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1、功率超声功率超声第第7 7讲讲功率超声简介功率超声简介1 1 概述概述 早在二十世纪早在二十世纪2020、3030年代，人们对强超声的效应就进行年代，人们对强超声的效应就进行过大量的实验，并得到一些有用的结果。过大量的实验，并得到一些有用的结果。(大大)功率超声功率超声是利用超声振动形式的能量使物质的一些是利用超声振动形式的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种改变的物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种改变的过程加快的技术。过程加快的技术。检测超声检测超声是利用超声来采集信息的，而是利用超声来采集信息的，而功率超声功率超声是利用是利用超声能量来对物质进行处理、
2、加工。最常用的频率范围是从超声能量来对物质进行处理、加工。最常用的频率范围是从几千赫到几十千赫，而功率由几瓦到几万瓦。几千赫到几十千赫，而功率由几瓦到几万瓦。功率超声功率超声为什么强超声能够改变物质的状态呢？为什么强超声能够改变物质的状态呢？是因为强超声在媒质中传播时，会产生一系列效应，是因为强超声在媒质中传播时，会产生一系列效应，力学效应、热学效应、化学效应和生物效应等。力学效应、热学效应、化学效应和生物效应等。在在力学效应力学效应中有搅拌、分散、除气、成雾、凝聚、冲中有搅拌、分散、除气、成雾、凝聚、冲击破碎和疲劳损坏作用；击破碎和疲劳损坏作用；在在热学效应热学效应中有声能被吸收而引起的整体
3、加热、边界中有声能被吸收而引起的整体加热、边界处的局部加热；处的局部加热；在在化学效应化学效应中可以促进氧化、还原，促进高分子物质中可以促进氧化、还原，促进高分子物质的聚合或解聚作用等。的聚合或解聚作用等。功率超声功率超声2.2.功率超声应用功率超声应用（1)1)超声清洗超声清洗 超超声声清清洗洗是是将将超超声声振振动动加加到到清清洗洗液液中中，使使液液体体产产生生“空空化化效效应应”。当当超超声声波波稀稀疏疏时时生生成成气气泡泡，挤挤压压时时压压碎碎气气泡泡，在在周周围围产产生生机机械械冲冲击击力力，用用以以清清除除物件表面的杂质、污垢或油腻的一种方法。物件表面的杂质、污垢或油腻的一种方法。
4、功率超声功率超声2.2.功率超声应用功率超声应用（1)1)超声清洗超声清洗 19511951年年日日本本造造出出第第一一台台超超声声清清洗洗机机以以来来，至至今今超超声声清清洗洗已已成成为为若若干干工工业业产产品品(零零件件等等)必必不不可可少少的的工工艺艺环环节节。应应用用极极其普遍。美国其普遍。美国8080年代超声清洗设备销售金额达年代超声清洗设备销售金额达2 2亿美元。亿美元。我我国国近近十十多多年年来来，随随着着航航天天技技术术、电电子子、精精密密机机械械、光光学学仪仪器器及及核核工工业业发发展展，超超声声清清洗洗技技术术获获得得相相应应发发展展。主主要要已已用用于于电电子子线线路路板
5、板、电电子子零零件件、半半导导体体硅硅片片、磁磁头头、精精密密五五金金机机械械零零件件、轴轴承承、柴柴油油机机喷喷嘴嘴、石石油油化化工工零零部部件件、液液压压气气动动、零零件件、光光学学镜镜头头、钟钟表表零零件件、珍珍珠珠、玛玛瑙瑙、金金银银首首饰饰、眼眼镜镜片片和和玻玻璃璃器器皿皿等等。目目前前，我我国国从从事事研研制制和和生生产产超超声声清清洗洗设设备备的的单单位位约约2020多多家家，19871987年年，我我国国超超声声清清洗洗仪仪器器设设备备的的销销售售额额约达约达30003000万元人民币。万元人民币。功率超声功率超声2.2.功率超声应用功率超声应用（2)2)超声焊接超声焊接 超超
6、声声焊焊接接是是利利用用超超声声波波的的机机械械振振动动，使使被被焊焊接接件件在在一一定定压压力力下下，通通过过原原子子键键的的联联合合，实实现现固固相相连连接接。由由于于焊焊接接过过程程中中只只发发生生微微熔熔化化就就能能在在金金属属之之间间、非非金金属属(主主要要指指热热塑塑性性塑塑料料)之之间间实实现现焊焊接接，因因而而具具有有其其它它焊焊接接方方法法所所不不及及的的优优点点。超超声声焊焊接接可可分分金金属属焊接与塑料焊接。焊接与塑料焊接。功率超声功率超声2.2.功率超声应用功率超声应用（2)2)超声焊接超声焊接 超超声声金金属属焊焊接接。上上海海交交通通大大学学是是我我国国率率先先研研
