用于处理液态金属的超声波焊极和处理液态金属的方法

技术领域

本发明涉及一种超声波焊极，具体涉及一种适于将机械振动传递至液态金属的超声波焊极。本发明还涉及一种用于超声波辅助金属合金化的方法。

背景技术

根据现有技术，采用超声波频率振动处理液态金属。该方法的典型应用是雾化和合金化。通常，超声波系统由压电式换能器或磁致伸缩换能器激发。由于这些换能器的工作温度上限远低于大多数金属的熔化温度，因此超声波系统需要应用高效冷却系统，例如流动/喷射的液体或气体流。

为了使超声波处理稳定地进行，要求超声波焊极对液态金属保持良好的润湿性并使超声波焊极表面的温度保持高于所处理合金的熔点。由于压电换能器的工作温度的限制，产生了高温度梯度，这导致超声波焊极的工作时间很短。同时，由于材料限制和高疲劳载荷，该现象导致最大工作温度限制在大约700℃。

超声波频率振动的应用之一是液态金属的雾化。从中国专利CN1422718中已知一种具有用于超声波焊极(振动系统)的冷却系统的超声波雾化器。液态金属与振动焊极直接接触，该焊极使液态合金喷射，液态合金的液滴以粉末的形式进行固化。系统包含压电陶瓷的部分被空气冷却，并且超声波焊极单独用水或空气冷却，这确保了存在两个主动冷却步骤。这种方法的一个缺点是热阻低，即温度高于700℃时，由于与液态金属接触，导致频率变化很大。超声波焊极仅从工作端头冷却到超过1/4λ(机械驻波长度)。

用于保持在超声波雾化中使用的振动部件的热稳定性的另一种方法是使用如US2889580中描述的冷却盘管。该方法的缺点是由于摩擦，冷却盘管和振动部件之间的边界处会存在高机械损失。

采用金属超声波搅拌的另一应用是超声波辅助焊接。美国专利文献US3833163描述了一种通过应用由导热率高及导热率低的金属组成的超声波系统来搅拌液态金属的方法。与热部件直接接触的材料是由具有低导热率的钛制成。然后将其连接到由具有高导热率的铝制成的散热器。这两种材料的组合能够限制从液态金属到换能器的有效热传递以及加速散热。然而，当介质温度超过超声波焊极工作温度时，不能应用这种解决方案。

英国专利文献GB1594977描述了一种用于使液态金属均匀化的超声波焊极的冷却系统。波导(变幅杆)由驻波波节附近的水套冷却。在美国专利文献US376236中公开了类似的方法，该文献描述了使用水冷系统来保持在液态焊料中工作的超声波焊极的热稳定性。振动部件被水套包围，并且其密封件放置在驻波波节处。在两种情况中，超声波焊极冷却系统位于距超声波焊极前部的至少1/4λ处，并且该解决方案不能用于工作温度高于700℃的材料。

通常，现有技术中的液体冷却方法的显著缺点是由于材料在高温下疲劳强度降低，导致超声波焊极容易发生机械损坏(断裂)，并且冷却系统密封件非常容易受经由超声波焊极传递的振动影响。在波兰专利申请号P.423408中部分解决了第二个问题。该发明涉及专用于在高温下工作的超声波系统。超声波焊极由具有高热导率的材料制成，优选由铜合金(CuCrZr、CuBe)或钨烧结物制成。超声波焊极连接到附加波导，并且在超声波焊极的工作条件下，在超声波焊极中激发的驻波波节附近直接使用密封件。通过该解决方案，消除了纵向振动对密封件的影响，并且确保可以使用相对于超声波焊极实际静止的可靠密封系统。根据申请P.423408的超声波焊极的缺点是其易受机械损伤，尤其是经过长期使用之后。这使得无法使用高振幅放大并且限制了超声波焊极的工作温度。另外，超声波焊极需要使用导热率高的材料并且这些材料的机械性能比通常用于超声波部件的材料要低。

在美国专利文献US5772100中，描述了一种具有两个紧固元件的超声波焊极安装件。第一紧固元件位于波腹(在与换能器接触的点)处，第二紧固元件位于波节(超声波焊极长度的一半)处，工作端头位于距本体1/4波长处。

