劉軍

摘要：超聲波具有極強(qiáng)的穿透力，在材料成形、工農(nóng)業(yè)、生物工程、軍事、醫(yī)學(xué)諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，可提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，有利于節(jié)約成本，文章首先對功率超聲振動系統(tǒng)做了簡單介紹，然后結(jié)合其在金屬半固態(tài)成形、塑性成形以及金屬液態(tài)成形中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：功率超聲振動；金屬半固態(tài)；塑性成形；金屬液態(tài)成形

中圖分類號：TG334 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）07-0035-02

頻率在20KHz以上的聲波即為超聲波，具有極強(qiáng)的穿透力，可穿透材料對其內(nèi)部信息進(jìn)行采集，同時(shí)憑借本身能量可適度改變材料狀態(tài)，此時(shí)需產(chǎn)生較大能量的超聲，即功率超聲振動，在材料成形、工農(nóng)業(yè)、生物工程、軍事、醫(yī)學(xué)諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，可提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，有利于節(jié)約成本，應(yīng)用前景十分廣闊，本文對此做了分析。

1 功率超聲振動

流體動力、電聲換能器是產(chǎn)生功率超聲的常用方法，后者在金屬材料成形中較為適用，超聲施振系統(tǒng)主要包括：（1）超聲波發(fā)生器。主要負(fù)責(zé)工頻交流電與超聲電振蕩信號之間的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生能量支撐工具頭端面的往復(fù)振動；（2）換能器。主要負(fù)責(zé)高頻電振蕩信號到機(jī)械振動之間的轉(zhuǎn)變，按照轉(zhuǎn)換原理可分為壓電式換能器和磁致伸縮式換能器，前者經(jīng)常被使用，夾心式縱向壓電換能器的應(yīng)用最為廣泛；（3）變幅桿，也叫超聲變速桿。在換能器獲取超聲振幅后，負(fù)責(zé)將振幅放大，促使超聲成形。

2 功率超聲振動在金屬材料成形中的實(shí)際應(yīng)用

2.1半固態(tài)成形

金屬半固態(tài)成形技術(shù)是集固態(tài)和液態(tài)漿料特點(diǎn)于一體的一種加工技術(shù)，源于上世紀(jì)70年代，憑借自身優(yōu)勢在當(dāng)前備受關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)成形方法越來越多，超聲振動在上世紀(jì)90年代起，開始用于金屬的半固態(tài)連鑄，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，半固態(tài)漿料的制備工作很難深入開展。本文對此提出了一種試驗(yàn)方法。

將ZL101半固態(tài)鋁合金分為a、b兩組進(jìn)行試驗(yàn)，a組施加超聲振動，b組不施加超聲振動。從試驗(yàn)中可看出，施振時(shí)間超過150s時(shí)，便可制備出ZL101半固態(tài)漿料，且平均形狀系數(shù)至少為0.5，直徑約為90μm。

AlSi7Mg合金塑性好，強(qiáng)度和耐蝕性高，對其合金液施加超聲振動，可獲得直徑為300μm的晶粒，若適量添加TiB細(xì)化劑，振動后可獲得150μm的晶粒；若不施加振動，晶粒直徑約為350μm；在試驗(yàn)中，若AlSi7Mg0.4合金熔體的振動起始溫度與液相線溫度相接近時(shí)，低功率振動10s～20s便可制備出α-Al晶粒；若熔體的起始溫度過高或過低，在低功率的振動下獲得的α-Al晶粒依舊呈現(xiàn)出枝晶狀。

國外有關(guān)專家曾以Φ285mm高強(qiáng)度鋁合金7055為試驗(yàn)對象，在不施振的情況下，鑄坯晶粒直徑至少為1000μm；而在施振的情況下，可制備出直徑為45～65μm的非枝晶坯料。

在半固態(tài)漿料的制備方法中，功率超聲振動法的機(jī)理具有一定的復(fù)雜性，相關(guān)具體研究有限。但與其他方法相比，此方法成本較低，而且容易掌握，對金屬晶粒進(jìn)行細(xì)化時(shí)，可將熔體內(nèi)的氣體清除掉，降低氧化物雜質(zhì)的含量，提高熔體均勻性，以獲得高質(zhì)量的漿料。使用該方法的不足之處在于，在熔體中的超聲波容易衰減，達(dá)到的深度廣度有限。