7、究究这这一一技技术术的的单单位位之之一一。交交大大与与江江苏苏镇镇江江无无线线电电专专用用设设备备厂厂联联合合生生产产的的“P1925型型超超声声焊焊接接机机”，可可焊焊铝铝片片厚厚度度0.25mm以以上上的的工工件件。目目前前国国内内已已有有多多家家单单位位生生产产多多种种型型号号的的超超声声焊焊接接机机。如如无无锡锡超超声声电电子子设设备备厂厂生生产产的的P18-32、P1835、P1872小小型型超超声声系系列列焊焊接接机机，供供印印刷刷电电路路板板元元器器件件装装配配一一次次性性自自动动焊焊接接，替替代代手手工工操操作作，质质量量好好，效效率率高高。上上海海无无线线电电二二十十二二厂厂
8、、上上海海超超声声电子仪器厂等单位均有超声焊接机批量产品，焊接效果都很好。电子仪器厂等单位均有超声焊接机批量产品，焊接效果都很好。超超声声塑塑料料焊焊接接。它它能能对对各各种种注注塑塑成成形形制制品品进进行行有有效效而而可可靠靠的的焊焊接接，既既不不需需要要添添加加任任何何溶溶剂剂、粘粘结结剂剂或或其其它它辅辅助助品品，又又具具有有焊焊接接速速度度快快，无无污污染染，无无变变形形，表表面面无无痕痕迹迹等等优优点点，操操作作简简便便，易易于于实实现现自自动动化化。近近年年来来，超超声声塑塑料料焊焊接接机机在在我我国国已已广广泛泛地地用用于于电电子子工工业业、汽汽车车工工业业、玩玩具具、家庭用品、
9、包装业、纺织成衣业等行业。家庭用品、包装业、纺织成衣业等行业。功率超声功率超声2.2.功率超声应用功率超声应用 (3)(3)超声加工超声加工 超超声声加加工工包包括括磨磨料料冲冲击击超超声声加加工工、超超声声车车削削、超声塑性加工、超声抛光、超声研磨等。超声塑性加工、超声抛光、超声研磨等。（4 4）超声处理）超声处理 包包括括超超声声搪搪锡锡，超超声声乳乳化化，粉粉碎碎、分分散散、雾雾化化、除除气气，超超声声加加速速干干燥燥、过过滤滤，超超声声波波催催陈陈和和超超声声波波育育种种，功功率率超超声声在在医医学学方方面面的的应应用用包包括括超超声声治治疗疗和和外科术。外科术。功率超声功率超声（5
10、5）功率超声应用新技术）功率超声应用新技术 超超声声悬悬浮浮移移动动新新技技术术:可可应应用用于于无无容容器器接接触触的的材材料料制制备备，研研究究微微量量液液体体或或生生物物组组织织的的物物理理和和力力学学性性质质。在在航航天飞机中作为一种太空实验技术。天飞机中作为一种太空实验技术。声声化化学学技技术术:主主要要研研究究利利用用超超声声加加速速常常规规化化学学反反应应，加加速速水水溶溶液液的的氧氧化化还还原原过过程程，加加速速高高聚聚合合物物降降解解，加加速速有机溶剂中对物质的分解和反应等。有机溶剂中对物质的分解和反应等。第第2 2章章 功率超声功率超声（5 5）功率超声应用新技术）功率超声
11、应用新技术 超超声声马马达达是是一一种种新新型型的的马马达达，它它突突破破了了传传统统马马达达的的概概念念，没没有有磁磁极极绕绕组组和和磁磁路路，不不依依靠靠电电磁磁相相互互作作用用来来转转换换能能量量，而而是是利利用用压压电电材材料料的的逆逆压压电电效效应应和和超超声声振振动动，将将材材料料的的微微观观变变形形通通过过共共振振放放大大和和摩摩擦擦耦耦合合转转换换成成转转子子或或滑滑块块的的宏宏观观运运动动。目目前前，超超声声马马达达被被广广泛泛应应用用到到机机器器人人驱驱动动装装置置、民民用用驱驱动动器器、精精密密定定位位驱驱动动器器、微微小小机机械械驱驱动器、航天机械用马达、物料输送器等装
12、置上。动器、航天机械用马达、物料输送器等装置上。功率超声功率超声2.2.功率超声应用功率超声应用（5 5）功率超声应用新技术）功率超声应用新技术 功功率率超超声声用用在在石石油油工工业业来来使使石石油油增增产产，在在日日常常生生活活中中利利用用超超声声原原理理制制成成超超声声波波洗洗衣衣机机，超超声声波波洗洗碗机、超声波美容机、超声波洗澡机、超声波牙刷。碗机、超声波美容机、超声波洗澡机、超声波牙刷。随随着着功功率率超超声声应应用用领领域域的的不不断断扩扩大大，要要求求提提供供功功率率更更大大、声声强强更更高高的的超超声声源源。所所以以除除了了提提高高单单个个超超声声换换能能器器的的功功率率容容
