本發(fā)明屬于機械制造與振動處理應用技術領域，特別提出了一種多次振動處理修復銅薄膜試件疲勞損傷的方法。

背景技術：

振動時效基本思想是通過對應力工件施以循環(huán)載荷使工件內應力釋放從而使工件殘余應力降低，尺寸穩(wěn)定下來而達到時效之目的。它能有效愈合金屬構件的疲勞損傷，延長其疲勞壽命，且生產周期短，處理地點靈活，耗能少，無環(huán)境污染，因此具有很大的實用價值和工程意義。銅薄膜廣泛地應用于大規(guī)模集成電路及微電子機械系統(tǒng)中，在服役過程中常常受到循環(huán)應力應變的作用而失效甚至破壞，從而帶來較大的經濟損失，因此提高銅薄膜的使用壽命，采取有效的方法進行疲勞損傷修復是至關重要的。

有限元法是利用計算機而發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值方法。對于振動處理的研究除了應用試驗方法外，還可以利用有限元數(shù)值模擬的方法進行研究。而且有限元方法可以降低研究成本和研究時間，大大的節(jié)約了人力、財力和物力。

專利號為CN201610405871.0的學者曾提出“一種修復銅薄膜試件疲勞損傷的振動處理方法”。該方法對于單次振動修復取得了較好的修復效果，但是在實際應用中，按其參數(shù)進行多次疲勞振動時，修復效果較差。對此，探究振動機理并且用有限元仿真求得多次振動最優(yōu)參數(shù)從而指導試驗，進一步提高銅薄膜疲勞壽命的方法是很必要的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了最大程度提高銅薄膜材料的疲勞壽命，提供一種新型的多次振動處理修復銅薄膜試件疲勞損傷的方法。由于單次振動處理的方法對疲勞壽命的延長較有限，且用同一參數(shù)進行多次振動處理無明顯效果。因此用有限元分析軟件模擬多次振動修復處理試驗，以求得每次最優(yōu)修復效果及其對應的參數(shù)。將每次得到的最優(yōu)參數(shù)作為設備輸出參數(shù)，實現(xiàn)對每次損傷后的修復，從而持續(xù)延長其剩余壽命。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為：一種多次振動處理修復銅薄膜疲勞損傷的方法，其步驟包括如下：

步驟1)該振動處理裝置包括試件隔斷裝置、模態(tài)激振器、波形發(fā)生器和功率放大器；其中試件隔斷裝置與模態(tài)激振器的振動臺剛性固定在一起；模態(tài)激振器和功率放大器相連接；功率放大器和波形發(fā)生器連接，并且均與電源連接；

步驟2)用有限元分析軟件靜態(tài)分析模擬試件疲勞損傷過程，用瞬態(tài)動力學分析模擬振動處理過程，分析試件受力情況，得到最優(yōu)修復效果所對應的參數(shù)：頻率和電壓值；

步驟3)調整模態(tài)激振器位置使其保持水平，將銅薄膜試件水平放置在試件隔斷裝置內，使試件周圍不受約束；

步驟4)依次開啟功率放大器和波形發(fā)生器,待指示燈顯示設備為正常運行狀態(tài)，在波形發(fā)生器處輸入步驟2)獲得的最優(yōu)頻率和電壓值，得到目標頻率及振動加速度，設置輸出波形為正弦波；

步驟5)參數(shù)設置完成后，啟動波形發(fā)生器的輸出鍵，并使試件處于自由振動狀態(tài)；

步驟6)3小時后依次關閉波形發(fā)生器和功率放大器,將銅薄膜試件從試件隔斷裝置內取出；

步驟7)將修復后的銅薄膜試件再次進行疲勞損傷處理或應用，然后重復步驟2)-6)：用有限元分析軟件靜態(tài)分析模擬試件該次疲勞損傷過程，用瞬態(tài)動力學分析模擬振動處理過程，分析試件受力情況，得到最優(yōu)修復效果所對應的參數(shù)；用有限元仿真分析不同頻率下的塑性應變，最小塑性應變對應的數(shù)值即為最優(yōu)參數(shù)，將每次得到的最優(yōu)參數(shù)作為設備輸出參數(shù)，再將試件放入振動修復裝置中，進行疲勞修復處理；

步驟8)用有限元仿真分析多次振動下的塑性應變，提取并輸出最優(yōu)參數(shù)，進行多次振動處理，直至銅薄膜試件最終疲勞斷裂。

所述步驟3)和7)中，由于每次疲勞損傷后銅薄膜試件內部的微觀組織變化都不同，需要用有限元軟件進行瞬態(tài)分析以模擬振動修復處理實驗，求得最優(yōu)修復效果及其對應的參數(shù)，將每次得到的最優(yōu)參數(shù)作為設備輸出參數(shù)，才能實現(xiàn)對每次損傷后的修復。

