一个或多个性质的改变，必然导致材料和接头的一个或多个状 态和/或结构的改变，从而提供具有规定的物理、机械和结构性质的 材料和接头，并且其制造一般通过对材料施加连续的作用、例如一 种能量形式来实现，或者通过施加在材料上的这种作用的随机变换 来实现。类似地，已经发展出各种技术来改变或修改材料和接头的 性质，并且还提供了制造具有特定性质的材料和接头的方法。许多 这些不同的技术在产生技术效果的领域中已经得到了发展，并且在 结果和目标方面是不同的，但不管技术如何，其实际上都是由单个 统一的构思统一起来的，即在材料和接头上获得规定的性质和特征。 这个构思是基于技术的严格工艺变化的基础上的，不管控制各技术 的操作程序的参数的方法如何，它都是基于对材料的非自适应的直 接作用，从而取得所需技术效果的基础之上的。
按照惯例，这些技术可被分成两组：(1)体积的和(2)局部化的。 体积的技术伴随有对整个产品、材料或接头进行同时作用的那些技 术，例如炉内的热处理、浴槽电镀、热熔融和其它技术。局部化的 技术是伴随有局部作用、即对产品、材料或接头上的规定区域进行 作用的那些技术，例如焊接、超声波冲击处理和其它技术。
现有技术的这些技术是基于″严格的″算法基础之上的，其没有考 虑材料对作用、即对能量或技术效果的响应。在这些技术的某些技 术中，监测工艺参数的偏差，并校正这些参数，使其符合之前规定 的值。这样，在过程中的控制并不会控制材料在作用期间的性质、 状态或结构的变化，而只是在形式上且严格地保持和这些技术相关 的工艺条件。
例如，熔炉热处理是体积技术的一个示例。在熔炉热处理期间， 材料被慢慢地加热，保持在相变温度下，之后慢慢地冷却。长时间 的热处理是基于在整个工艺中，热量需要在熔炉中和材料体积中的 均匀分布的需求。然而，在实际条件下，存在温度梯度的前提条件， 其又需要材料过热，以补偿从材料体积的表面和表面附近去除热量 而引起的不利后果。因而，这种典型的体积工艺会伴随过多的能量 消耗，不均匀的加热和伴随的不利残余应力场的形成，以及最通常 为拉伸性质的变形的形成。
″严格的″局部化技术的一个示例是超声波表面冷作硬化(称为 ″UP″)。利用这种技术，通过在随机的单次冲击状态下的表面的塑性 变形，而获得所需的技术效果，冲击是由于在超声波换能器和负载 下的压头之间的轻微耦合而发生的。在超声波表面冷作硬化期间， 随机冲击的随机性质导致不均匀的表面处理，其状态被可视地控制 或利用基准试样进行控制，直到材料表面被完全覆盖上处理标记时 为止。为了实现这个目的，操作员可使用利用工具进行可能导致过 多表面变形和可能的过度硬化状态的附加加工处理。这样，这种局 部化的技术工艺伴随着损坏材料的细微结构，在限制各种材料特征 和有限的应用区域的水平上，会遇到不均匀处理的问题，有限的应 用区域受到材料初始强度，例如金属和合金材料的初始强度的限制。
本质上由工艺算法限定的″严格的″技术的一个普遍问题是，可能 在材料的效果，即其参数，和预计效果，即材料的输出特征之间的 规定关系上出现干扰。这导致不合适的能量消耗、可能的结构失效、 处理效果在所处理的材料的表面上和其体积中的不均匀分布、处理 结果的极大离散性和可能的技术品质及可靠性的损失。
其它现有技术包括、但不局限于压力扩散、扩散焊接、摩擦焊 接、超声焊接、温度扩散、超声波扩散和冲击扩散。压力扩散是由 于静态负载足以在所连接的材料上产生必要的塑性变形而造成的扩 散过程。扩散焊接是通过接触材料在相对较长时间内暴露于高温下 的原子相互扩散和适度的可塑性变形而实现的压力焊接。摩擦焊接 是通过材料界面摩擦所释放的热量而将材料的焊接区域加热至塑性 状态的处理工艺。超声波焊接是在超声波振动下的压力焊接，其中 所述焊接通过高频机械振动、伴随着焊接区域的材料加热，以及垂 直于所连接材料的表面而施加的压紧压力的组合作用来实现。温度 扩散是通过暴露于高温下而造成的扩散工艺。超声波扩散是通过超 声振动，尤其是在施加覆层时的超声振动而造成的扩散工艺。冲击 扩散是通过冲击作用而造成的扩散工艺。
现有技术中还已知的是基本的金属结构相变现象的基本机理。 这些包括但不局限于塑性变形、细微结构的形成、金属和合金中的 扩散作用，残余应力的松弛，和腐蚀。塑性变形是在没有非持续引 入的条件下，材料承载体在形状或尺寸上的残余变化。细微结构是 在金属结构材料处于对外部作用相对粗大成形的抗力的水平、且尺 寸在～10-3μm和～10μm之间的情况下形成的。金属和合金中的扩散是 使晶体材料的原子移动了比晶格间距更大距离的基本过程。残余应 力松弛是在材料总变形、即弹性和塑性变形恒定的情形下逐步的应 力衰减。腐蚀是金属表面在化学的或电化学的环境腐蚀下发生的性 能恶化。
现有技术中还已知的是超声波处理对金属结构相变机理的影 响。许多性质和超声波冲击处理技术相关。这些性质中的某些性质 包括，根据所选的处理种类将金属塑性变形工艺提高到更大或更小 的程度；将极大的压缩应力引入到所处理材料的表面层中，从而提 高材料的疲劳强度；帮助对材料进行尺寸加工和硬化处理的各种工 艺过程；在所处理材料的表面层上形成蜂巢式细微结构，从而提高 其强度性质；加速金属中的扩散过程；使金属结构中的残余应力松 弛；以及提高所处理材料的表面的抗腐蚀强度。和材料的超声波冲 击处理相关的所有这些性质提高了所处理材料的品质和可靠性，从 而提高了结构和机器构件的品质和可靠性。
在这些现有技术过程中所消耗的能量不仅被消耗用来克服在获 得规定的技术性质时材料结构特征和结构性能所控制的自然的能量 阈值，而且用于克服在不受控的作用期间，与材料对作用响应无关 的不受控制(余量)增加的抗力，并克服由于材料上的作用而造成的材 料状态波动。因而，当利用″严格的″算法时，总的能量消耗就超过了 比在获得规定的技术效果时克服材料结构状态的自然能量阈值所需 能量要大两倍的能量。
现有技术的方法，包括现有技术的超声波冲击处理方法，都局 限于表面处理、随机冲击的随机开始的机理、处理结果的不均匀分 布、有限的冲击参数的控制，复杂的冲击优化和处理状态对材料表 面上效果的复杂自适应过程。
因此，本发明解决了现有技术的缺点，从而提供了一种自适应 脉冲处理的方法，其利用最小的能量消耗而获得了所需的技术效果， 使能量在材料和时间上获得最佳的分配，在给定的材料体积和其表 面上均匀地分布了规定的处理结果。本发明还通过提供一种脉冲处 理的方法而解决了现有技术的缺点，这种脉冲处理的方法具有受控 的冲击脉冲，以及通过直接考虑到材料对作用的响应而实现的脉冲 参数对所需技术效果的自适应。
发明目的和概要