13、量量外外，近近年年来来还还发发展展了了功功率率合合成的各种振动系统，并已在工业上得到应用。成的各种振动系统，并已在工业上得到应用。功率超声功率超声3.3.聚能的原理与装置聚能的原理与装置 功功率率超超声声研研究究的的主主要要内内容容包包括括大大功功率率或或高高声声强强超超声声的的产产生生系系统统（包包括括大大功功率率超超声声换换能能器器、变变幅幅杆杆、变幅器、振动方向变换器和处理工具等）。变幅器、振动方向变换器和处理工具等）。声声能能对对物物质质的的作作用用机机理理和和各各种种超超声声处处理理技技术术及及应应用用。声声的的产产生生、传传播播和和接接收收是是声声学学领领域域共共同同的的基基本本问
14、问题题，而而声声能能对对物物质质的的作作用用机机制制则则是是功功率率超超声声较较为独特的问题为独特的问题，也是一个比较复杂的问题。，也是一个比较复杂的问题。功率超声功率超声3.3.功率超声的空化现象功率超声的空化现象 空空化化是是液液体体中中的的一一种种常常见见的的物物理理现现象象。在在液液体体中中由由于于涡涡流流或或超超声声的的物物理理作作用用，液液体体的的某某一一区区域域会会形形成成局局部部的的暂暂时时负负压压区区，于于是是在在液液体体中中产产生生空空穴穴或或气气泡泡。这这些些充充有有蒸蒸气气或或空空气气的的气气泡泡处处于于非非稳稳定定状状态态。当当它它们们突突然然闭闭合合时时，会会产产生
15、生激激波波，因因而而在在局局部部微微小小区区域域有有很很大大压压强强。由由于于气气泡泡的的非非线线性性振振动动和和它它们们破破灭灭时时产产生生的的巨巨大大压压力力，伴伴随随着着这这种种空空化化现现象象会会产产生生许许多多物物理理和和化化学效应。学效应。功率超声功率超声 空化现象有积极和消极的两个方面。空化现象有积极和消极的两个方面。例例如如，超超声声空空化化的的“腐腐蚀蚀”作作用用在在超超声声清清洗洗中中是是很很有有用用的的。许许多多实实验验证证明明，物物体体的的表表面面污污膜膜在在强强超超声声场场中中会会被被破破除除，其其主主要要原原因因是是超超声声的的空空化化作作用用。利利用用超超声声空空
16、化化效效应应还还能能使使两两种种不不相相溶溶的的液体乳化，其它应用有：超声搪锡。超声破碎生物细胞等等。液体乳化，其它应用有：超声搪锡。超声破碎生物细胞等等。在在水水声声方方面面，空空化化作作用用常常常常表表现现为为消消极极的的方方面面。例例如如，舰舰船船用用的的高高速速旋旋转转的的螺螺旋旋桨桨叶叶的的表表面面会会受受“腐腐蚀蚀”损损坏坏，腐腐蚀蚀出出一一些些斑斑痕痕。大大量量气气泡泡的的出出现现会会影影响响螺螺旋旋桨桨的的推推力力，会会使使声声呐呐降降低低辐辐射射功功率率，增增加加声声在在介介质质中中传传播播的的衰衰减减以以及及空空化化噪噪声声对对水水声声的的干干扰扰等等等。等。3.3.功率超
17、声的空化现象功率超声的空化现象功率超声功率超声 使液体空化的最低声强或声压幅值称使液体空化的最低声强或声压幅值称空化阈空化阈。空化阈越大。空化阈越大,越难空化。越难空化。空化阈值随不同液体而不同；对于同一种液体，不同的温度、空化阈值随不同液体而不同；对于同一种液体，不同的温度、压力、空化核半径及含气量，空化阈值也不同。压力、空化核半径及含气量，空化阈值也不同。液体含气量越少，空化阈越高。例如在液体含气量越少，空化阈越高。例如在10kHz10kHz以下，自来水以下，自来水的空化阈是的空化阈是0.5atm0.5atm左右，除气后空化阈升到左右，除气后空化阈升到1.5atm1.5atm左右。左右。空
18、化阈随液体的静压力增加而增加。空化阈随液体的静压力增加而增加。空化阈与液体的粘滞性有关，液体的粘度大，空化阈也高。空化阈与液体的粘滞性有关，液体的粘度大，空化阈也高。空化阈和声波的频率也有密切关系。频率越高空化阈也越空化阈和声波的频率也有密切关系。频率越高空化阈也越高，在高，在100kHz_1000kHz100kHz_1000kHz之间空化阈值增加很快，到之间空化阈值增加很快，到 5MHz 5MHz 时几乎超过时几乎超过100atm100atm。3.13.1空化阈空化阈功率超声功率超声4 4 功率超声的主要应用及其作用机理功率超声的主要应用及其作用机理4.1 4.1 超声清洗超声清洗 下下图图