本发明的目的是解决超声波焊极易发生机械损坏的问题，并提供一种用于处理液体材料的可靠超声波焊极以及一种处理液态金属的方法。

发明内容

一种超声波焊极，其第一端适于连接到机械振动源，其相对端配备有工作端头并且配备有在其内激发超声波振动的本体，本体装配有冷却套，该冷却套在与本体接触的点处利用第一密封件和第二密封件密封，根据本发明，其特征在于，第一密封件与在处于其工作温度中的超声波焊极中激发的驻波波节的距离等于或小于20mm。超声波焊极工作温度取决于所处理材料的熔化温度和冷却系统效率。第二密封件配备有弹性元件并且距超声波焊极工作端头不超过20mm。由于这种配置，超声波焊极的工作端头在至第一驻波波节被有效冷却。这解决了现有技术中指出的问题，如发明人已经注意到的，根据现有技术的超声波焊极易损坏，这是由于，根据现有技术的超声波焊极，其在波节处冷却，在波节处存在最大机械应力。因此，确保系统的冷却恰好在波节位置处增加了损坏的风险。根据本发明的解决方案需要在靠近最大振幅处进行密封，从而需要使用附加的弹性元件。此外，靠近工作端头的密封件需要频繁更换并作为消耗部件处理。

有利地，工作端头是超声波焊极的工作表面。

替代地，工作端头是单独连接到超声波焊极的部件。因此，超声波焊极的本体不是消耗部件，而端头才是。端头可以与第二密封件一起更换。工作端头可以由与超声波焊极本体不同的材料制成。

有利地，超声波焊极装配有第二密封件的附加罩盖。由于工作表面上的极端条件，第二密封件易发生热损坏和液态金属喷射。通过使用由金属合金制成并靠近密封件放置的罩盖，该问题得到了限制。使用附加罩盖使得预期使用寿命与工作端头的使用寿命相适应。

有利地，第二密封件是与金属弹性元件集成的聚合物密封件。该解决方案允许将密封件直接放置在超声波焊极本体上而无需对密封件进行额外压缩。在本发明的另一有利实施例中，第二密封件由厚度小于1mm的两个板压缩。

替代地，第二密封件是连接到工作端头的隔膜。优选地，隔膜由导热率高于100W/mK并且优选地导电率高于20％IACS的材料制成，并且在超声波系统的轴向方向上的刚度等于或小于10kN/mm。隔膜太硬会将振动耦合到冷却系统的罩盖。由于使用了导电率高于20％IACS的材料，加热隔膜对其机械性能影响较小。