本发明涉及一种脉冲处理的方法，其通过启动和自适应控制作 用在材料/物体上的脉冲作用而改变材料或物体(例如焊接接头)的 至少一个规定的性质，或者改变或生产出一种具有至少一个规定的 物理、机械或结构性质的材料或物体。所述脉冲作用包括标准化的 脉冲和间歇，即材料状态脉冲激励的周期以及脉冲之间的松弛/间歇 的周期的受控的和自适应的交替变化。在本发明的一个优选实施例 中，脉冲作用是一种能量源的载波能量信号。脉冲处理方法中所使 用的自适应控制的脉冲作用的能量源是一系列受控的超声波冲击处 理的脉冲作用，其可施加在任何合适的材料或物体、最优选为焊接 接头上，从而在这一系列受控脉冲作用所处理的区域中使材料或物 体改变或产生至少一个规定的性质，以便获得所需的技术效果。虽 然超声波冲击处理是其中一类根据本发明脉冲处理方法所使用的优 选的脉冲作用的能量，但是，根据本发明的方法可使用任何能量源 和任何合适的材料/物体。此外，应该懂得，在这里所指的改变或产 生至少一个材料或物体的性质还指的是改变或产生相对于这种材料 或物体所规定的状态或结构。性质的改变或产生必然影响材料或物 体的其它方面。
本发明的脉冲处理的方法可用于改变或制造各种材料，以便在 材料中获得所需的技术效果，即至少一个预定的性质。虽然后文中 可就改变或修改规定的材料性质方面来描述本发明，但是，除非特 别阐明，否则本发明的方法还可等同地且以相同的方式施加在制造 具有规定性质的材料上。
本发明的脉冲处理的方法包括，将一系列自适应控制的能量脉 冲以脉冲作用的形式施加在材料的目标区域。所述脉冲作用包括标 准化的脉冲和间歇，即材料状态脉冲激励的周期和脉冲之间的松弛/ 间歇的周期的受控的和自适应的交替变化。脉冲通过调整其幅度和 长度，以及脉冲的频率而受到控制，即，被进行标准化处理。这样， 各脉冲被控制成可使规则的脉冲提供对材料的规则的冲击，从而一 系列受控脉冲可改变至少一个规定的材料性质，以便在整个脉冲处 理过程中，在由材料引起的最小抗力下，获得所需的技术效果。脉 冲和间歇与材料对脉冲作用的响应同步，由所处理区域中的材料品 质饱和度来确定最小抗力。
同现有技术的应用相比，各脉冲是小的能量应用。各脉冲，例 如材料状态脉冲激励，需被应用至直到所处理的材料区域达到抗力 点时为止。由于间歇的脉冲所引起的抗力，即，材料状态脉冲激励 是最小的，因此就导致材料中的″软″变化。当某一最小抗力发生在所 处理的材料区域时，去除脉冲作用的脉冲，即去除材料状态脉冲激 励，并随后进行松弛/间歇的周期。每个松弛/间歇的周期容许材料在 应用下一个脉冲作用的下一个脉冲、即下一个材料状态脉冲激励之 前，从之前脉冲作用的脉冲、即材料状态脉冲激励中恢复过来，使 得材料处于最佳的状态，以接受下一个脉冲作用的下一个脉冲，即 下一个材料状态脉冲激励。因为每个脉冲所引起的材料变化是很小 的，所以在短时间内可获得材料的抗力状态至非抗力状态的转变。 因而，就提供了脉冲和间歇的协调，以便在最小的材料抗力下获得 所处理材料中的所需变化或改变。高频率的脉冲是可能的，因为各 脉冲之后的松弛/间歇的所需周期是最小的，这是因为在每个脉冲期 间，即在材料状态脉冲激励的周期期间，应用少量能量就可使材料 对脉冲，即对材料状态脉冲激励的抗力减小到最小程度。
本发明的脉冲处理的方法并不局限于特殊的能量源或特殊的技 术。因此，本发明可利用任何能量源和任何合适的技术。例如，本 发明方法可利用的能量源包括但不局限于某序列的热的、电磁的、 光束的、相干的、准静态的、声的、热动力学的、超声波的以及其 它可能的效果，并且本发明方法可利用的技术包括但不局限于热的 工艺和冶金工艺、机械效果、电流的直接使用、各种形状和频率范 围内的任何振动模式、脉冲效果、声波和射束能量。另外，本发明 的方法可用于处理任何合适的材料，例如，但不局限于金属、合金、 塑料、非晶态、陶瓷和粉末材料、镀层材料和复合材料、相似和不 相似材料的不能拆卸的接头、钎焊的、焊接的和扩散的接头。
本发明的一个主要目的是提供一种脉冲处理的方法，其具有控 制冲击脉冲，使处理结果均匀分布，控制冲击参数，对所处理的材 料上的冲击脉冲进行优化，以及在基于前一脉冲对材料的效果来提 供后续脉冲方面，进行处理状态自适应，以便在所处理的材料上获 得所需技术效果的机理。
本发明的另一主要目的是提供一种脉冲处理方法，其具有高频 率的脉冲，因为在脉冲之间的松弛/间歇周期是最小的，这是因为在 每个脉冲期间，即在材料状态脉冲激励的周期期间应用了少量自适 应控制能量，而最大程度地减小了材料对脉冲、即对材料状态脉冲 激励的抗力。
本发明的另一目的是提供一种脉冲处理的方法，其中，每个脉 冲的频率、幅度和长度被控制成使得规则的脉冲对材料提供了规则 的冲击，以便一系列受控脉冲可改变至少一个规定的材料性质，以 便在整个脉冲处理过程中，在材料引起的最小抗力下，获得所需的 技术效果。
本发明的另一目的是提供一种脉冲处理的方法，其中，基于材 料对每个脉冲作用的脉冲，即对材料状态脉冲激励作出的响应来修 改参数控制，使得材料处于最佳的状态下，以接受下一个脉冲作用 的脉冲，即，下一个材料状态脉冲激励。
本发明的另一目的是提供一种脉冲处理的方法，其中，每个脉 冲引起的材料上的变化或改变是很小的，使得在短时间内可实现从 材料抗力状态至材料非抗力状态的转变，从而缩短了在所处理的材 料区域获得所需技术效果所需的时间。
本发明的另一目的是提供一种脉冲处理的方法，它是一种改变 材料或焊接接头的至少一个特定性质、状态和/或结构，或生产出具 有至少一个规定的物理、机械或结构性质的材料或接头的更为有效 的方法，它与现有技术相比只需要更少的时间、更少的能量和更少 的费用。
附图简介
参看以下附图：
图1是用于改变材料和物体例如接头的规定的性质和状态，或 在本发明的材料和物体上产生规定性质的方法的框图；
图2是基于最小抗力标准基础上的本发明处理方法的实施例的 示意图；
图3是根据本发明的基于材料品质饱和度标准基础上的能量载 波信号形状变化的示意图；
图4是根据本发明的来自于能量载波信号电流的材料响应测量 的示意图；
图5是根据本发明的在整个参数范围内控制脉冲能量、脉冲长 度和间歇的示意图；
图6是根据本发明的作用在材料上的脉冲作用参数的算法控制 标准的示意图；
图7(a)-7(b)是根据本发明的在实际脉冲处理过程中和过程控制算 法中测量基准数据和参数的示意图；
图8是根据本发明的机械加工过程声激励的示意图；
图9是根据本发明的利用超声波频率的电流进行电弧焊接的示 意图；
图10是根据本发明的超声波冲击处理(UIT)自适应的示意图；
图11(a)-11(c)是根据本发明通过超声波冲击来产生超声波的示意 图；
图12(a)-12(e)是根据本发明的体积超声波处理的示意图；
图13是根据本发明的通过超声波冲击效果来消除结构缺陷的示 意图；
图14(a)-14(c)根据本发明的热处理控制和激励的简图；
图15是超声波在材料中传递的示意图，其是根据本发明的超声 波冲击作用的一种可能的技术效果；
图16是扩散抗力下降的示意图，其是根据本发明的超声波冲击 作用的一种可能的技术效果；