19、是是超超声声清清洗洗的的原原理理图图。换换能能器器通通过过糟糟壁壁向向盛盛在在槽槽中中的的清清洗洗液液辐辐射射声声波波，由由于于超超声声空空化化的的力力学学效效应应使使浸浸在在液液体体中中的的零零部部件件的表面污物迅速被除去。的表面污物迅速被除去。功率超声功率超声4.1 4.1 超声清洗超声清洗(1)(1)超声清洗原理和特点超声清洗原理和特点 超超声声清清洗洗是是功功率率超超声声应应用用最最广广泛泛的的一一种种，其其作作用用机机理理主主要要是是超超声声空空化化作作用用。存存在在于于液液体体中中的的微微气气泡泡(空空化化核核)在在声声场场的的作作用用下下振振动动，当当声声压压达达到到一一定定值值
20、时时，气气泡泡迅迅速速增增长长然然后后突突然然闭闭合合，在在气气泡泡闭闭合合时时产产生生激激波波，在在其其周周围围产产生生上上千千个个大大气气压压力力，破破坏坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。不溶性污物而使它们分散于溶液中。第第2 2章章 功率超声功率超声空化对污层的直接反复冲击，一方面破空化对污层的直接反复冲击，一方面破坏污物与被清洗件表面的吸附，另一方坏污物与被清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而脱离。面也会引起污物层的疲劳破坏而脱离。由于超声空化作用，两种液体在界面迅由于超声空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化。油污将溶解到溶液中。速分散而乳化。油污将溶解到溶液中。凡是
21、液体浸到、空化产生的地方都有清凡是液体浸到、空化产生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面复杂形状的限洗作用，不受清洗件表面复杂形状的限制，如精密零部件表面的空穴、凹槽、制，如精密零部件表面的空穴、凹槽、狭缝和深孔、微孔都能得到清洗，而这狭缝和深孔、微孔都能得到清洗，而这些部位用一般的刷洗的方法是很难清洗些部位用一般的刷洗的方法是很难清洗干净的。干净的。4.1 4.1 超声清洗超声清洗(1)(1)超声清洗原理和特点超声清洗原理和特点功率超声功率超声1.速度快、质量高；速度快、质量高；2.易于实现自动化；易于实现自动化；3.特别适用于清洗表面形状复杂的工件的细致清洗，特别适用于清洗表面形状复杂的工件
22、的细致清洗，4.超超声声清清洗洗的的另另一一个个特特点点是是对对声声反反射射强强的的材材料料，如如金金属属、玻玻璃璃等等，其其清清洗洗效效果果好好，而而对对声声吸吸收收较较大大的的材材料料，如如棉棉纱织物、橡胶和泡沫塑料等则清洗效果差。纱织物、橡胶和泡沫塑料等则清洗效果差。4.1 4.1 超声清洗超声清洗(2)(2)超声清洗的特点超声清洗的特点某些场合可以用水代替油或有机溶液进行清洗。对于需要用酸某些场合可以用水代替油或有机溶液进行清洗。对于需要用酸或碱清洗的某些零部件，用超声清洗可以降低酸碱的浓度，因或碱清洗的某些零部件，用超声清洗可以降低酸碱的浓度，因而能降低成本和改善劳动条件。在一些难以
23、清洗并有损人体健而能降低成本和改善劳动条件。在一些难以清洗并有损人体健康的场合，如核工业及医疗中的放射性污物可以用超声清洗，康的场合，如核工业及医疗中的放射性污物可以用超声清洗，并能实现遥控和自动化。并能实现遥控和自动化。第第2 2章章 功率超声功率超声 因因此此超超声声清清洗洗被被广广泛泛地地用用于于电电子子和和仪仪表表工工业业中中，它它可可以以清清洗洗半半导导体体元元器器件件、印印刷刷电电路路板板及及电电真真空空零零件件，清清洗洗继继电电器器和和轴轴承承等等。超超声声清清洗洗也也广广泛泛用用于于机机械械工工业业中中，如如清清洗洗各各种种零零部部件件，小小的的如如手手表表零零件件、油油泵泵油
