超声冲击设备及晶粒细化实验研究

　　当金属晶粒极度细化为微纳米超细晶时，材料的各种属性会发生很大变化。在材料表面施加大载荷使其表面发生剧烈塑性变形是一种很有效的晶粒细化的方法。早在20世纪70年代，苏联学者提出了超声冲击金属材料表面的技术，并将这项技术成功地运用在焊接接头的延寿处理上。其主要思想是，通过换能器将电能转化为一种高频机械振动，直接或者间接地施加在金属表面使其产生剧烈塑性变形，由于这种冲击属于高频重复冲击，故应变率很大，属于剧烈塑性变形，可细化金属表面晶粒组织[1—5]。

　　但是，以前的超声电源多为模拟电子和模拟控制系统，频率跟踪系统无法跟踪最佳谐振点，且容易超调，又不可回调。此外，由于模拟器件调节步长不可控，当负载变化剧烈时，电压变化与负载变化并不能构成线性关系，因此在冲击过程中，电流很不稳定，导致冲击表面同一性无法控制。

　　随着科学技术的发展，换能器已经由以前的磁致伸缩换能器向压电换能器发展，电源也由以前的声跟踪转化为电跟踪，出现了采集相位差进行自动频率跟踪和各种PWM功率控制等新技术，并且正在由以前的模拟电源向数字电源发展。针对此状况，采用数字化超声波电源，开发了表面冲击设备，并对此设备进行了分析和实验。

　　1 超声表面冲击设备的总体结构

　　超声冲击装置总体结构如图1所示。交流电首先经过EMI电感去除高次谐波的干扰，然后经二极管整流桥整流和电容滤波后形成直流电压;再利用功率逆变将该直流电压转换为与换能器谐振频率一致的正负交变的矩形波电压;高频功率变压器将该交变电压输入到匹配网络，去激励由谐振电感和超声换能器构成的串联谐振回路，使其谐振，将电能转换为机械能，产生超声波，实现超声冲击的目的。

　　通过电流电压采样检测电路采集电流电压的信号，并通过的信号鉴别和信号分析对其进行处理，并将鉴别分析处理过的信号输送入单片机，使得单片机来调整驱动控制电路，保证输出电压的稳定和频率跟踪的良好。

　　2 超声波电源分析

　　2.1 ZVS—PWM软开关移相控制主电路

　　图2所示为移相控制全桥ZVS—PWM超声波电源的主电路原理图。

　　功率开关管采用IGBT。Ti(i=1，2，3，4)为第i个参数相同的功率IGBT开关管。Di和Ci(i =1，2，3，4)为相应的体二极管和 输出结电容。T1和T3构成超前臂，T2和T4构成滞后臂。T1和T2，T3和T4的驱动信号之间加入了死区时间Δt。T1和T3，T2和T4之间的驱动信号存在移相角φ，图3为全桥零电压开关PWM变换器在一个开关周期内4个主开关管的驱动脉冲信号和两桥臂中点电压Uab。