金属材料成形中功率超声振动的应用探析

刘军

摘要：超声波具有极强的穿透力，在材料成形、工农业、生物工程、军事、医学诸多领域被广泛应用，可提高生产效率和质量，有利于节约成本，文章首先对功率超声振动系统做了简单介绍，然后结合其在金属半固态成形、塑性成形以及金属液态成形中的应用进行了分析。

关键词：功率超声振动；金属半固态；塑性成形；金属液态成形

中图分类号：TG334 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）07-0035-02

频率在20KHz以上的声波即为超声波，具有极强的穿透力，可穿透材料对其内部信息进行采集，同时凭借本身能量可适度改变材料状态，此时需产生较大能量的超声，即功率超声振动，在材料成形、工农业、生物工程、军事、医学诸多领域被广泛应用，可提高生产效率和质量，有利于节约成本，应用前景十分广阔，本文对此做了分析。

1 功率超声振动

流体动力、电声换能器是产生功率超声的常用方法，后者在金属材料成形中较为适用，超声施振系统主要包括：（1）超声波发生器。主要负责工频交流电与超声电振荡信号之间的转换，产生能量支撑工具头端面的往复振动；（2）换能器。主要负责高频电振荡信号到机械振动之间的转变，按照转换原理可分为压电式换能器和磁致伸缩式换能器，前者经常被使用，夹心式纵向压电换能器的应用最为广泛；（3）变幅杆，也叫超声变速杆。在换能器获取超声振幅后，负责将振幅放大，促使超声成形。

2 功率超声振动在金属材料成形中的实际应用

2.1半固态成形

金属半固态成形技术是集固态和液态浆料特点于一体的一种加工技术，源于上世纪70年代，凭借自身优势在当前备受关注。随着技术的发展，相关成形方法越来越多，超声振动在上世纪90年代起，开始用于金属的半固态连铸，由于缺乏经验，半固态浆料的制备工作很难深入开展。本文对此提出了一种试验方法。

将ZL101半固态铝合金分为a、b两组进行试验，a组施加超声振动，b组不施加超声振动。从试验中可看出，施振时间超过150s时，便可制备出ZL101半固态浆料，且平均形状系数至少为0.5，直径约为90μm。

AlSi7Mg合金塑性好，强度和耐蚀性高，对其合金液施加超声振动，可获得直径为300μm的晶粒，若适量添加TiB细化剂，振动后可获得150μm的晶粒；若不施加振动，晶粒直径约为350μm；在试验中，若AlSi7Mg0.4合金熔体的振动起始温度与液相线温度相接近时，低功率振动10s～20s便可制备出α-Al晶粒；若熔体的起始温度过高或过低，在低功率的振动下获得的α-Al晶粒依旧呈现出枝晶状。

国外有关专家曾以Φ285mm高强度铝合金7055为试验对象，在不施振的情况下，铸坯晶粒直径至少为1000μm；而在施振的情况下，可制备出直径为45～65μm的非枝晶坯料。

在半固态浆料的制备方法中，功率超声振动法的机理具有一定的复杂性，相关具体研究有限。但与其他方法相比，此方法成本较低，而且容易掌握，对金属晶粒进行细化时，可将熔体内的气体清除掉，降低氧化物杂质的含量，提高熔体均匀性，以获得高质量的浆料。使用该方法的不足之处在于，在熔体中的超声波容易衰减，达到的深度广度有限。

2.2 塑性成形

金属塑性加工技术在不破坏材料质量的基础上，使其发生塑性变形，在诸多领域都有广泛应用，若在金属拉伸方向施加超声振动，会使其张应力有所减小，为塑性加工提供方便，相关研究随之增多，出现了超声板料、超声拉丝成形等技术。经过大量实践发现，将超声振动技术用于塑性变形，可减轻磨具耗损，有效地降低变形力，提高变形的均匀度，使材料具备更好的成形能力，保持良好的精度和质量，进而达到节约成本的目的。

拉拔技术在塑性加工中的应用较为广泛，和一般的拉拔工艺不同，超声拉拔在成形难度较大的材料中比较适用，如特殊复合材料、细脆材料等，能够使拉拔道次有所减少，拉拔力明显的降低，进而增加截面的延伸率，提高成形件的均匀度，适度延长模具的使用寿命，以获得高质量材料。超声冷拔在大到Φ65mm管件、小至皮下注射管的范围内皆可使用，能将50：1的管直径厚度提升到500：1。在金属超声拉丝过程中，使变形区位于驻波的波节处成形效果更佳。将拉丝技术用于退火后的黄铜线，可减少近38%的拉丝力。通过超声芯棒进行纯铝管料的拉拔，可降低近70%的拉拔力。

超声振动在金属塑性成形应用中的原理为：通过超声振动，各工具间的摩擦系数有所减小，摩擦矢量的方向会发生一定程度的改变，导致摩擦力减小，同时，超声振动还会减小所需纵向的加工力。从材料内部来说，变形原子在超声振动作用下发生振动，以至于偏离平衡位置的原子能够复位，进而延缓晶格畸变速度，提高材料塑性。

2.3 金属液态成形

在处理金属熔体方面，功率超声振动的研究历史较久，在国外已用于工业生产，但在国内还很少见。超声振动在金属液态成形中的应用有两种方式：（1）对金属熔体直接发生作用；（2）通过金属容器底部对熔体产生间接的作用。当变幅杆直接与熔体接触时，控制比较方便，对负载的要求也较低，且垂直施振具有更高的声能传递效率，所以第一种方法使用较为普遍。

将超声波导入金属液中，可清除液体中包含的气体和杂质，有利于细化凝固组织，在有色金属、黑色金属中都有所应用，尤其是铝合金。另外，在处理高纯铝时，可将晶粒细化，提高材料的硬度和拉伸强度。当用于含微量元素的纯铝时，其拉伸强度可提高25%左右。另外，适宜的超声处理对过共晶Al-Si合金的初晶Si和共晶Si组织具有双重细化作用，以达到提升过共晶Al-Si合金的强度和塑性。

此外，超声振动在除气除杂方面也有较好的应用，相关研究表明，为有效清除熔体中的气体，必须在形成空化效应的基础上进行。以A356铝合金液为试验对象，在最初几分钟，不同浓度的氢气体均会逐渐变得稳定。

3 结语

金属材料成形技术在生产中有着广泛应用，在众多促使其成形方法中，功率超声振动的优势日益突显。从当前来看，在焊接成形中的应用较为成熟，而在半固态、业态以及塑性成形中应用较少，还需进一步研究。

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