超声技术的应用现状及其发展趋势分析

□顾 勇 徐 立 贾本红 刘逸凯

超声学是现代声学的一个重要分支，主要是研究超声在各个物质中产生、传播、接受及相互作用、产生的各种效应和应用[1]。从频率涉范围划分，超声是高于可听声频的频率20kHz的声波。超声技术是利用超声波的产生、传播、接受的过程中产生的物理效应达到期望效果的技术。利用超声波使物体或物性变化的功率应用也称功率超声；用超声波得到若干信息，获得通信应用，也称检测超声；从超声波的功率而言，功率超声要远大于检测超声[2]。随着超声效应理论研究与应用研究发展，超声技术获得广泛应用，比如医学、化工、工业等行业。超声技术在工业应用中，在产品质量、降低成本、提高效率等方面具很大潜力与优势，已经成热点通用技术之一。

一、超声效应

超声波在液体传播过程中，在超声波作用下，液体中气泡迅速增长，然后又迅速破灭，从而产生强大的冲击波，伴随气泡崩溃的周围产生上很大气压的压力，整个过程还有局部高温、放电、发光等现象，这就是“超声空化”效应。超声清洗就利用空化效应实现对产品清洗或清理。

超声波在媒质传播过程中，由于媒质吸收和内摩擦损耗，将传递振动能量转为热能，从而使局部温度升高，这就是超声热效应。超声波焊接是利用超声波传递到两个需焊接的物体表面时产生的热效应，在配合外部压力作用下，使两个物体表面相互摩擦而形成连接。

超声波在传递至媒质从而引起媒质高频振动，在切削时，超声振动加速度很大，可对脆性材料进行精密加工，这就是机械作用之一。超声加工就是利用超声机械作用对产品进行加工，该方法在特种加工领域有较大应用前景。

超声波在传播过程中与媒介相互作用使媒质的一些物理、化学或状态发生改变,或者使这种过程加快,从而产生一系列效应[3]。超声技术正是利用这些效应来实现工程应用的技术。

二、超声波技术在工业中的应用

(一)超声波清洗技术的应用。超声波清洗技术是利用空化效应，在液体能浸入且能产生空化的地方可以有清洗作用，所以可对复杂形状零件清洗，比如精密零件的空腔、窄缝、深孔、细孔等[4]。在机械加工行业中采用超声清洗去除油污、锈、碎屑、磨料等，具体产品如油泵嘴深孔、盲孔、光学镜片、刃具量具镀膜前清洗等。

超声波清洗效果主要是由空化作用决定,所以要得到良好的清洗效果必须选择适当的声学参数[5]和清洗液[6]。随着超声清洗技术研究的深入对于在不同的条件下,各种因素对超声清洗效果的影响，有些已有研究结果并给出解决方案。比如通过改变换能器的布阵方式改善了清洗槽内水平方向和深度方向的声场[7]；通过不同温度、时间分析对清洗效率的影响,采用正交实验法得出了不同清洗槽频率和功率的最佳分布。随着超声清洗技术的成熟，应用场景将会变得更加丰富。

超声波清洗技术在传统机械加工领域有着广泛应用，如汽车领域的精密锻件发电机爪极，高压共轨紧密锻件及其它精密锻件等零件需要清洗掉附着的机油和其它污物，采用超声清洗可较好满足零件清洗而不损伤零件的要求。在阀体制造领域，有阀体零件、细长管配件与复杂形状零件需要清洗，而超声由于能够穿透细小窄缝和小孔,所以能很好满足这类零件的清洗要求。在消费电子对零件的毛刺和光洁度较高要求，如手机壳，高精密加工后残留的微小毛刺，毛刺肉眼可见或显微镜下可见，这样的毛刺在装配或使用过程中可能会脱落影响产品的品质，需要去除，采用高能量密度超声清洗技术，可以解决。

(二)超声焊接技术的应用。超声焊接技术是利用焊接工具头高频振动,在压力的作用下将振动能量传递给待焊工件表面，使工件之间产生剧烈的摩擦,从而实现有效连接。超声焊接无需焊材，无需加热，具有快速、节能、环保等诸多优点。目前金属超声焊机技术主要应用在铜、铝、镍之间同种或异种材料的焊接。

超声焊接效果的关键参数焊接工具头的工作振幅，根据不同材料的焊接要求，通过配置不同变幅杆及焊接工具头来改变焊头的工作振幅，达到满意焊接效果。焊接工作频率主要由超声波换能器、变幅杆、焊头组合在一起机械共振形成的频率。超声波电源发出频率与机械共振频率接近或一致，焊头处于谐振状态，使工具头达到理想的振幅输出。在焊接过程中，焊接压力载荷变化及振动引起零件温度上升会影响振谐振频率，超声波电源需要能够补偿在焊接过程中出现的工作状态改变导致频率波动，让焊接工具头处于谐振状态，使工具输出稳定的振幅，从而保证焊接质量。

超声波焊接技术在新能汽车、光伏、消费电子等行业应用广泛。常见金属超声焊接应用形式有点焊、滚焊、切断密封焊，比如导线与端子采用点焊，光伏铜箔滚焊，压缩机铜管切断密封焊。相比钎焊、电阻焊等传统焊接方法，超声焊接的产品精度高、结合强度高、导电性能好、表面质量好，采用超声波焊接可提升产品综合性能，在消费电子与锂电池行业，已经是常见的焊接方法。

(三)超声加工技术的应用。超声加工技术主要是利用机械效应，超声在传递过程中引起介质点压缩与延伸运动，由于加速度很大，可破坏介质，这便是机械效应。将超声能量施加在刀具上，可降低刀具切削力，获得良好加工精度。

超声加工技术主要应用在超声切削、超声钻孔、超声研磨加工等。由于超声加工技术的特点，在脆硬的难加工材料加工方面有很大优势，比如金刚石穿孔，采用磨料悬浮液超声加工方法可完成。传统切削装置增加超声振动系统，将超声能量施加到切削工具上，可增加系统刚度，减少切削变形程度，获得较好加工质量，延长刀具寿命。在相同磨削条件下，超声振动切脆性材料去除率比普通磨削方法高1倍以上。随着技术的发展，新开发的新材料不断出现，同时对产品质量的要求不断提高,超声加工技术，将会获得有更广应用领域，成为一种常用的加工方法。

三、超声波技术的发展趋势

超声波技术在制造业有着广泛的应用,随着超声技术的应用研究不断深入，新的应用场景不断出现。比如传统超声清洗在汽车、加工等领域有广泛的应用。而随着我国芯片产业的快速发展,超高频超声波清洗在半导体行业有了大量需求；超声金属焊接涌现出大截面焊接需求，比如新能源汽车汇流导线的焊接，需要大功率超声焊接设备，目前该类设备的品牌大部分被国外垄断；超声加工技术发展趋势之一是与其它传统技术复合，形成新的加工方法，如超声复合焊接、超声电解复合加工等，目前国内学者正在开展相关工艺和复合加工方法的研究。

综上所述,随超声技术的应用场景不断丰富，将成为一种重要技术方法，正朝着复合、自动化、综合应用的方向发展，超声技术的发展与应用前景是广阔的。