图17(a)-17(b)是材料的镶嵌块尺寸的变换减小的示意图，其是根 据本发明的超声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图18是在超声波冲击过程中，位错抗力下降的示意图，其是根 据本发明的超声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图19(a)-19(b)是空位、位错和剪切面激励的示意图，其是根据本 发明的超声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图20是压缩应力分布的标准化的示意图，其是根据本发明的超 声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图21是第二种应力分布的示意图，其是根据本发明的超声波冲 击作用的一种可能的技术效果；
图22显示了材料的细微结构的标准化，晶粒的再结晶和标准化， 其是根据本发明的超声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图23是显微硬度分布的标准化的示意图，其是根据本发明的超 声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图24是材料的白层和非晶态结构的示意图，其是根据本发明的 超声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图25显示了在拉伸应力和压缩应力之间的应力松弛，其是根据 本发明的超声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图26是变形的补偿、定向分布和再分布的示意图，其是根据本 发明的超声波冲击作用的一种可能的技术效果；
图27显示了结构缺陷的消除，其是根据本发明的超声波冲击作 用的一种可能的技术效果；
图28是根据本发明的超声波冲击参数的示意图；
图29根据本发明的施加在物体/材料上的作用的算法的框图；和
图30(a)-30(d)是根据本发明的由于超声波冲击处理而改进了极限 应力和疲劳性能的示意图。

本发明是一种脉冲处理的方法，其通过启动和自适应控制作用 在材料/物体上的脉冲作用而改变材料或物体、例如焊接接头的至少 一个规定的性质，或者生产出一种具有至少一个规定的物理、机械 或结构性质的材料或物体。为了便于描述，将参照对″材料″的处理进 行描述，然而，这种描述在说明书和权利要求中应该被理解为还包 括对物体、例如焊接接头的处理。本发明的方法是基于在操作过程 期间所处理材料的特征和材料对脉冲处理效果的实时响应。这个方 法还考虑了在控制处理装置的操作状态和所处理材料的输出特征之 间的直接关联。这样，本方法的物理性质和机理提供了在操作过程 期间，用于材料物理状态的合适参数的函数关系。
在整篇说明书中，两类对脉冲作用的材料抗力是：(1)对脉冲的 材料抗力，例如冲量，其在冲击期间通过波动参数来表示，和(2)在 脉冲作用期间，对材料状态变化的材料抗力，其在冲击期间通过结 构水平上的内部摩擦参数来表示。在作用期间，例如冲击作用期间， 材料对脉冲的抗力，例如冲量减小了，而工艺系统的Q因数将随着 诸如冲击作用期间的塑性变形的累积而增加。在脉冲作用期间，例 如冲击脉冲作用期间，对材料状态变化的材料抗力增加，而在这种 冲击脉冲作用期间，工艺系统的Q因数的增幅将减慢下来。这是为 什么Q因数饱和的一个原因。在多个脉冲之间的间歇周期内，材料 状态变化的抗力下降(松弛)，而材料的Q因数则通过松弛过程中的内 部摩擦损耗减少而增加至饱和的程度。如下所述，在图2中将对此 进行进一步图示解释。
另外，应该懂得，在本发明的整个说明书中有三类Q因数。第 一类Q因数是振动系统的Q因数，其在工具从所处理表面弹回期间 表现出来。第二类Q因数是在负载下与振动系统相关的Q因数，其 在冲击期间，即在导致脉冲的振动物体和所处理物体的接触期间， 例如当超声波冲击与集中器尖顶以及工件表面接触时，而表现出来。 第三类Q因数是材料的Q因数，其在冲击期间变化，并且构成了在 负载下与振动系统相关的Q因数的一部分。在由于材料上的作用松 弛而引起的间歇期间，材料Q因数是稳定的。
这样，用于改变性质和生产出具有规定性质的材料的本发明方 法包括：(1)利用能量源，例如自适应控制的脉冲作用来影响材料，(2) 基于一组标准来评估材料对效果的响应，(3)基于材料对作用的响应 来调制能量源对材料的作用，使能量源对材料的作用同步和自适应， 从而在最小的材料抗力下提供高的品质、稳定性、一致性和作用在 材料表面上和体积中的效果的均匀分布，从而最大程度地减小时间 和能量消耗，(4)利用调制后的、同步的且自适应的能量源的作用来 影响材料，和(5)重复步骤(2)至(4)，直到在材料中获得所需的技术效 果。这样，能够利用用于从材料对作用的实时响应中的过程参数的 柔性控制算法。
改变和生产出具有规定性质的材料的方法中，可将能量信号， 例如某种顺序的热的、电磁的、射束、相干的、准静态的、声的、 热、动力学的、超声波和其它合适的能量类型施加于材料上，以产 生效果，并且在产生效果期间，在材料中有自然的抗力响应。当抗 力增加时，这种响应将持续到克服某个能量阈值时为止，并且随着 效果的持续而重现。最后，在结构水平上克服能量阈值，并且获得 至少一个所需的技术效果。
图1中显示了根据本发明的利用脉冲处理使材料中改变和产生 规定的性质和状态的方法的一个优选实施例。具体地说，将采用能 量信号形式的能量源施加在材料，例如物体上，其作为初始作用， 即作用在材料上的初始脉冲作用，其中材料对这种初始作用有响应。 然后评估这种响应。结果，产生一种控制信号，并选择一种调制类 型。调制类型是基于作用的幅度、频率和脉冲宽度。基于材料对初 始作用的响应，可修改脉冲作用的幅度、频率和/或脉冲宽度。然后 调制可进行同步处理，并且可将自适应脉冲作用施加在材料上。然 后材料响应于自适应作用。然后评估这种响应，以确定作用抗力的 控制、品质指示和激励调整以及材料的作用。可再次对一个或多个 调制元素进行修改、同步并以自适应脉冲作用的形式施加在材料上， 其中材料再次对自适应脉冲作用有响应。这一系列步骤可一直进行， 直到在材料中获得所需的技术效果为止。以下更详细地描述了本发 明方法的该优选实施例的步骤。
在本发明的脉冲处理的方法中，能量源和相应的能量信号是作 为一种作用而施加在材料目标区域上的能量脉冲，其中所述作用可 包括在能量信号中或与之并联。所述脉冲作用包括标准化的脉冲和 间歇，即材料状态脉冲激励的周期和脉冲之间的松弛/间歇的周期的 受控的和自适应的交替变化。通过调整其频率、幅度和/或长度，来 对脉冲进行控制，即标准化。这样，各脉冲被控制成使得规则的脉 冲提供对材料的规则冲击，从而使得一系列受控脉冲可改变至少一 个规定的材料性质，以便在这整个系列脉冲、即脉冲处理或脉冲作 用过程中，可在最小的材料抗力下获得所需的技术效果。脉冲和间 歇与材料对脉冲作用的响应是同步的，最小抗力由所处理区域中的 材料品质饱和度来确定。