24、油嘴嘴零零件件、大大的的如如柴柴油油机机、汽汽车车部部件件以以及及整整个个导导弹弹部部件件。在在光光学学和和医医药药工工业业中中可可清清洗洗各种光学玻璃、药瓶和针管等等。各种光学玻璃、药瓶和针管等等。4.1 4.1 超声清洗超声清洗(2)(2)超声清洗的特点超声清洗的特点功率超声功率超声(3)(3)超声清洗设备超声清洗设备 超超声声清清洗洗设设备备主主要要由由三三部部分分组组成成，即即超超声声波波发发生生器器，超超声声换换能能器器和和清清洗洗槽槽，如如图图所所示示。超超声声换换能能器器通通常常置置于于清清洗槽底部。洗槽底部。研研究究表表明明，使使用用不不同同频频率率清清洗洗，能能提提高高清清洗
25、洗质质量量。这这时时要要求求一一个个换换能能器器能能工工作作在在几几个个不不同同的的共共振振频频率率。上上图图给给出出了了具具有有两两个个共共振振频频率率的的夹夹心心换换能能器器结结构构，其其中中采采用用了两组压电晶片。了两组压电晶片。功率超声功率超声 换换能能器器一一般般安安装装在在清清洗洗槽槽底底，也也可可以以安安装装在在槽槽的的侧侧壁壁，依依清清洗洗要要求求而而定定。有有时时为为了了能能灵灵活活地地安安排排超超声声换换能能器器，换换能能器器不不固固定定装装在在清清洗洗槽槽上上，而而是是几几个个换换能能器器安安装装在在一一个个密密闭闭的的不不锈锈钢钢匣匣里里，可可以以投投入入清清洗洗槽槽中
26、中灵灵活活布布置置，尤尤其其是是清洗大工件时更为合适。清洗大工件时更为合适。(3)(3)超声清洗设备超声清洗设备功率超声功率超声 近近年年来来，为为减减少少环环境境污污染染，以以水水代代替替油油、浓浓酸酸碱碱和和其其他他有有机机溶溶剂剂的的超超声声清清洗洗工工艺艺有有了了很很大大发发展展。如如金金属属表表面面除除油油、除除锈锈、除除氧氧化化皮皮和和磷磷化化综综合合处处理理液液进进行行超超声声清清洗洗处处理理汽汽车车底底架架，取取得得很很好好效效果果。超超声声清清洗洗在在许许多多行行业业中中得得到到了了广广泛泛的的应应用用如如电电子子及及电电器器工工业业、宝宝石石加加工工、钟钟表表工工业业、光光
27、学学机机械械等等精精密密工工业业、汽汽车车工工业业、橡橡胶胶工工业业、印印刷刷业业、飞飞机机工工业业、食食品品工工业业、公公共共事事业业、新闻、通讯、医院、医学研究、机械工具、原子能。新闻、通讯、医院、医学研究、机械工具、原子能。(3)(3)超声清洗设备超声清洗设备超声焊接超声焊接：是通过超声振动使焊件在固体状态下连接起来的一种工艺过程。超声焊接金属或塑料时不需要外加热。超声金属焊接装置超声焊接原理超声焊接原理超声换能系统超声换能系统纵向振动纵向振动 焊接工具头焊接工具头带动上焊件振动带动上焊件振动 焊件交界面产生摩擦焊件交界面产生摩擦破除金属表面氧化膜破除金属表面氧化膜 接触面增大接触面增大
28、 焊区温度升高焊区温度升高 塑性变形塑性变形 原子引力原子引力形成焊点形成焊点 压力作用压力作用超声金属焊接主要因素超声金属焊接主要因素焊件表面的共同变形，在微观接触部分产生显焊件表面的共同变形，在微观接触部分产生显著的切向变形；著的切向变形；靠近焊接表面的金属晶格的原子能级升高，以靠近焊接表面的金属晶格的原子能级升高，以及在超声场中扩散过程被加强等；及在超声场中扩散过程被加强等；在两焊件的边界上形成了共同的晶粒而金属并在两焊件的边界上形成了共同的晶粒而金属并未熔化未熔化。超声焊接的优点超声焊接的优点焊接时间短，质量高。焊接时间短，质量高。不需要焊剂和外加热，不因受热而变不需要焊剂和外加热，不
29、因受热而变形，没有残余应力。形，没有残余应力。焊前、焊后处理简单。焊前、焊后处理简单。易于实现自动化。易于实现自动化。超声焊接的优点超声焊接的优点可焊接异类金属。不但同类金属，异可焊接异类金属。不但同类金属，异类金属也可以焊在一起。可以将薄片类金属也可以焊在一起。可以将薄片或细丝焊在厚板上。或细丝焊在厚板上。用于药物和易爆材料的密封焊时，能用于药物和易爆材料的密封焊时，能避免一般焊接因有熔解物而污染药品，避免一般焊接因有熔解物而污染药品，不会因受热而发生爆炸。不会因受热而发生爆炸。超声焊接的缺点超声焊接的缺点焊接时间过长或超声振动幅度过大都会使焊接时间过长或超声振动幅度过大都会使焊接强度下降，
