置超声换能器。又如，对于外壁较厚的筒类构件，该构件外表面设置的超声换能器的高能声束的在传递中的衰减，可能导致难以调控到一定厚度的内腔的残余应力。

基于此，有待提供一种更适用于筒类构件的残余应力的消减方法，尤其适用于外壁不规则或外壁较厚的筒类构件的残余应力的消减方法。

发明内容

本申请提供一种筒类构件的残余应力的消减方法，适用于筒类构件的残余应力的消减，尤其适用于外壁不规则或外壁较厚的筒类构件的内腔残余应力的消减。

本申请第一方面提供了一种筒类构件的残余应力消减方法，使用一残余应力消减装置，所述残余应力消减装置包括第一部件和第二部件；所述第一部件的侧壁与所述筒类构件的侧壁形状匹配，所述第一部件的底部包括与所述筒类构件的轴向成锐角或钝角的面；所述第二部件顶部与所述第一部件底部形状匹配，所述第二部件底部和侧壁与所述筒类构件的底部和侧壁形状匹配；

将所述第一部件与第二部件装配到所述筒类构件的内腔中，其中，使所述第一部件底部和所述第二部件的顶部接触，使所述第一部件的侧壁与所述筒类构件的侧壁接触，使所述第二部件底部和侧壁与所述筒类构件的底部和侧壁接触，所述第一部件和所述第二部件的所述装配后构成一旋转体；

将超声换能器装配到所述第一部件的顶部；

启动所述超声换能器，以及使所述第一部件和所述第二部件构成的所述旋转体转动，其中，所述第一部件底部和所述第二部件的顶部的接触面形成对所述超声换能器的声束的折射和反射。

本申请第二方面提供了一种筒类构件的残余应力消减方法，使用一残余应力消减装置，所述残余应力消减装置包括第一部件和第二部件；所述第一部件为旋转体，所述旋转体的侧壁与所述筒类构件的侧壁形状匹配，所述旋转体的底部包括与所述筒类构件的轴向成锐角或钝角的旋转面；所述第二部件顶部与所述第一部件底部形状匹配，所述第二部件底部和侧壁与所述筒类构件的底部和侧壁形状匹配；

将所述第一部件与第二部件装配到所述筒类构件的内腔中，其中，使所述第一部件底部和所述第二部件的顶部接触，使所述第一部件的侧壁与所述筒类构件的侧壁接触，使所述第二部件底部和侧壁与所述筒类构件的底部和侧壁接触；

将超声换能器装配到所述第一部件的顶部；

启动所述超声换能器，以及使所述第一部件转动，其中，所述第一部件底部和所述第二部件的顶部的接触面形成对所述超声换能器的声束的折射和反射。

作为第一或第二方面的一种可能的实现方式，所述第一部件的底部包括圆锥面。

作为第一或第二方面的一种可能的实现方式，所述第一部件由多个相同的第一子部件装配构成，所述方法还包括：将所述多个相同的第一子部件装配为所述第一部件。

作为第一或第二方面的一种可能的实现方式，所述超声换能器通过柱体竖直的装配到所述第一子部件的顶部。

作为第一或第二方面的一种可能的实现方式，还包括至少以下之一：

在所述第一部件与所述筒类构件的接触面涂覆耦合剂；

在所述第二部件与所述筒类构件的接触面涂覆耦合剂；

在所述第一部件与所述第二部件的接触面涂覆耦合剂。

由上，本申请通过第一部件与第二部件构成的接触面，可以将超声换能器的高能声束作用到筒类构件内腔的不同区域，并通过设置有可旋转的部分，在旋转时，将所述高能声束旋转，以作用到筒类构件内腔的更多的不同区域，实现对筒类构件内腔的残余应力的调控。

附图说明

图1为本申请实施例提供的筒类构件的残余应力消减装置爆炸示意图；

图2为本申请实施例提供的筒类构件的残余应力消减装置使用示意图；

图3为本申请实施例提供的筒类构件的残余应力消减方法的流程图；

图4为本申请实施例提供的筒类构件的残余应力消减方法的另一流程图；

图5为本申请实施例提供的筒类构件的残余应力消减原理示意图。

应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本申请实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本申请实施例的物理连接方式。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本申请提供的技术方案作进一步说明。应理解，本申请实施例中提供的各个实施例主要是为了说明本申请的技术方案的可能的实施方式，不应被解读为对本申请的技术方案的唯一限定。