同现有技术应用相比，各脉冲是小的能量应用。每个脉冲作用 的各脉冲，即材料状态脉冲激励被应用直到材料达到抗力点时为止。 由于间歇的脉冲所引起的抗力，即材料状态脉冲激励是最小的，因 此就导致材料中的″软″变化。″软″是指最初感到抗力时以及在所处理 的材料区域中产生某一最小抗力时的材料状态。在这时，去除脉冲， 即去除材料状态脉冲激励，并接着进行松弛/间歇的周期。每个松弛/ 间歇周期容许材料在施加下一个脉冲作用的脉冲，即下一个材料状 态脉冲激励之前，从前一脉冲、即材料状态脉冲激励中恢复过来， 使得材料处于最佳的状态，以接受下一个脉冲作用的脉冲，即下一 个材料状态脉冲激励。因为每个脉冲引起的材料变化是很小的，所 以，在短时间内可获得从材料的抗力状态至非抗力状态的转变。因 而，提供了脉冲和间歇的协调，即材料状态脉冲激励周期和松弛周 期的受控的和自适应的交替协调，以便在最小的材料抗力下，在所 处理的材料中获得所需的变化或改变。高频率的脉冲是可能的，因 为在每个脉冲之后的松弛/间歇的所需周期，即材料状态脉冲激励的 周期是最小的，这是因为由于在每个脉冲期间，即在材料状态脉冲 激励周期内，施加少量的能量，而使材料对脉冲，即对材料状态脉 冲激励的抗力减小到最小程度。最小的抗力最好由渐近的损耗衰减 和材料对所述脉冲作用响应的相应的成比例的衰减来确定。
因此，材料上的任何效果都伴随着效果抗力的波动，即脉冲或 材料状态脉冲激励的周期，以及在这些波动之间的间歇内的材料状 态的松弛(由材料抗力造成)。这样，与其特征或性质变化相关的材料 上的任何效果，在获得所需的技术效果时，都控制着材料状态波动 的发生。通过这种方式，可发现由特定效果造成的特定材料的固有(独 特)特征性质，伴随着克服所得的状态波动而明确限定频率的阈值能 量，以及所述状态波动在材料或其部分表面上和其体积中转换成的 结构水平上的应力波。
能量源在材料上的效果与抗力波动是同步和/或同相位的。这种 同步消除了在脉冲，即材料状态脉冲激励的周期之间的间歇，即松 弛周期中的过量效果，并从而最大程度地减小了在获得所需的技术 效果时的材料抗力。这种同步还可能产生局部的(部分的)频率和幅度 敏感的共振，其由可与超声波变形相似地降低对变形效果和尤其是 扩散加速度的抗力。
有三种可能的方式使效果和材料对其响应通过利用以下的信号 进行实时同步，材料对效果的响应最好用抗力波动来表述，即脉冲 或材料状态脉冲激励的周期：在材料中发生定向的状态变化期间侦 听材料，监测动态变化和所处理区域中的材料品质饱和度，和/或记 录材料对效果的宏观响应。这些信号可代表材料的特征参数和相关 的参数，其包含当材料受到影响时与材料性能、以及调谐的控制处 理装置相关的信息。这三种使效果和材料对效果的响应同步的方式 是：(1)直接地测量结构性噪音的声信号；(2)测量在抗力波动之间， 即脉冲或材料状态脉冲激励的周期之间的间歇内，在某种足以获得 所需技术效果的作用下的材料品质；或(3)记录各作用之间的间歇内 的材料的基本振荡衰减，其与材料对作用的响应同步和/或同相。虽 然可利用这三种方式的其中任何一种方式，但是，选择使用哪种同 步方式可由用于改变规定的材料性质或生产出具有规定性质的材料 的特定任务来确定。
本发明的方法基于利用与材料对作用的实时的物理响应相关的 信息，其用于规定用来改变现有材料所规定的性质或生产出具有规 定性质的材料的方法和工艺条件。另外，在改变材料或生产材料期 间，由所处理区域中的材料抗力标准来评估这种响应。
图2是基于最小抗力标准的本发明处理方法的实施例的示意图。 参看图2，每个脉冲作用(T1)包括脉冲或材料状态脉冲激励的周期， 即材料对获得规定技术效果的抗力的特征时间(t1)，以及松弛/间歇的 周期，即松弛作用抗力的特征时间(T1-t1)。如图2所示，在脉冲或材 料状态脉冲激励的周期(t1)期间，施加在材料上的能量源的能量信号 功率W(1)增加。在相同的周期期间，所引起的材料品质Q(2)也朝着 所需的技术效果水平增加，而冲击作用的抗力Ri(3)，即抗力激励朝 着所需的技术效果水平衰减。在材料状态脉冲激励的周期(t1)开始时， 材料对作用的抗力Rch(4)较低并且接近所需的技术效果水平，但是随 后朝着脉冲或材料状态脉冲激励的周期(t1)的末端急剧地增加。
在脉冲作用(T1)的松弛/间歇周期(T1-t1)期间，从材料上去除了能 量信号功率W(1)，所引起的材料品质Q(2)仍保持增加，并在所需的 技术效果水平附近保持恒定，而冲击作用的抗力Ri(3)，即抗力激励 仍保持较低，并且在所需的技术效果水平附近衰减。另外，材料对 作用的抗力Rch(4)在各脉冲作用(T1)的整个松弛/间歇周期(T1-t1)朝着 所需的技术效果水平急剧下降。从所处理区域的材料品质中对材料 抗力进行实时评估，而最小的材料品质，作为获得的结果标准，从 材料损耗特征的饱和度中进行评估。
影响材料的方式是针对材料对材料上的效果进行响应的性质和 参数进行选择的，而这种响应表述为在改变材料的规定性质或生产 出具有规定性质的材料的期间对所述效果的抗力。
这样，根据在对这种效果的最小抗力的条件下，在获得规定的 材料中的改变效果或生产出具有规定性质的材料的条件下选择了哪 种脉冲能量参数(幅度和长度)，从而来规定材料上的脉冲效果的状 态。同时，在每个脉冲作用的各脉冲，即材料状态脉冲激励的周期 之间的间歇，被选择成使其足以在所处理的区域中使材料状态松弛， 从而减少材料对作用的抗力，使得材料处于最佳的状态中，以接受 下一个脉冲作用的脉冲，即材料状态脉冲激励。
之后，可确定载波能量信号，即脉冲作用的参数，包括载波能 量信号的频率、幅度和长度。具体地说，载波能量信号的频率被设 置为多个脉冲重复频率，其基于在获得所需的技术效果时最佳的能 量传递至受影响的材料上。幅度被规定并确定为使其足以提供如由 改变或产生材料或物体中所规定性质的任务所限定的脉冲能量。在 给定的幅度下，长度，即脉冲宽度，被规定且确定为可在材料对单 个脉冲作用的最小抗力下获得与该单个脉冲相关的所需技术效果。
一旦确定载波能量信号参数，即脉冲作用参数，那么通过调制 频率、幅度、脉冲宽度或其组合来选择用于产生信号脉冲的方法。 为此，必须考虑基本的调制参数，其在获得所需技术效果的环境下， 基于对材料特征性质的分析来进行设置。
图3显示了根据本发明的基于材料品质饱和度标准，即最终材 料品质Q的基础上的能量载波信号形状变化的示意图。在一个优选 的实施例中，载波能量信号的波形在从″-1″至大于0值的应力比值的 范围内变化，从而在最小抗力下将波形保持在并基于所需的技术效 果与作用区域中的材料品质饱和度相符的一致性的基础上。最大的 应力比值为正1(+1)。然而，这个最大的范围就实际意义和物理意义 上说并没有意义，因为在这种水平上并不存在振动，并且波形将是 静止的。参看图3，应力比表述为：