30、甚至破坏。焊接强度下降，甚至破坏。塑料的特点塑料的特点质轻：密度一般在质轻：密度一般在11.5cm3之间之间 有一定强度，耐腐蚀，易加工有一定强度，耐腐蚀，易加工 有优异的电绝缘性能，有优异的电绝缘性能，减摩耐磨，减摩耐磨，振动阻尼能力优良。振动阻尼能力优良。工程塑料还有突出的耐高低温、耐冲击、工程塑料还有突出的耐高低温、耐冲击、高强度和高化学稳定性高强度和高化学稳定性 塑料的分类热塑性塑料：热塑性塑料：是线型或枝化的稳定高分子量聚合是线型或枝化的稳定高分子量聚合物，受热可软化、流动，遇冷则凝固，反复多次物，受热可软化、流动，遇冷则凝固，反复多次亦不改变其化学结构。亦不改变其化学结构。热固性塑
31、料：热固性塑料：在固化前是可溶解、熔化的线型聚在固化前是可溶解、熔化的线型聚合物，经过加热或加入交联剂，即变成不熔的共合物，经过加热或加入交联剂，即变成不熔的共价交联体型网络。价交联体型网络。前者一般可直接应用，后者多用作增强塑料的粘前者一般可直接应用，后者多用作增强塑料的粘合剂。合剂。如：玻璃胶如：玻璃胶超声塑料焊接只能焊接热塑性塑料，而不能焊热超声塑料焊接只能焊接热塑性塑料，而不能焊热固性塑料固性塑料超声塑料焊接原理超声塑料焊接原理通过上焊件把超声振动能量传送到焊通过上焊件把超声振动能量传送到焊区；区；由于焊区（即两焊件交界面处）声阻由于焊区（即两焊件交界面处）声阻大，因此会产生局部高温，
32、又由于塑大，因此会产生局部高温，又由于塑料导热性差，热量来不及及时散发，料导热性差，热量来不及及时散发，聚积在焊区；聚积在焊区；致使两塑料接触面迅速熔化，加上一致使两塑料接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体；定压力后，使其融合成一体；当超声波停止后，让压力持续几秒钟，当超声波停止后，让压力持续几秒钟，使其固定成型；使其固定成型；这样就形成一个坚固的分子链，形成这样就形成一个坚固的分子链，形成焊点或焊面，达到焊接的目的。焊点或焊面，达到焊接的目的。塑料焊接与金属焊接到差别塑料焊接与金属焊接到差别超声塑料焊接的纵向振动，振动方向与焊超声塑料焊接的纵向振动，振动方向与焊件垂直，而不象金属焊
33、接那样振动方向与件垂直，而不象金属焊接那样振动方向与焊件平行，焊件平行，超声塑料焊接不是用超声振动带动上焊件超声塑料焊接不是用超声振动带动上焊件振动，而是通过上焊件把超声振动能量传振动，而是通过上焊件把超声振动能量传送到焊区送到焊区。超声塑料焊接的分类超声塑料焊接的分类一般焊区距辐射声能的工具与端面间的距一般焊区距辐射声能的工具与端面间的距离在离在67mm以内的称为近场焊接，而大于以内的称为近场焊接，而大于此距离的则称为远场焊接。此距离的则称为远场焊接。超声塑料焊接到优点超声塑料焊接到优点焊接时间短，质量高；焊接时间短，质量高；不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残不需要焊剂和外加热，不因
34、受热而变形，没有残余应力；余应力；可以远场焊接；可以远场焊接；易于实现自动化。易于实现自动化。超声还能使金属零件镶嵌在塑料制品中。超声振超声还能使金属零件镶嵌在塑料制品中。超声振动施加于金属件，使金属件很快地镶嵌到塑料制动施加于金属件，使金属件很快地镶嵌到塑料制品中，这在轻工塑料制品中是一种新工艺，使用品中，这在轻工塑料制品中是一种新工艺，使用方便而迅速，可以简化塑料模具制作。方便而迅速，可以简化塑料模具制作。塑料焊接与金属焊接的异同塑料焊接与金属焊接的异同共同点共同点焊接时间短，质量高；焊接时间短，质量高；不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应
35、力；残余应力；易于实现自动化。易于实现自动化。超声缝纫原理超声缝纫原理对薄膜塑料或化纤纺织对薄膜塑料或化纤纺织品可以用超声进行连续品可以用超声进行连续缝焊，通常称为超声无缝焊，通常称为超声无线缝纫或超声缝纫。线缝纫或超声缝纫。一个纵向超声振动系统一个纵向超声振动系统以一定角度与上焊件接以一定角度与上焊件接触，而下声极是一个可触，而下声极是一个可转动的圆柱。这样，当转动的圆柱。这样，当焊件从中通过时，即可焊件从中通过时，即可完成一条连续焊缝。完成一条连续焊缝。超声缝纫的特点超声缝纫的特点对许多小件物品进行焊接，对许多小件物品进行焊接，可以多台焊接设备并用，对化纤被褥等大可以多台焊接设备并用，对化