下面参照图1-5对本申请实施例进行详细介绍。

如图1、2或图5所示，本申请第一实施例提供的筒类构件的残余应力消减装置，包括：

第一部件12，所述第一部件12的侧壁与所述筒类构件2的侧壁形状匹配，所述第一部件12的底部包括与所述筒类构件2的轴向成锐角或钝角的面；且第一部件12为实心结构。

第二部件13，所述第二部件13顶部与所述第一部件12底部形状匹配，所述第二部件13底部和侧壁与所述筒类构件2的底部和侧壁形状匹配；且第二部件13为实心结构。

超声换能器11，装配于所述第一部件12的顶部。

如图5所示，所述第一部件12底部和所述第二部件13的顶部接触装配，且接触面形成对所述超声换能器11的声束的折射和反射。

所述第一部件12和所述第二部件13装配为一体后构成一旋转体，该旋转体形成的楔块与筒类构件内腔吻合，旋转体作为超声换能器11的超声波传播装置，将高能声束传播到筒类构件2的内腔。当开始工作后，超声换能器11与所述旋转体形成的楔块组成一个完整的整体，该整体在筒类构件的筒体内腔可以进行旋转，以使得高能声束可以作用到不同的区域，使得这些区域都可以得到有效调控。当第一部件12的底部包括与所述筒类构件2的轴向成的锐角或钝角的面(即接触面)的角度设计较好时(例如可以采用仿真设计)，可以实现筒类构件的筒体内腔各个区域均被有效调控。

在本实施例中，第一部件12和第二部件13装配为一体时，可通过液态粘接或机械连接(如螺钉)进行装配。其中当采用机械连接时，接触面可使用液态耦合剂进行耦合，降低高能声束的衰减。

如图1、2或图5所示，本申请第二实施例提供的筒类构件的残余应力消减装置，包括：

第一部件12，所述第一部件12为旋转体，所述旋转体的侧壁与所述筒类构件2的侧壁形状匹配，所述旋转体的底部包括与所述筒类构件2的轴向成锐角或钝角的旋转面；且第一部件12为实心结构。

第二部件13，所述第二部件13顶部与所述第一部件12底部形状匹配，所述第二部件13底部和侧壁与所述筒类构件2的底部和侧壁形状匹配；且第二部件13为实心结构。

超声换能器11，装配于所述第一部件12的顶部。

如图5所示，所述第一部件12底部和所述第二部件13的顶部接触装配，且接触面形成对所述超声换能器11的声束的折射和反射。装配后的第一部件12和第二部件13构成楔块，且第一部件12可相对第二部件13旋转，该楔块与筒类构件内腔吻合，作为超声换能器11的超声波传播装置，将高能声束传播到筒类构件2的内腔。本实施例相对于第一实施例，仅第一部件12旋转，即第一部件12会相对第二部件13旋转，本实施例较为适合筒类构件内腔非旋转面的情况，由第二部件13适配筒类构件内腔形状，由第一部件12进行旋转。

在一些实施例中，上述第一实施例或第二实施例中的第一部件12的底部可以为圆锥面、圆台面、半球面、或这些旋转面的任意组合构成的旋转面。其中，对于第一实施例，由于第一部件12与第二部件13不相对转动，第一部件12的底部还可以为非旋转面，如斜面、曲面等。而对于第二实施例，由于第一部件12与第二部件13相对转动，因此第一部件12的底部采用旋转面。而各实施例中的第二部件13的顶部保持与第一部件12底部形状的匹配。其中，第一部件12的底部的具体形状，如与第一部件12轴向的夹角、高度等参数，可以基于仿真设计，尽量实现超声换能器11的高能声束经第一部件12与第二部件13接触面折射、反射后，达到筒类构件内腔的被调控区域。

在一些实施例中，第二部件13还可以形成对第一部件12的半包围，即第二部件13构成凹形，其凹部装配第一部件12。

在一些实施例中，上述第一实施例或第二实施例中的第一部件12由多个相同的第一子部件121装配构成，如图所示各个相同的第一子部件121构成各个瓣体。如图中示出了三个瓣体。在另一些实施例中，这些第一子部件121形状也可以不相同。

在一些实施例中，上述第一实施例或第二实施例中的每个所述第一子部件121的顶部设置一所述超声换能器11。在另一些实施例中，每个所述第一子部件121的顶部设置多个超声换能器11，以增强残余应力的调控效率。

在一些实施例中，上述第一实施例或第二实施例中的超声换能器11通过柱体14竖直的装配到所述第一子部件121的顶部，其中第一子部件121的顶部构成垂直第一子部件121轴向的平面。在另一些实施例中，超声换能器11也可以倾斜装配到所述第一子部件121的顶部。当超声换能器11倾斜装配时，上述第一部件12与第二部件13接触面对超能声束的折射与反射会发生变化，可以重新进行仿真设计超声换能器11倾斜角度或/和第一部件12与第二部件13接触面(即第一部件12的底部、第二部件13顶部)形状。

在一些实施例中，第一部件12和第二部件13与筒类构件接触的表面可均匀涂抹耦合剂，以尽量实现无缝接触。第一部件12和第二部件13的接触面也均匀涂抹耦合剂。

在一些实施例中，第一部件12的顶部具有与第一部件轴线同心的环状齿条，与外部驱动电机的驱动齿轮啮合装配，以实现外部驱动电机的驱动上述的旋转。在另一些实施例中，第一部件12也可以具有高出筒类构件侧壁的部分，该高出筒类构件侧壁部分环绕设置有齿条，与外部驱动电机的驱动齿轮啮合装配，以实现外部驱动电机的驱动上述的旋转。在另一些实施例中，也可以通过手动驱动所述旋转。