$K=\frac{{A^{\prime }}_{\min }}{{A^{\prime }}_{\max }}$ 其中，-1≤K＜1。
另外，材料对作用产生的特征抗力与所导致的材料品质是相似 的。因此这些都间接地与在周期(T1-t1)结束时的最小材料损耗成比 例。这可用方程式表述为：
$R_{\min }~Q_{\max }=\frac{1}{{\beta }_{\min }}$
当可使用电流时，在获得所需的技术效果时，材料对作用的响 应还可由载波能量信号的电流来确定，以控制载波能量信号和调制 脉冲的参数。图4是从载波能量信号的电流中测量材料响应的示意 图。如图4所示，在材料抗力获得规定的技术效果的特征时间(t1)期 间，即脉冲或材料状态脉冲激励的周期期间，电流强度I(1)增加，而 所引起的材料品质Q(2)朝着所需的技术效果水平增加，并且在脉冲， 即材料状态脉冲激励的周期(t1)开始的期间，材料对作用的特征抗力 Rch(3)较低，并且接近所需的技术效果水平，之后朝着脉冲，即材料 状态脉冲激励的周期(t1)结束方向急剧增加。在脉冲作用(T1)的松弛/ 间歇的周期，即使作用抗力松弛的特征时间(T1-t1)的期间，去除了电 流强度I(1)，所引起的材料品质Q(2)仍保持增加，并在所需的技术效 果水平附近保持恒定，并且材料结构对作用的抗力Rch(3)朝着所需的 技术效果水平急剧衰减。
根据材料在达到所需技术效果的特定状态下的特征性质，脉冲， 即材料状态激励脉冲的能量和长度，以及它们之间的间歇的长度被 控制在整个参数范围内：从随机的参数至那些受幅度变化、不工作 因数(在脉冲和间歇之间的比率，即在材料状态激励脉冲的长度和冲 击之间间歇周期之间的比率)、以及如由任务限定的重复率，即频率 控制的参数。在改变材料以获得规定的结构、状态或性质而获得所 需的技术效果的同时，在考虑材料对这种效果的抗力的动态变化的 条件下，确定作用在材料上的脉冲效果的控制顺序。图5显示了在 受控的参数范围的整个参数范围内对脉冲能量、脉冲长度和它们之 间的间歇的控制，其同随机的参数范围形成对比，随机的参数范围 反映了任意随机性，而非如本发明权利要求所述的特征控制。
在一个优选的实施例中，受控的超声波冲击参数与材料对超声 波冲击的响应同步和/或同相位，所述超声波冲击参数基于在获得至 少一个技术效果时，对作用在材料上的超声波冲击的最小抗力标准， 其由所处理的材料区域中的材料品质的饱和度来确定。受控的参数 最好包括一个或多个以下参数：超声波冲击长度，其中所述长度是 当压头同时与材料及超声波换能器的尖顶接触时的累积时间，以及 在材料和超声波换能器的尖顶之间的间隙中的压头的超声波振荡； 在超声波冲击之间的间歇的持续时间；在给定的冲击长度或在冲击 之间间歇内的冲击重复率或不工作因数；与所处理表面的单位面积 或与超声波冲击处理的单位时间相关的冲击密度；冲击效率，其包 括单次冲压的面积或体积或在所述材料中引起塑性变形的材料体 积；载波超声波振动的幅度和频率；由超声波频率的载波振荡所引 起的冲击波动的幅度；施加在材料表面上，并伴随着超声波冲击开 始过程的静态压力；超声波机械振荡的系统源的耦合水平；冲击点 上的等效质量、固有频率和等效质量的等效弹性，以及冲击元件的 声弹性、质量和配置。
参看图6，根据本发明的方法，控制作用在材料上的脉冲参数的 算法标准是概率控制因数，其反映了基于在所需的技术效果状态下 对材料特征性质的分析结果基础上的抗力参数的分布。因此，概率 控制系数(ki)是无量纲的函数，其由在脉冲作用的响应参数的数量， 即递归参数的数量(ri)，以及足以获得所需技术效果的总脉冲数量， 即冲击数量(ni)之间的比值来表达。在这个基础上，执行和限定本发 明方法的基本条件，使得将材料上的作用参数控制在0到1以及1 到0的控制概率因数的变化范围内成为可能，而这个系数由获得所 需技术效果时，材料对作用的抗力的特征参数来确定。
本发明的方法提供了在获得所需技术效果时，在影响材料的过 程中，用于过程中控制的所有必要条件。在本发明方法的一个优选 的实施例中，在影响材料的过程中，用于过程控制以获得所需技术 效果的所有必要条件可在用超声波作为能量源的条件下实现。参看 图7(a)和7(b)，优选的过程控制如下：
(1)通过测量在超声波冲击激励过程中的超声波振动的幅度、冲 击频率和长度、负载状态下的当前参数、以及在超声波冲击之间的 间歇内的系统中的当前参数和固有振荡的衰减因数，来限定和预先 确定经验性的基准数据，所述系统包括超声波共振体，冲击元件和 所处理的材料(UIM)，所述超声波冲击表征了在获得所需的物理和/或 技术效果或其相互依存的组合时，材料对作用的响应和其相关品质 上的变化；
(2)测量在超声波冲击激励过程中的振荡幅度、冲击频率和长度、 负载状态下的当前参数、以及在超声波冲击之间的间歇内的UIM系 统的当前参数和固有振荡或基本振荡的衰减因数，所述超声波冲击 表征了在实际应用超声波冲击处理的操作过程中，材料对作用的响 应和其相关品质上的变化；
(3)将实际过程中的UIM系统的振荡参数与经验性的基准数据进 行比较；
(4)通过比较来确定(计算)在经验性的基准数据和所获得的实际的 当前数据之间的一致性，并基于所需的技术效果对此进行校准；
(5)用控制代码转换数据；
(6)从材料对作用的响应以及其受影响区域的相关品质的饱和度 的动态变化中，产生控制算法和控制信号；和
(7)自动地控制UIM中的超声波冲击参数，其对于获得所需的技 术效果是足够的。
应用本发明方法的以下示例试图显示本发明，而并非以任何方 式来限制本发明。
金属机械加工：
金属机械加工伴随着连续顺序的弹性和塑性变形、硬化、过硬 化、在片材根部处和前部裂纹处的所处理表面的金属剥离，前部裂 纹经常在机械加工期间在切削工具之前形成。如以下进一步所述， 在某种利用″工件-工具-机器″系统的元件的声调谐的条件下，利用本 发明的方法，这些在变形中心引起高强度的应力波动的重复过程， 可以很容易地引起在有利的切削工具和片材根部的应力区域之间的 共振位移的同步和同相交换。具体地说，测量变形中心的应力波动， 来建造调谐的声振动系统，测量这个系统对工具-工件负载的响应， 产生与响应参数同步和/或同相的超声波脉冲，并且起动过程控制。 这导致了钢切削抗力的成倍减少，这些钢包括高强度钢和合金，并 提高了机械加工精度和工具寿命，且扩展了机器的性能。在这个示 例中，根据本发明的方法，在最少能量消耗的条件下，通过外部能 量源的超声波脉冲，可以改善在变形中心处的自然的应力波动的调 制、效率以及调整后的切削抗力减小。