有利地，第一密封件是弹性体O形环。

有利地，超声波焊极的本体在第一密封件处配备有弹性法兰。

一种用于处理金属的方法，其中金属在超声波焊极的工作表面上熔化、受激发进行机械振动，其特征在于，使用根据权利要求1至9中任一项所述的超声波焊极。

有利地，采用频率范围在16kHz至400kHz内的机械振动。该范围内的频率对于金属处理很有用，并且机械振动源很容易获得。在这些频率范围内，大小容易缩放。

有利地，在熔化期间，将超声波焊极放置在填充有氩气的真空室中。

有利地，通过电流流动实现熔化。有利地，电流流过第二密封件，该第二密封件为隔膜。

有利地，使用乙二醇作为超声波焊极的冷却流体。

有利地，使用乙二醇和水的混合物作为冷却流体。

在本发明的另一有利实施例中，第二密封件由厚度小于1mm的两个板压缩而成。在本发明的另一优选实施例中，第二密封件由被工作端头压缩的聚合物隔膜或金属隔膜制成。

附图说明

在实施例中示出了本发明的主题。

图1a示出了一种超声波系统，其一部分是根据本发明的超声波焊极，换能器直接连接到超声波焊极；

图1b示出了一种超声波系统，其一部分是根据本发明的超声波焊极，换能器通过波导连接到超声波焊极；

图2a示出了根据本发明第一实施例的超声波焊极的透视图；

图2b示出了根据本发明第一实施例的超声波焊极的纵剖面；

图3示出了第一实施例中第二密封件的放大图；

图4a示出了根据第二实施例的超声波焊极的透视图；

图4b示出了根据第二实施例的超声波焊极的纵剖面；

图5示出了第二实施例中第二密封件的放大图；

图6示出了第二实施例中第二密封件的变型的放大图；

图7a至图7c示出了在波节处密封的示例的放大图；以及

图8示出了液态金属均匀化过程中的具有工作端头的超声波焊极。

具体实施方式

根据本发明的超声波焊极101可以构成用于使液态金属均匀化的超声波系统的一部分，如图1a和图1b中所示的系统：超声波焊极101需要直接或通过波导102a连接到超声源，例如换能器102。在超声波焊极本体104中，激发驻波。为了实现这一点，本体104在工作温度和换能器102频率下的尺寸应该是兼容的。设置在超声波焊极的与换能器102相对的一侧的工作端头105与液态金属直接接触。由于振动，超声波焊极的工作端头105也振动，从而使液态合金均匀化并确保结晶期间等轴晶粒生长。

在该过程中，超声波焊极需要冷却，因此配备有冷却套103，该冷却套装配有冷却流体的入口109a和出口109b。冷却流体可以是液体或气液胶体系统，例如油雾。使用油雾允许将在油蒸发期间吸收的能量用于冷却。与本体104接触的套103利用第一密封件106和第二密封件107密封。第一密封件106放置在本体中驻波波节附近，因此本体相对于第一密封件106的位移可忽略不计。第二密封件107放置在超声波焊极本体104中驻波波腹附近，因此要求其是可移动的。

如以下实施例中所描述的超声波焊极本体104是半波的，这意味着在工作温度和20kHz的工作频率下，在从基部104a到工作端头105的端部的长度上，声波长度的一半是适合的。因此，从基部104a沿本体104的轴线仅有一个距离值，这确保了在超声波焊极激发期间不发生超声纵向振动。这是波节所处的距离。基部104a表面和工作端头105表面位于本体104中激发的驻波波腹处。专家能够常规地制造长度为半驻波的倍数并具有类似功能的系统。例如，在一些情况中，超声波焊极和波导集成在一个元件中是合理的。

根据本发明第一实施例的超声波焊极是超声波系统的工作元件，超声波系统包含至少一个超声波发生器和在20kHz的额定频率下工作的超声换能器。

图2a示出了超声波焊极的透视图，图2b示出了超声波焊极的剖面图。根据该实施例的超声波焊极包含超声波焊极本体104、冷却套103、第一密封件106、工作端头以及第二密封件207，工作端头为本体104的上表面205。

确保冷却套103处于超声波焊极本体的更靠近工作端头205的部分上并且冷却套103的一侧利用第一聚合物密封件106密封，本体装配在该第一聚合物密封件上，冷却套103的另一侧利用第二密封件207密封，工作表面205附近设有弹性元件208，工作表面205构成超声波焊极的工作端头。

工作时，超声波焊极中的最大应力出现在长度为λ/4(给定材料中驻波长度的1/4——波节)的中间位置处。超声波焊极在与超声波系统的频率对应的频率下承受疲劳应力。超声波焊极中的应力根据正弦函数随着距波节的距离而减小。这意味着在λ/2方向上的超声波焊极的疲劳强度要求要低得多。在超声波焊极λ/4处的绝对最大应力值主要取决于材料的振幅和密度(2009年国际超声大会，Roiica等人的Ultrasonic hornsoptimization)，并且在高放大倍数下超过400MPa。大多数建筑材料的疲劳强度随着温度升高而降低。同系温度(工作温度与熔化温度之比)达到1/2后，下降尤为显著。例如，Ti6A14V(ASTM 5级)合金达到高达600MPa的疲劳强度，在高于1073K的温度下，疲劳强度降至100MPa以下。类似地，钨合金(Desimet)的疲劳强度高达400MPa，在1573K温度时，该值降至低于20MPa。

因此，尽管存在高温下具有高静强度的材料，但在该范围内，疲劳强度才是超声波处理中的主要限制。到目前为止，不管冷却系统或隔热性如何，超声波系统的有效温度极限为约1000K，即，不比铝熔点高多少。高于该极限的系统操作需要使用昂贵的陶瓷材料，如氮化硅，或者使用连续超声波焊极冷却系统。