所述步驟5)和步驟7)中的損傷程度一般選取為試件0.5倍原始壽命。損傷程度過小，無修復必要，損傷程度過大，出現(xiàn)疲勞裂紋后，方法不起作用。

本發(fā)明的創(chuàng)新在于：第一次修復后的銅薄膜試件再次受到疲勞損傷后，可針對該次損傷情況，用有限元軟件進行分析以模擬損傷處理和振動修復處理試驗，從而得到最優(yōu)修復效果及其對應的參數(shù)。通過模擬得到的最優(yōu)參數(shù)指導試驗再次進行疲勞修復處理，使試件的損傷不斷擦除，每次的修復效果達到最佳，從而持續(xù)延長剩余壽命；振動修復系統(tǒng)耗能少，無環(huán)境污染，簡單且易操作，其工藝簡單，方法實用，效果顯著，有很大的實用潛力。

本發(fā)明的有益效果在于：通過采用上述多次振動處理修復疲勞損傷試件的方法使試件的損傷不斷擦除，持續(xù)延長其剩余壽命，使累積疲勞壽命大幅度提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中振動處理修復裝置的示意圖。

圖2為本發(fā)明中待處理試件的示意圖。

圖3為本發(fā)明中試件放置的示意圖。

圖4為本發(fā)明中試件隔斷裝置的示意圖。

圖5實施例1試件第一次受損有限元仿真分析不同頻率下的塑性應變。

圖6實施例1試件第二次次受損有限元仿真分析不同頻率下的塑性應變。

圖7實施例1試件第三次受損有限元仿真分析不同頻率下的塑性應變。

圖中：1、試件隔斷裝置、2模態(tài)激振器，3、功率放大器，4、波形發(fā)生器，5、待處理試件，11、試件隔斷裝置單元。

具體實施方式

下面結合附圖，通過舉例對本發(fā)明方法做進一步的闡述，請參閱圖1至圖4。對試件施加最大應力為180MPa的脈動循環(huán)載荷，循環(huán)加載時間至試件0.5倍原始壽命，然后對其進行多次振動修復處理，直至試件斷裂。一種多次振動處理修復銅薄膜疲勞損傷的方法，其步驟為：

步驟1)提供振動處理修復裝置，所述振動處理修復裝置包括試件隔斷裝置1，模態(tài)激振器2，功率放大器3和波形發(fā)生器4；所述試件隔斷裝置1和模態(tài)激振器2的振動臺剛性固定在一起；所述模態(tài)激振器2和功率放大器3連接；所述波形發(fā)生器4和功率放大器3連接，并且均與電源連接；由于在振動處理修復試驗過程中，所述試件隔斷裝置1包括6個相同大小的試件隔斷裝置單元11，用以對損傷試件5進行振動修復處理；

步驟2)用有限元分析軟件靜態(tài)分析模擬原始試件疲勞損傷過程，用瞬態(tài)動力學分析模擬振動處理過程，分析試件受力情況，得到最優(yōu)修復效果所對應的參數(shù)；

步驟3)調整模態(tài)激振器位置使其保持水平，將存在疲勞損傷的銅薄膜試件5水平置于試件隔斷裝置單元11內的中心位置；

步驟4)依次開啟功率放大器3和波形發(fā)生器4,指示燈顯示狀態(tài)為正常運行狀態(tài)，通過波形發(fā)生器4的頻率鍵和電壓鍵設置輸出頻率65HZ和電壓640mV；

步驟5)參數(shù)設置完成后，啟動波形發(fā)生器4的輸出鍵，使試件隔斷裝置1中的損傷試件5處于自由振動狀態(tài)；

步驟6)振動處理3小時后，依次關閉波形發(fā)生器4和頻率放大器3，取出試件隔斷裝置單元11中的試件5；

步驟7)對取出的試件再次施加最大應力為180MPa的脈動循環(huán)載荷，循環(huán)次數(shù)為原始壽命的一半，試驗完成后再次進行疲勞損傷試驗。針對該次損傷情況，用有限元靜態(tài)分析模擬試件該次疲勞損傷過程，用瞬態(tài)動力學分析模擬振動處理過程，求得最優(yōu)修復效果所對應的參數(shù)。用有限元仿真分析不同頻率下的塑性應變，最小塑性應變對應的數(shù)值即為最優(yōu)參數(shù)，由圖5可知頻率為65Hz時塑性應變最小，所以試件第一次振動的最優(yōu)參數(shù)為頻率65Hz，電壓值780mV，加速度5g。由圖6可知該試件第二次振動的最優(yōu)參數(shù)為，頻率105Hz，電壓值800mV，加速度5g。由圖7可知該試件第三次振動的最優(yōu)參數(shù)為，頻率100Hz，電壓值800mV，加速度5g。將每次得到的最優(yōu)參數(shù)作為設備輸出參數(shù)，再將試件放入振動修復裝置中；振動3小時后依次關閉波形發(fā)生器4和頻率放大器3；

步驟8)重復步驟7)，用有限元仿真分析多次振動處理下的塑性應變，提取并輸出最優(yōu)參數(shù)，進行多次振動處理，直至銅薄膜試件最終疲勞斷裂，進一步提高試件的使用壽命，使之使用壽命最大化。

本發(fā)明通過采用上述的多次振動處理方法修復銅薄膜材料的疲勞損傷，使材料的累積壽命實現(xiàn)最大化地提高。試驗結果顯示：通過有限元模擬得到的最優(yōu)參數(shù)指導試驗進行多次振動修復處理，使試件的損傷不斷擦除，每次的修復效果達到最佳，從而持續(xù)延長剩余壽命。