参看图8，其显示了声激励的机械加工过程的示意图。同样，图 8用图表显示了在变形中心的变形，应力脉动频率测量值(作用抗力)、 激励调整情况和作用匹配情况，以及结合机械加工过程使用的本发 明的超声波脉冲产生情况之间的关系。
电弧焊接：
电弧焊接伴随着对熔融金属和基体金属的强加热，焊接区域的 排热，以及温度梯度的产生。这些相互依存的过程需要将额外的能 量导入到熔池中，以获得正确的温度，并提供较冷区域的可焊牲， 但是过量的能量，也即热输入会造成在冷却熔池和焊接金属时形成 具有不利的残余应力和变形的区域，因此，通过上述环境所表述的 熔融金属的特征抗力就对焊接过程的效率施加了某些限制。
本发明的方法通过最大程度地减小其在各个单个脉冲中的能量 水平，并通过在下一个脉冲之前的间歇中使焊接状态松弛，从而最 大程度地减小了将能量导入到熔融金属和焊接中的抗力。因此，热 输入的最小化和熔融金属及焊接金属状态在脉冲之间的间歇内的松 弛，就对焊接的接头金属的结构和其变形模式具有有利的效果。通 过选择由任务限定的焊接电流能量脉冲的重复率或焊接电极或焊接 材料，例如填充材料的振荡重复率，可提供由本发明方法规定的效 率。具体地说，根据本发明的方法，通过利用超声波频率的电流， 可执行电弧焊接，超声波频率电流通过标准化的具有幅度、长度和 重复率的脉冲进行调制，所述幅度、长度和重复率基于相关的热输 入最小化的标准、焊接金属和接近焊接区域的规定品质、残余应力 和变形的最小化以及提供规定的工艺效率的基础上来进行设置。
图9是利用超声波频率电流进行电弧焊接的示意图。如图所示， 单个微滴形成周期与每个脉冲作用的脉冲，即材料状态脉冲激励的 周期相对应。另外，单个微滴传送到熔池中的周期与每个脉冲，即 材料状态脉冲激励的周期之间的松弛或间歇的周期相对应。
超声波冲击处理(UIT)：
传统的超声波冲击处理(UIT)伴随着随机的冲击作用，其与所有 过程的正特性一起导致了可能的不均匀的处理，由于使用过多处理 次数而引起的所处理的金属区域的可能的过硬化，较好细微结构的 可能的故障，以及过大的能量消耗和将超声波有利地导入到所处理 材料中的间歇的不均匀特征。本发明的方法解决了这些UIT问题。 具体地说，当利用UIT时，本发明的方法提供了受控的冲击，对材 料的均匀处理，减少所处理的材料区域的过硬化的可能性，增强的 细微结构，最小的能量消耗和将超声波导入到所处理材料区域中的 间歇的均匀特征。本发明的方法还扩展了这种先进的UIT技术在严 格要求处理过程的可互换性，标准化和一致性的工业条件下的应用 领域，其导致形成了机械和航空、船舶、空间、汽车和铁路输运等 广泛应用范围。如图10中所示，UIT自适应，即根据本发明方法使 用的UIT，导致了当同随机冲击UIT所引起的性质相比较时更窄、 更有限的、更均匀的所需性质范围。
通过UIT导入超声波：
除了上面陈述的细节以外，超声波冲击处理(UIT)伴随着超声波 冲击，其中，其长度在超声波冷作硬化期间与例如单个开始冲击的 长度是根本不同的。超声波冲击是一种将超声波传送到例如金属等 材料中的有效方法。根据本发明的方法，UIT优化了将超声波导入到 材料中的过程，并且控制了导入参数和效果的持续时间。这样，超 声波通过超声波塑性变形的区域而传送到材料中，并且与任何表面 导入状态无关，如图11(a)-11(c)所示。具体地说，图11(a)-11(c)显示 了通过超声波冲击产生超声波的一个示例。在超声波塑性变形(T)的 区域，即在脉冲或材料状态脉冲激励的周期，冲击区域中的应力(σ) 和所引起的材料品质(Q)下降，之后在超声波松弛区域，即松弛周期 期间基本上保持恒定。
超声波有效导入材料中的基本条件，和带塑性变形的超声波冲 击区域中的金属饱和一起，改进了伴随这个过程的″工具-物体″振动 系统的品质(达到饱和)。具体地说，磁致伸缩反馈信号是与换能器中 的损耗以及与声音所作用的物体的质量相关的信息的客观来源。在 处理过程中，附连的质量的物理状态和数量是变化的。因此，″工具- 物体″振动系统的(所引起的)总体Q因数也是变化的。当考虑到由于 塑性变形是累积的时，物体表面的反射功率在作用区域将提高(达到 饱和)。这样，由于作用而引起的物体振荡的抗力将减少，而证明损 耗在这个恒定变换的振动系统中衰减的Q因数，将恒定地增加到某 个数值，称为饱和度，其对应于所需的技术效果。
根据本发明方法的超声波冲击处理现在可用于解决日益增加的 许多工程问题，例如，但不局限于疲劳抗力的增加、应力腐蚀、接 触和磨损故障、老化、腐蚀和热机械疲劳、承载容量的增加，对在 大气和腐蚀环境中的材料强度水平下的动态的、可变的和准静态的 负载的抗力、残余应力和变形效果的补偿、松弛、在这种效果调节 过程中的扩散速率的增加、铸件、焊接金属、粉末、复合材料和镀 层材料的质量和结构的改进，材料结构的质量和不可拆卸的接头及 保护层中的粘接有效性质量的提高。
体积的超声波处理(VUT)：
体积的超声波处理(VUT)是由利用刚性地固定在合适位置上的超 声波冲击工具引起的超声波冲击进行超声波处理的实施例。材料受 到在如上述产生的其基本频率下的脉冲的超声波影响。根据本发明 的方法，材料状态、性质或结构的改变在加工期间是受到控制的。
VUT是在材料上具有或没有分布的静态压力、分布的动态负载、 分布的加热条件下，在真空或惰性气体氛围中，在具有特殊环境的 腔室中，在处理浴槽中，或在露天下执行的。VUT应用的一个示例 是对具有复杂几何形状的大型结构的有效松弛处理。根据本发明的 方法，体积的超声波处理减少了残留应力和变形，并且可省略热处 理。因为VUT伴随着超声波和应力脉冲在材料中的均匀分布，并且 直接影响材料的体积，所以在这个过程中，能量消耗被减小了几个 数量级，其不同于伴随有热量被吸收到周围空气中的热处理。
图12(a)-12(e)显示了对材料进行体积的超声波处理的一个示例， 并显示了在松弛期间，必要的超声波应力幅度和残余应力水平之间 的关系。具体地说，许多焊接结构具有靠近临界水平(接近或比材料 屈服点0.7倍更大的)的针对例如疲劳的残余应力分布曲线。在这种 情形下，残余应力越大，那么具有用以改变结构应力分布曲线的积 极效果所需的超声波应力越小。在残余应力分布曲线较小，并且为 了例如几何形状在使用时的稳定性而需要松弛(接近和小于0.5倍的 材料屈服点)的其它情况下，在这种情况下，残余应力越小，应力分 布曲线的正向变化所需的超声波应力就越大。
结构缺陷的超声波消除：
本发明的方法通过所处理材料上的局部的或体积的效果而提供 了消除结构缺陷的功能。这些缺陷可包括亚表面气孔、微观裂纹、 危险空位和位错云、大颗粒、枝状晶、扩散氢、潜在的结构应力集 中、细微结构缺陷和层压结构。超声波缺陷的消除效果是基于增强 材料中的扩散、塑性变形、再结晶、和松弛过程的增强的基础上。 这个效果受到组合的或独立的效果的控制，这些效果包括表面上或 体积上的超声波和振荡，在材料上具有或没有分布的静态压力、分 布的动态负载、分布的加热条件下，在真空或惰性气体氛围中，在 具有特殊环境的腔室中，在处理浴槽中，或在露天下进行的超声波 冲击所引起的弹性和塑性变形。