36、纤被褥等大件物品连续缝纫。件物品连续缝纫。通过对上、下声极的表面进行的特殊设计，通过对上、下声极的表面进行的特殊设计，可使焊缝形成美观的花纹。可使焊缝形成美观的花纹。超声还能对塑料薄膜及复合包装纸进行缝超声还能对塑料薄膜及复合包装纸进行缝焊、封装，对化纤织物进行无线缝纫、剪焊、封装，对化纤织物进行无线缝纫、剪裁及印花等等。裁及印花等等。超声加工的含义及应用范围超声加工的含义及应用范围含义：超声加工是指给工具或工件沿一定方向含义：超声加工是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工的方法施加超声频振动进行加工的方法。磨料冲磨料冲击击加工加工超声切削加工超声切削加工超声磨削加工超声磨削加工超声
37、光整加工超声光整加工超声塑性加工超声塑性加工超声切割超声切割超声打孔超声打孔超声套料超声套料超声雕刻超声雕刻超声超声车车削削超声超声钻钻削削超声超声镗镗削削超声超声滚齿滚齿超声攻超声攻丝丝超声超声锯锯料料超声修正砂超声修正砂轮轮超声清洗砂超声清洗砂轮轮超声磨削超声磨削超声磨超声磨齿齿超声珩磨超声珩磨超声珩超声珩齿齿超声抛光超声抛光超声研磨超声研磨电电火化超声复合加火化超声复合加超声超声强强化化超声拉管超声拉管超声拉超声拉丝丝超声冲裁超声冲裁超声超声挤压挤压超声超声铆铆墩墩超声弯管和超声弯管和矫矫直直磨料冲击超声加工基本概念：基本概念：磨料冲磨料冲击超声加工是利用击超声加工是利用加工工具作超声振
38、加工工具作超声振动并通过磨料冲击动并通过磨料冲击被加工工件来碎除被加工工件来碎除材料的技术材料的技术。磨料冲击超声加工原理磨料冲击超声加工原理工具以一定静压力压在工件上；工具以一定静压力压在工件上；在加工区域送入磨料悬浮液；在加工区域送入磨料悬浮液；工具进行周期性的锤击，工具进行周期性的锤击，材料粉碎成细粒材料粉碎成细粒从材料上脱落下来。从材料上脱落下来。磨料悬浮液作循环流动，磨料悬浮液作循环流动，带走被粉碎下来的材料微粒和更带走被粉碎下来的材料微粒和更新磨料，新磨料，工具在静压力的作用下逐渐深人工具在静压力的作用下逐渐深人工作区而形成与工具形状相同的工作区而形成与工具形状相同的孔穴。孔穴。磨
39、料冲击超声加工特点磨料冲击超声加工特点特别适合于加工硬脆材料。如玻璃、石英、陶特别适合于加工硬脆材料。如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗和宝石等；瓷、硅、锗和宝石等；加工形状不限于圆孔。可以加工各种复杂形状加工形状不限于圆孔。可以加工各种复杂形状的型孔、型腔、深孔等；的型孔、型腔、深孔等；对工件的宏观作用力小，热影响小，不会产生对工件的宏观作用力小，热影响小，不会产生残留应力；残留应力；加工精度和表面光洁度较高。加工精度和表面光洁度较高。磨料冲击超声加工已经广泛应用于硬脆材料加磨料冲击超声加工已经广泛应用于硬脆材料加工、超声钻孔、套料、切割和雕刻等。工、超声钻孔、套料、切割和雕刻等。超声切削超声切削基
40、本概念：超声车削基本概念：超声车削是给刀具（或工件）是给刀具（或工件）在某一方向上施加一在某一方向上施加一定频率和振幅的振动，定频率和振幅的振动，以改善车削效能的车以改善车削效能的车削方法。削方法。超声切削分类超声切削分类一种是以断屑为主要目的，这时多采用低一种是以断屑为主要目的，这时多采用低频（最高几百赫）、大振幅（最大可达几频（最高几百赫）、大振幅（最大可达几毫米）的进刀方向振刀；毫米）的进刀方向振刀；另一种是以改善加工精度和表面粗糙度、另一种是以改善加工精度和表面粗糙度、提高车削效率、扩大车削加工适应范围为提高车削效率、扩大车削加工适应范围为主要目的，则要用高频、小振幅振刀。主要目的，则
41、要用高频、小振幅振刀。超声切削特点超声切削特点切削力大幅度地降低；切削力大幅度地降低；切削温度大幅度降低。切屑的平均温度仅切削温度大幅度降低。切屑的平均温度仅左右左右(相当于南方的夏季高温气候相当于南方的夏季高温气候)。大幅度降低表面粗糙度和显著提高加工精大幅度降低表面粗糙度和显著提高加工精度；度；工具寿命大幅度提高；工具寿命大幅度提高；切屑容易处理。切屑容易处理。超声金属塑性加工举例超声金属塑性加工举例在冷拔过程中，在冷拔过程中，超声振动施加超声振动施加于外模或内模于外模或内模(芯棒芯棒)，这样，这样能够降低拉拔能够降低拉拔力、提高产品力、提高产品质量质量。超声金属塑性加工优点超声金属塑性加