2.2 塑性成形

金屬塑性加工技術(shù)在不破壞材料質(zhì)量的基礎(chǔ)上，使其發(fā)生塑性變形，在諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，若在金屬拉伸方向施加超聲振動，會使其張應(yīng)力有所減小，為塑性加工提供方便，相關(guān)研究隨之增多，出現(xiàn)了超聲板料、超聲拉絲成形等技術(shù)。經(jīng)過大量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將超聲振動技術(shù)用于塑性變形，可減輕磨具耗損，有效地降低變形力，提高變形的均勻度，使材料具備更好的成形能力，保持良好的精度和質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

拉拔技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用較為廣泛，和一般的拉拔工藝不同，超聲拉拔在成形難度較大的材料中比較適用，如特殊復(fù)合材料、細(xì)脆材料等，能夠使拉拔道次有所減少，拉拔力明顯的降低，進(jìn)而增加截面的延伸率，提高成形件的均勻度，適度延長模具的使用壽命，以獲得高質(zhì)量材料。超聲冷拔在大到Φ65mm管件、小至皮下注射管的范圍內(nèi)皆可使用，能將50：1的管直徑厚度提升到500：1。在金屬超聲拉絲過程中，使變形區(qū)位于駐波的波節(jié)處成形效果更佳。將拉絲技術(shù)用于退火后的黃銅線，可減少近38%的拉絲力。通過超聲芯棒進(jìn)行純鋁管料的拉拔，可降低近70%的拉拔力。

超聲振動在金屬塑性成形應(yīng)用中的原理為：通過超聲振動，各工具間的摩擦系數(shù)有所減小，摩擦矢量的方向會發(fā)生一定程度的改變，導(dǎo)致摩擦力減小，同時(shí)，超聲振動還會減小所需縱向的加工力。從材料內(nèi)部來說，變形原子在超聲振動作用下發(fā)生振動，以至于偏離平衡位置的原子能夠復(fù)位，進(jìn)而延緩晶格畸變速度，提高材料塑性。

2.3 金屬液態(tài)成形

在處理金屬熔體方面，功率超聲振動的研究歷史較久，在國外已用于工業(yè)生產(chǎn)，但在國內(nèi)還很少見。超聲振動在金屬液態(tài)成形中的應(yīng)用有兩種方式：（1）對金屬熔體直接發(fā)生作用；（2）通過金屬容器底部對熔體產(chǎn)生間接的作用。當(dāng)變幅桿直接與熔體接觸時(shí)，控制比較方便，對負(fù)載的要求也較低，且垂直施振具有更高的聲能傳遞效率，所以第一種方法使用較為普遍。

將超聲波導(dǎo)入金屬液中，可清除液體中包含的氣體和雜質(zhì)，有利于細(xì)化凝固組織，在有色金屬、黑色金屬中都有所應(yīng)用，尤其是鋁合金。另外，在處理高純鋁時(shí)，可將晶粒細(xì)化，提高材料的硬度和拉伸強(qiáng)度。當(dāng)用于含微量元素的純鋁時(shí)，其拉伸強(qiáng)度可提高25%左右。另外，適宜的超聲處理對過共晶Al-Si合金的初晶Si和共晶Si組織具有雙重細(xì)化作用，以達(dá)到提升過共晶Al-Si合金的強(qiáng)度和塑性。

此外，超聲振動在除氣除雜方面也有較好的應(yīng)用，相關(guān)研究表明，為有效清除熔體中的氣體，必須在形成空化效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。以A356鋁合金液為試驗(yàn)對象，在最初幾分鐘，不同濃度的氫氣體均會逐漸變得穩(wěn)定。

3 結(jié)語

金屬材料成形技術(shù)在生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用，在眾多促使其成形方法中，功率超聲振動的優(yōu)勢日益突顯。從當(dāng)前來看，在焊接成形中的應(yīng)用較為成熟，而在半固態(tài)、業(yè)態(tài)以及塑性成形中應(yīng)用較少，還需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙君文，吳樹森，毛有武，安萍.功率超聲振動

在金屬材料成形中的研究及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)，

2008，24（1）：154-155.

[2] 俞宏沛，樓成淦，仲林建.高功率超聲振動系統(tǒng)探

討[J].聲學(xué)與電子工程，2010，24（2）：214-215.

[3] 林書玉.功率超聲振動系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用

聲學(xué)，2009，21（1）：190-191.