图13显示了根据本发明的方法，通过超声波冲击效果消除结构 缺陷的情况。利用根据本发明方法的超声波冲击可减少所处理的材 料区域中的结构缺陷。具体地说，在超声波变形下遭遇压力扩散的 材料在相对变形期间比只遭遇压力扩散的材料具有更低的应力数 值。另外，如图13中所示，同只有超声波扩散或热机械扩散相比， 利用冲击造成的超声波扩散可在更短的时间内完成扩散抗力的衰 减。
热处理(HT)：
上面已经描述了某些热处理的特征。在热处理过程期间使用的 本发明的方法提高了效率，并和扩展了容许材料中发生规定相变的 可容许的温度区间的范围。这个结果通过考虑到材料对热作用的特 征抗力和带间歇的调谐的超声波脉冲所伴随的这个脉冲作用而获 得，其足以使单个超声波脉冲所造成的对材料结构的干扰松弛下来。 具体地说，根据本发明的方法，利用超声波冲击工具作为材料对作 用的响应的检测装置，并且作为标准化的超声波脉冲和其之间间歇 的脉冲源而对材料进行热处理，其足以激励基于过程控制算法而由 任务限定的材料中的扩散作用和结构变化。
图14(a)-14(c)中显示了热处理控制和激励的示意图。参看图 14(a)-14(c)，各脉冲作用(T1)，即单个作用的周期，包括材料对获得 规定技术效果的抗力的特征时间(t1)，即脉冲或材料状态脉冲激励的 周期，以及使作用抗力松弛的特征时间(T1-t1)，即松弛/间歇的周期。 如图14(a)所示，在脉冲期间，即材料状态脉冲激励的周期(t1)，振动 系统对电流(4)的超声波冲击的响应提高了。在相同的周期期间，所 引起的材料品质(1)朝着技术效果水平而提高，而冲击作用抗力(2)， 即抗力激励在这个周期开始时是很高的，之后朝着技术效果水平急 剧衰减。在脉冲，即材料状态脉冲激励的周期(t1)的开始时，材料对 作用的特征抗力(3)较低并且接近所需的技术效果水平，但是之后朝 着脉冲，即材料状态脉冲激励的周期(t1)的末端急剧增加。
在使该作用松弛的脉冲作用(T1)的特征时间(T1-t1)期间，即在松 弛/间歇周期，从材料上去除了振动系统对电流(4)的超声波冲击的响 应，所引起的材料品质(1)仍保持增加，并在所需的技术效果水平附 近保持恒定，同时冲击作用抗力(2)，即抗力激励，仍保持较低，并 在所需的技术效果水平附近衰减。同样，材料对作用的特征抗力(3) 在各脉冲作用(T1)的整个松弛/间歇周期(T1-t1)内，朝着所需的技术效 果水平急剧下降。图14(b)显示了温度如何影响技术效果区域，并且 图14(c)显示了时间如何影响技术效果区域。
虽然上面的示例是应用本发明方法的举例说明，但是，本方法 的优选实施例可应用于，但不局限于，电弧焊接、热焊接、电阻焊、 摩擦焊接、摩擦搅动焊接、超声波焊接、扩散焊接、压力焊接、电 子射束焊接、激光焊接、热处理、热机械处理、电火花处理、超声 波处理、超声波冲击处理、电镀、规定的物理和机械特征的涂层施 加，表面精加工、钎焊、金属和非金属之间的粘合接头的制造、粘 合的金属覆层的应用、生产铸造合金和具有规定性质的铸件的电弧 方法、机械加工、金属和合金的成形以及任何其它合适的应用。
虽然本发明的方法可用于各种应用，但是本方法可能的应用领 域依赖于所需的技术效果，单一地或总体地依赖于将通过脉冲处理， 即脉冲作用而获得材料的结构、状态或性质。在一个优选的实施例 中，本发明的方法利用了超声波冲击处理。图15-27显示了获得所需 的超声波冲击处理的技术效果的某些物理效果和状态。这些超声波 冲击作用的技术效果包括产生用于将超声波传送到材料或物体如接 头中的最佳状态；减少扩散抗力；减少材料中的镶嵌块的尺寸；减 少在超声波冲击过程中的变形抗力；空位、位错和剪切面的激励； 塑性变形和合成应力；其在材料中的深度和分布的标准化；第二种 应力，即在材料的微观区域中形成的残余应力的分布；材料细微结 构和对由于冲击造成的动态失效的保护功能的标准化；显微硬度的 标准化和在材料深度上的分布；材料的再结晶；脱气；提高对结构 化的和熔析的缺陷形成的抗力；在铸造合金和焊接接头中的结晶状 态和颗粒尺寸的标准化；材料结构的非晶态化，即将材料或接头的 结构转变成非晶态状态；应力松弛；变形的补偿、定向分布和再分 布；结构化缺陷的消除；以及白层的产生。
图15-27显示了根据本发明的方法和如上所述的超声波冲击作用 的这些不同技术效果的某些技术效果。例如，图15显示了将超声波 传送到材料中的情况。图16显示了减少扩散抗力的技术效果。具体 地说，在利用超声波处理的材料中的扩散速度比在没有利用超声波 处理的材料中的扩散速度更大。图17(a)和17(b)显示了在材料经过超 声波(脉冲)处理之后，镶嵌块尺寸的减少和其致密化效果，这是一种 所需的技术效果。具体地说，超声波处理减小了材料的镶嵌块尺寸。 图18显示了在超声波冲击期间，减少位错抗力的技术效果。具体地 说，当根据本发明的方法将超声波施加在材料上时，同不应用超声 波的材料中的应力比较而言，极大地减少了材料中的应力。
图19(a)和19(b)显示了激励空位、位错和剪切面的技术效果。具 体地说，在超声波的效果下，材料的相对变形比没有超声波效果有 显著的提高。另外，在超声波的效果下，相对变形的移动位错的平 均速度也比没有超声波效果有所提高。图20显示了在有和没有应用 超声波的条件下，使压缩应力在整个材料深度上的分布标准化的技 术效果。具体地说，在利用超声波处理的条件下，压缩应力在整个 材料深度上的分布的标准化程度要高于在没有超声波处理的条件下 的分布的标准化程度。
图21显示了在有和没有应用超声波的条件下，使二次应力分布 在整个材料深度上的技术效果。具体地说，当将超声波施加在材料 上时，材料具有比不应用超声波时更大量的二次应力，即在微观区 域中成形的残余应力。图22显示了根据本发明的方法，在应用超声 波的条件下，使细微结构标准化、再结晶和材料的晶粒尺寸标准化 的技术效果。图23显示了在有和没有应用超声波的条件下，使材料 中的显微硬度分布标准化的技术效果。具体地说，当材料利用超声 波进行处理时，材料在其整个深度上具有比不用超声波处理时更大 的显微硬度。
在这里所使用的用语″白层″意味着这样一种材料状态，即，当为 了进行金相结构识别而进行腐蚀时，材料未被腐蚀，即不能腐蚀， 并因而在显微照片中显露为白色的层。换句话说，这种材料状态并 不具有典型的金属结构，并且基于其特定的特征而可被称为非晶态。 白层区域中的金属其特征在于独特的使用性能，例如，但不局限于， 屈服强度和极限强度大于那些未处理的材料；大的摩擦抗力、动态 和静态的接触负载；以及对普通腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀的较大 抵抗。