在一些实施例中，还可以设置使得第一部件12与第二部件13可沿轴向上下移动的结构，例如在轴线设置一轴，轴向设置有对应的限位挡块，从而在该轴沿轴向移动时，通过挡块带动第一部件12与第二部件13轴向移动，从而将高能声束作用到筒类构件2的不同位置的侧壁。其中，驱动该轴沿轴向位移的可以为驱动电机或液压装置。

本申请实施例还提供了筒类构件的残余应力消减方法，该方法中使用了上述筒类构件的残余应力消减装置，下面参照附图对该方法进行详细说明。

如图3所示，本申请第三实施例提供了一种筒类构件的残余应力消减方法，该实施例的方法使用了上述第一实施例提供的筒类构件的残余应力消减装置或其可选实施例。该第三实施例所述的方法包括以下步骤：

S11：将所述第一部件12与第二部件13装配到所述筒类构件2的内腔中，其中，使所述第一部件12底部和所述第二部件13的顶部接触，使所述第一部件12的侧壁与所述筒类构件2的侧壁接触，使所述第二部件13底部和侧壁与所述筒类构件2的底部和侧壁接触，所述第一部件12和所述第二部件13的所述装配后构成一旋转体；

S13：将超声换能器11装配到所述第一部件12的顶部；

S15：启动所述超声换能器11，以及使所述第一部件12和所述第二部件13构成的所述旋转体转动，其中，所述第一部件12底部和所述第二部件13的顶部的接触面形成对所述超声换能器11的声束的折射和反射。

如图4所示，本申请第四实施例提供了一种筒类构件的残余应力消减方法，该实施例的方法使用了上述第二实施例提供的筒类构件的残余应力消减装置或其可选实施例。该第四实施例所述的方法包括以下步骤：

S21：将所述第一部件12与第二部件13装配到所述筒类构件2的内腔中，其中，使所述第一部件12底部和所述第二部件13的顶部接触，使所述第一部件12的侧壁与所述筒类构件2的侧壁接触，使所述第二部件13底部和侧壁与所述筒类构件2的底部和侧壁接触；

S23：将超声换能器11装配到所述第一部件12的顶部；

S25：启动所述超声换能器11，以及使所述第一部件12转动，其中，所述第一部件12底部和所述第二部件13的顶部的接触面形成对所述超声换能器11的声束的折射和反射。

在一些实施例中，上述第三实施例或第四实施例还包括至少下述步骤之一：在所述第一部件12与所述筒类构件2的接触面涂覆耦合剂；在所述第二部件13与所述筒类构件2的接触面涂覆耦合剂；在所述第一部件12与所述第二部件13的接触面涂覆耦合剂。

在一些实施例中，上述第三实施例或第四实施例在所述步骤S11之前还包括设计所述第一部件12底部和所述第二部件13的顶部的接触面的步骤。具体可参考第一实施例或第二实施例中的相关描述，不再赘述。

下面，进一步将本申请实施例提供的筒类构件的残余应力消减装置处于工作时的原理，即进行介绍：

当如上述步骤S15或S25启动所述超声换能器11后，超声换能器11产生的高能声束入射到第一部件12中；

入射到第一部件12的高能声束在第一部件12内进行传播，并在第一部件12与第二部件13的接触面，产生入射到第二部件13的折射波，以及反射回第一部件12的反射波；

反射回第一部件12的反射波部分能量，会经第一部件12侧壁传播到相接触的筒类构件的内腔的部分区域，对该区域进行调控。

入射到第二部件13的折射波部分能量，会经第二部件13侧壁传播到相接触的筒类构件的内腔的部分区域，对该区域进行调控。

另外，反射回第一部件12的反射波、入射到第二部件13的折射波，在所述第一部件12或第二部件13中还可能会发生多次反射、折射，作用于筒类构件的内腔的某些区域。

并且，基于上述旋转，可以使得对筒类构件的内腔尽量多的区域进行残余应力的调控。并且，可以预先通过仿真的方式设计第一部件12和第二部件13的接触面，例如接触面倾斜角度、接触面形状，可以根据需要调控的筒类构件的具体形状、部位及范围设计，以使折射波与反射波满足要求，以实现对筒类构件的内腔区域面积最大化的残余应力的调控，甚至对筒类构件的内腔全部区域的残余应力的调控。另外，为了更好的保证高能声束的传播，第一部件12与第二部件13需要选择合适的介质材料，保证折射波的产生及覆盖的范围。

另外，当超声换能器11作用于筒类构件的内腔的区域的超能声束，作用到筒类构件的内腔后，也会进一步向筒类构件外壁方向传播，以作用于筒类构件侧壁，对于某些外壁不规则的筒类构件，当不便于从其外壁放置超声换能器时，也可以使用本申请提供的上述各个实施例进行这类筒类构件的侧壁残余应力的调整。

其中，说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在以上的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S11、S13……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。