在靠近超声波焊极的工作端头处提供冷却系统使得可以降低超声波焊极最容易损坏的部分的温度。这是以使得密封件更靠近工作端头的工作条件为代价获得的。该密封件位于超声波焊极本体中的驻波波腹处，这导致工作条件很不利。由于确保充分密封是一个复杂问题，因此可以设想，不熟悉本发明的专家可能不会确切地考虑到这种解决方案。

超声波焊极本体104由具有高拉伸模量密度比、高疲劳强度以及低声损失的材料制成。通常，现有技术中使用的材料是钛合金或铝合金。考虑到超声波焊极材料将热量从工作表面传导到冷却液体，具有高导热率的材料尤其适合于这种应用。超声波材料的专家也能够根据所处理的介质的特征建议其他材料，例如钨合金或铜合金。

根据该实施例的超声波焊极本体104由铝PA7A合金制成，并且在297K的温度下长度为136mm。该超声波焊极本体具有轴向对称的形状，起始和结束处均为圆柱形。在工作温度下和处理期间，驻波波节位于距工作表面205的70mm处。

在该实施例中，超声波焊极本体204的形状设计成使得超声波焊极为阶梯状，以将振幅放大四倍，这由基部104a表面积与工作表面205之比确定。第一圆柱形部分和第二圆柱形部分之间的超声波焊极轮廓变化使得可确保边缘倒圆成半径为10mm。

专家能够根据特定需要和所选材料常规地建议超声波焊极轮廓采用不同的变化方式，例如，超声波焊极呈对数放大、超声波焊极无对称轴或具有附加肋。超声波焊极轮廓的变化对波节位置的影响可忽略不计。然而，试验已经表明，在有用频率范围内的超声波焊极波节通常在超声波焊极长度的一半与超声波焊极长度的一半增大20mm的范围内。

第一密封件106位于驻波波节中距超声波焊极的工作端头70mm处，因此，其不会受到纵向振动影响。

在超声波焊极本体104长度的一半处，在波节中纵向振动最小的位置处放置第一冷却系统密封件。试验表明，在距波节小于20mm的距离内，振动幅度对于要使用的典型静态密封件来说足够低。由于波节的位置取决于超声波焊极本体104的轮廓以及超声波焊极本体中的温度和温度分布，因此这种观测结果是特别重要的。在该实施例中，第二密封件是受水套法兰压缩的O形环。弹性体O形环被压缩在超声波焊极周围，从而在套103和本体104之间形成冷却系统的封闭。

超声波焊极本体104的与换能器或波导直接接触的表面104a上具有用于组装系统的内螺纹。由于超声波焊极更靠近工作表面205的部分中存在冷却套103，与换能器直接接触的表面104a仅通过系统中的机械损失加热。因此，可以使用典型的现有技术超声波方法来连接部件和保持联接。

在本实施例中，位于工作表面205旁边的第二密封件是聚合物密封件207，其与弹性元件208在套103的端部处集成并且紧固在超声波焊极本体104的端部上，如图3中详细所示。还有用于在工作室附近进行密封的其他可能的解决方案，下面的实施例中将对此进行讨论。

图4a和图4b为根据第二实施例的具有工作端头405的超声波焊极，工作端头拧入超声波焊极本体104中，连接到包含隔膜弹性元件508的隔膜407，如图5所示。隔膜407通过工作端头405压靠超声波焊极本体104。另外，如图5所示，超声波焊极可以配备有隔膜407的罩盖510，保护其免受喷射材料的影响。一种有效的解决方案是为套103配备板，并使用该板将隔膜407压到罩盖510上。

在图4a和图4b所示的实施例中，超声波焊极配备有拧入超声波焊极本体中的工作端头。工作端头可以由与超声波焊极本体相同的材料和不同的材料制成。在本发明的优选实施例中，工作端头由如钨合金或钼合金等高熔点材料制成。工作端头也可以用作将密封件压靠超声波焊极本体的元件，如图5所示。在工作端头已受损之后，也对隔膜进行了更换，以确保无故障密封。为避免系统过载，工作端头405的质量优选地不超过0.03kg。