以下作用在材料上的脉冲作用的局部区域中的组合效果和同时 效果，其主要负责在脉冲作用期间，在许多金属合金中形成白层， 脉冲作用包括例如持续的超声波冲击：由于多个脉冲作用在一个″位 置″上而引起的局部化处理区域的高温(在相变水平)；从作用在所处 理金属上的脉冲作用的局部″位置″中的快速热耗散；和所述″位置″的 塑性变形的较大成形速率，在脉冲作用区域和在超声波冲击期间， 形成较高的机械操作应力，较大的由于超声波冲击的动态变化而引 起具有较高机械应力的所述″位置″的超声波塑性变形区域的成形速 率。图24显示了根据本发明的方法，使超声波处理的材料的结构非 晶态化和形成白层的技术效果。白层是在应用超声波期间，材料发 生变化或相变的层。
图25显示了在超声波处理期间应力松弛的技术效果，其中，由 于金属在冷却时收缩而造成的危险的残余拉伸应力，被有利的压缩 应力替代。图26显示了根据本发明的方法，对超声波处理的材料变 形进行补偿、定向分布和再分布的技术效果。图27显示了根据本发 明的方法，由于超声波的应用而消除结构缺陷的技术效果。
本发明方法的超声波冲击可用于在所处理的材料区域获得各种 所需的技术效果。这些单一地或一起地直接影响所处理的材料区域 的超声波冲击的所需的技术效果，其最好包括：提供在材料的表面 上和体积中的效果的均匀分布；提高所述的材料限制性物理-机械特 征，包括屈服点和极限强度，在某些方向上的相对可变形能力，由 于在张紧、压缩、扭曲、弯曲和剪切时的法向应力和剪切应力而引 起的在平面应力状态和体积应力状态下变形的延展性和抗力；使延 展性和冲击强度稳定和提高；提高接触应力抗力；提高热机械应力 抗力；提高热机械疲劳和老化抗力；提高应力腐蚀失效抗力；提高 腐蚀疲劳失效抗力；提高腐蚀疲劳失效抗力；提高材料、焊接金属 和铸造合金的结构的品质和均匀性；将金属在冷却时收缩所引起的 危险的残余拉伸应力替代成为有利的压缩应力；提高材料的延展性， 其结构是在加热之后进行淬火时而在相变温度的区域中形成的；提 高在材料和接头的发热过程和处理过程中的稳定相态和稳定结构形 成速度；降低在材料或接头的固熔体中的扩散氢含量；提供材料和 接头的应变硬化；提供材料的应变(动态)合金化；提供基于将超精细 粉末导入到延性的基体中的基础上的材料扩散合金化；形成高强度 的复合材料；提供材料性质的热机械改进；提高机械构件的寿命和 操作可靠性，包括由于材料表面硬化的金属以及更延展性的基体所 形成的层结构而增强的机械强度、疲劳强度和接触强度，并基于这 个基础而省略了对机械构件的热处理；将机械加工所完成的机械构 件表面上的残余拉伸应力替换成有利的压缩应力；通过提供最小的 粗糙度，产生压缩应力并获得其非常均匀的分布，而提高机械构件 的表面质量；通过在表面上产生规则且均匀分布的微观和宏观起伏 形状，而提供对机械构件和摩擦结合的质量和寿命的控制；使危险 的处理工艺引起的残余应力减小并重新分布；利用工艺引起的残余 应力，来提高在制造和维护过程中的载荷产品和结构的尺寸和变形 的稳定性；减少并补偿在构件、结构和接头的制造、维护和修理过 程中，由于加热工艺和温度梯度所造成的残余应力和变形；通过优 化在应力集中区域的过渡的几何形状，并引入有利的残余应力，从 而分散危险的应力集中；提高在涂覆过程中的粘合强度；提高表面 涂层的强度、粘度和质量；电镀和连接上不相似的材料；以及在新 的产品、材料、结构和接头的制造、维护、升级和修理条件下获得 上面其中任何一种结果。
图28是可用于本发明方法的超声波冲击参数的示意图。具体地 说，冲击密度(D)与冲击频率(fim)，工件速度(V)，处理效果(E)和冲击 能量(W)直接相关。处理效果(E)与压痕面积(Sind)，压痕体积(Vind)以 及冲击能量(W)直接相关。
图29中以框图显示了根据本发明的方法，使用超声波冲击而作 用在材料或物体上的作用的算法。初始作用作用在材料或物体上， 其中材料/物体对初始作用起响应。然后，为了使材料/物体获得所需 的技术效果，可基于这个响应来选择冲击参数。这系列过程可重复， 直到材料/物体获得所需的技术效果时为止。所需的技术效果与材料 对作用的最小抗力(Rmin)以及所引起的材料品质(Q)直接相关。
图30(a)-30(d)是根据本发明的方法，由于超声波冲击处理所引起 的应力和疲劳性能改进的技术效果的示意图。图30(a)显示了在有和 没有超声波应用条件下的S-N曲线，即应力-循环曲线。具体地说， S-N曲线对于利用超声波处理的材料比不用超声波处理的材料更高。 图30(b)显示了作为超声波冲击处理(UIT)的凹槽的函数形式的应力集 中因数。具体地说，当半径(R)增加时，应力集中因数(Kt)急剧衰减， 但仍保持在1以上。图30(c)显示了极限应力的简图。极限应力可被 定义为：
$\mathrm{Tan}\left(\alpha \right)=\frac{{\sigma }_{\max }}{{\sigma }_m}=\frac{2}{(R_{\sigma }+1)}$
其中α是极限应力，σmax是最大应力，σm是平均应力，而Rσ是 应力比。在图30(c)中，曲线1和2限定了各种应力比下的材料的疲 劳极限，其中曲线1没有超声波处理，而曲线2是超声波处理后的 曲线。比较曲线1和曲线2，在超声波处理后的在对称的载荷循环下 的疲劳极限(σ-12)高于没有经过超声波处理的在对称的载荷循环下的 疲劳极限(σ-11)。经过超声波处理的材料的屈服点(σT2)大于未处理材料 的屈服点(σT1)。另外，经过超声波处理的材料的极限抗力(σB2)大于未 处理材料的极限抗力(σB1)。另外，R′σ2是与经过超声波处理的材料的 σ′相对应的应力比，而R′σ1是与未处理材料的σ′相对应的应力比。这 些都证实了，经过超声波处理的结构的承载能力提高的区域按比例 地提高了在由曲线1(没有超声波处理)和曲线2(在超声波处理之后)所 描述的之间的区域的比值。
图30(d)显示了在超声波处理之前和超声波处理之后的应力集中 分布图。如图所示，在超声波冲击处理之后，基本上消除了应力集 中。
本发明的方法可与各种类型的装置和设备一起使用，其包括但 不局限于焊接装置、超声波冲击工具、金属加工、冶金、铸造、辊 压、锻造、电镀、电子射束、电子脉冲、热机械、磁脉冲、真空和 激光设备。任何合适的装置或设备都可结合本发明的方法一起使用。
这里所公开的示例性实施例并不意图是详尽无遗漏的，或者不 必要地限制了本发明的范围。所选择和所描述的这些示例性实施例 是为了解释本发明的原理，使得本领域中的其它技术人员可实践本 发明。如本领域中的技术人员所清楚的那样，在前述说明书的范围 内，可制作各种变型。这种属于本领域中的技术人员能力范围内的 变型构成了本发明的一部分，并且被附属权利要求所涵括。