金屬材料成形中功率超聲振動的應用探析

劉軍

摘要：超聲波具有極強的穿透力，在材料成形、工農業、生物工程、軍事、醫學諸多領域被廣泛應用，可提高生產效率和質量，有利于節約成本，文章首先對功率超聲振動系統做了簡單介紹，然后結合其在金屬半固態成形、塑性成形以及金屬液態成形中的應用進行了分析。

關鍵詞：功率超聲振動；金屬半固態；塑性成形；金屬液態成形

中圖分類號：TG334 文獻標識碼：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，具有極強的穿透力，可穿透材料對其內部信息進行采集，同時憑借本身能量可適度改變材料狀態，此時需產生較大能量的超聲，即功率超聲振動，在材料成形、工農業、生物工程、軍事、醫學諸多領域被廣泛應用，可提高生產效率和質量，有利于節約成本，應用前景十分廣闊，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，超聲施振系統主要包括：（1）超聲波發生器。主要負責工頻交流電與超聲電振蕩信號之間的轉換，產生能量支撐工具頭端面的往復振動；（2）換能器。主要負責高頻電振蕩信號到機械振動之間的轉變，按照轉換原理可分為壓電式換能器和磁致伸縮式換能器，前者經常被使用，夾心式縱向壓電換能器的應用最為廣泛；（3）變幅桿，也叫超聲變速桿。在換能器獲取超聲振幅后，負責將振幅放大，促使超聲成形。

2 功率超聲振動在金屬材料成形中的實際應用

2.1半固態成形

金屬半固態成形技術是集固態和液態漿料特點于一體的一種加工技術，源于上世紀70年代，憑借自身優勢在當前備受關注。隨著技術的發展，相關成形方法越來越多，超聲振動在上世紀90年代起，開始用于金屬的半固態連鑄，由于缺乏經驗，半固態漿料的制備工作很難深入開展。本文對此提出了一種試驗方法。

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

AlSi7Mg合金塑性好，強度和耐蝕性高，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，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晶粒依舊呈現出枝晶狀。

國外有關專家曾以Φ285mm高強度鋁合金7055為試驗對象，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。

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

2.2 塑性成形

金屬塑性加工技術在不破壞材料質量的基礎上，使其發生塑性變形，在諸多領域都有廣泛應用，若在金屬拉伸方向施加超聲振動，會使其張應力有所減小，為塑性加工提供方便，相關研究隨之增多，出現了超聲板料、超聲拉絲成形等技術。經過大量實踐發現，將超聲振動技術用于塑性變形，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量，進而達到節約成本的目的。

拉拔技術在塑性加工中的應用較為廣泛，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，如特殊復合材料、細脆材料等，能夠使拉拔道次有所減少，拉拔力明顯的降低，進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，以獲得高質量材料。超聲冷拔在大到Φ65mm管件、小至皮下注射管的范圍內皆可使用，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，使變形區位于駐波的波節處成形效果更佳。將拉絲技術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用中的原理為：通過超聲振動，各工具間的摩擦系數有所減小，摩擦矢量的方向會發生一定程度的改變，導致摩擦力減小，同時，超聲振動還會減小所需縱向的加工力。從材料內部來說，變形原子在超聲振動作用下發生振動，以至于偏離平衡位置的原子能夠復位，進而延緩晶格畸變速度，提高材料塑性。

2.3 金屬液態成形

在處理金屬熔體方面，功率超聲振動的研究歷史較久，在國外已用于工業生產，但在國內還很少見。超聲振動在金屬液態成形中的應用有兩種方式：（1）對金屬熔體直接發生作用；（2）通過金屬容器底部對熔體產生間接的作用。當變幅桿直接與熔體接觸時，控制比較方便，對負載的要求也較低，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。

將超聲波導入金屬液中，可清除液體中包含的氣體和雜質，有利于細化凝固組織，在有色金屬、黑色金屬中都有所應用，尤其是鋁合金。另外，在處理高純鋁時，可將晶粒細化，提高材料的硬度和拉伸強度。當用于含微量元素的純鋁時，其拉伸強度可提高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組織具有雙重細化作用，以達到提升過共晶Al-Si合金的強度和塑性。

此外，超聲振動在除氣除雜方面也有較好的應用，相關研究表明，為有效清除熔體中的氣體，必須在形成空化效應的基礎上進行。以A356鋁合金液為試驗對象，在最初幾分鐘，不同濃度的氫氣體均會逐漸變得穩定。

3 結語

金屬材料成形技術在生產中有著廣泛應用，在眾多促使其成形方法中，功率超聲振動的優勢日益突顯。從當前來看，在焊接成形中的應用較為成熟，而在半固態、業態以及塑性成形中應用較少，還需進一步研究。

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