隔膜407可以由各种材料制成。在较低的工作温度下，推荐使用氟化技术聚合物，例如氟化橡胶。在较高温度的情况下，应当使用例如由316钢制成的金属隔膜。优选地，隔膜由0.5mm厚的AmpColy 95铜基材料制成，其导热率高于100W/mK，导电率高于20％IACS，并且在超声波系统的轴向方向上的刚度等于或小于10kN/mm。这使得增加了从工作端头405到冷却液体的热传递。直接在工作端头与隔膜的接触位置处进行系统密封。在较高工作温度下尤其推荐使用附加罩盖510。

隔膜407的替代方案是使用例如由与本体104和冷却套相同的材料制成的刚性套密封件607，以确保密封件与本体104的端部之间存在柔性弹性体608，如图6所示。在使用附加罩盖610之后，柔性弹性体608可被压缩在密封件607与罩盖610之间。密封件607构成冷却套103的板，在本发明的本实施例中，板与其他套壁厚度相同，为1mm厚。通过冷却液压力，经由板实现了压缩。由于板厚度较小，系统足够柔软，不会在低超声波振幅条件下破坏聚合物密封件，同时允许采用高冷却液压力。

由于与液体材料相互作用和可能产生其他超声波模式，超声波焊极本体104中的振动不限于轴向方向，还存在径向振动。在这种情况下，第一密封件的位置靠近基本模式的波节不能确保本体相对于冷却套无位移。这可能导致第一密封件过度磨损和/或由于机械过载而引起泄漏。

因此，在本实施例中，超声波焊极设置有弹性法兰712，弹性法兰将系统的其余部分与超声波焊极本体104的振动隔离。图7a详细示出了法兰。法兰712可以是整体式本体的元件，如图7a所示，或者可以被压在超声波焊极本体上，如图7b所示。

如果径向振动低，则可以使用普通密封件706c，如图7c所示。

根据所处理的材料类型和处理温度，超声波焊极及其部件可以由不同的材料制成。下面结合图8描述了说明根据本发明的超声波焊极的工作原理的实施例和用于使金属均匀化的方法。

根据图8中所示实施例的超声波焊极，其作为用于等离子熔化金属的超声波辅助系统的部件在真空室中工作。将根据该实例的室泵吸四次至绝对压力为20mbar，然后用5.0纯度的氩气填充至绝对压力为1200mbar。

超声波焊极的本体104确保振幅放大为1:4，并且由5级钛合金(Ti6A14V)制成。超声波焊极本体配备有螺纹811。

超声波焊极配备有由工业级钨制成的工作端头805。工作端头的质量为20g，并且制成具有六角头和半圆形凹槽的M8螺钉的形式。

具有工作端头的超声波焊极在297K温度下的工作频率为20200Hz。由于超声波焊极材料在所述工作条件下发生热膨胀，工作频率会过高。工作端头805与超声波焊极本体104之间设有由Glidcop 60材料制成的厚度为0.8mm的隔膜507，隔膜包含柔性部件508。隔膜上设有由316钢制成的隔膜罩盖510。隔膜将冷却液体812与真空室分开。

在本实施例中，冷却液是乙二醇和水以20:80的比例混合的混合物，温度为15摄氏度，液体消耗为5l/min。加入乙二醇限制了液体中的空化作用并限制了超声功率损失。通过将工作元件805压到超声波工具本体104上而使隔膜507直接密封，并且直接密封在冷却套本体上。

液态金属813经由保持在钨电极814和工作元件805以及隔膜507之间的等离子弧815熔化，该等离子弧815同时构成超声波系统到维持电弧放电的系统的连接电极。在该实例中，假定使用100A的直流电施加30s，直到3g的Ti7A16Nb合金样品熔化。工作端头处的振幅为10微米。

在样品熔化后，等离子弧815熄灭，并且合金同时受到超声波的激发影响而熔化。这允许防止形成枝状结构并获得类似于再结晶材料的微结构，即等轴晶粒。

本领域技术人员在了解了上述描述的教导后，将能够建议密封件的其他材料和机械解决方案，同时保持本发明的本质，即在工作端头附近或甚至在工作端头的位置开始冷却超声波焊极。专家将容易注意到，第一密封件的实施例的所提出的方法可以用于本发明多个实施例中的几乎每个单独描述的实例。

专家将能够容易地根据实施例将超声波焊极缩放到不同的工作频率，以及建议机械振动源，尤其是超声波。