42、工优点直径厚度比可达直径厚度比可达500:1，而普通冷拔只能达，而普通冷拔只能达50:1左右；左右；降低拉拔力，提高延伸系数，进行多道连拉能降低拉拔力，提高延伸系数，进行多道连拉能够拉拔塑性小的难拔材料。够拉拔塑性小的难拔材料。减少破裂，提高表面光洁度、尤其是内表面的减少破裂，提高表面光洁度、尤其是内表面的光洁度。光洁度。能够拔制复杂形状的管子，如核反应堆用的形能够拔制复杂形状的管子，如核反应堆用的形管，航空高压油管。管，航空高压油管。延长工具寿命，节约劳动时间等等延长工具寿命，节约劳动时间等等 超声金属塑性加工超声金属塑性加工其它应用：冷拔金属丝、超声挤压、拉伸其它应用：冷拔金属丝、超声挤压
43、、拉伸成型、超声弯管和矫直成型、超声弯管和矫直。超声处理？超声处理？超声处理：是指利用超声能量使物质的一些物超声处理：是指利用超声能量使物质的一些物理、化学、和生物特性或状态发生变化，或者理、化学、和生物特性或状态发生变化，或者使这种变化速度加快的处理过程。前面所述的使这种变化速度加快的处理过程。前面所述的超声清洗属于超声处理。超声清洗属于超声处理。主要内容主要内容超声雾化超声雾化超声搪锡超声搪锡超声粉碎超声粉碎超声乳化超声乳化超声凝聚超声凝聚超声除气超声除气主要内容超声疲劳试验超声疲劳试验超声淬火超声淬火超声加速过滤超声加速过滤超声细化晶粒超声细化晶粒k超声腐蚀处理超声腐蚀处理雾化雾化基本概
44、念超声雾化：超声雾化是指在超声的作用下，超声雾化：超声雾化是指在超声的作用下，液体在气相中分散而形成微细雾滴的过程。液体在气相中分散而形成微细雾滴的过程。雾滴平均直径与频率：频率高则雾滴小雾滴平均直径与频率：频率高则雾滴小 雾化速度与超声强度：强度大则雾量多雾化速度与超声强度：强度大则雾量多 其它因素：液体本身的表面张力、密度、粘其它因素：液体本身的表面张力、密度、粘度、蒸汽压、温度等对液体的雾化也有一定度、蒸汽压、温度等对液体的雾化也有一定的影响。的影响。超声雾化装置（1）高频(0.8-5MHz)应用的装置：液体喷泉成雾，产生液滴的直径为15m，可用于医疗等方面。超声雾化装置（超声雾化装置（
45、2）采用磁致缩换能器可直接在其辐射面形成雾滴，它要采用磁致缩换能器可直接在其辐射面形成雾滴，它要求功率大，因此一般在换能器辐射端再加一个变幅杆，求功率大，因此一般在换能器辐射端再加一个变幅杆，以放大位移振幅，使其易于产生雾滴。液体的入口位以放大位移振幅，使其易于产生雾滴。液体的入口位于变幅杆的位移节点处。于变幅杆的位移节点处。在液体喷出的变幅杆端头安装一个金属阀块，当变幅杆作纵在液体喷出的变幅杆端头安装一个金属阀块，当变幅杆作纵向振动处于收缩的半周时，则在阀块与变幅杆表面间形成一向振动处于收缩的半周时，则在阀块与变幅杆表面间形成一微小空隙，并被流入的液体充满，而到纵振动伸张的半周，微小空隙，并
46、被流入的液体充满，而到纵振动伸张的半周，这个空隙又逐湘变小一直到无。同时液体被挤出形成微小液这个空隙又逐湘变小一直到无。同时液体被挤出形成微小液滴。滴。通过调整外加于阀块上压力的大小，可改变液滴的大小。当通过调整外加于阀块上压力的大小，可改变液滴的大小。当然这只是影响液滴大小的因素之一，实际上，超声振动的诸然这只是影响液滴大小的因素之一，实际上，超声振动的诸参量均影响液滴的大小。参量均影响液滴的大小。超声雾化装置（超声雾化装置（2）超声雾化机理超声雾化机理空化理论：空化泡闭合时产生的微激波而空化理论：空化泡闭合时产生的微激波而引起雾化引起雾化；表面张力波理论：表面张力波在它的波峰表面张力波理论
47、：表面张力波在它的波峰处产生雾滴，其大小与波长成正比；处产生雾滴，其大小与波长成正比；超声雾化机理超声雾化机理超声频率和雾滴直径的关系超声频率和雾滴直径的关系：超声雾化机理超声雾化机理超声雾化的实验检验超声雾化的实验检验：一种是高速摄影，用此方法可以详细研究雾一种是高速摄影，用此方法可以详细研究雾滴的形成过程滴的形成过程;另一种方法是通过雾化了的石蜡或金属，因另一种方法是通过雾化了的石蜡或金属，因为这些物质的雾滴在空中飞行期间会很快凝为这些物质的雾滴在空中飞行期间会很快凝固，把凝固的颗粒收集起来即可测量其大小。固，把凝固的颗粒收集起来即可测量其大小。超声雾化应用超声雾化应用医用吸入超声雾化器医
48、用吸入超声雾化器鼻、咽喉、肺部治疗鼻、咽喉、肺部治疗肺部同位素诊断，优点：剂量小肺部同位素诊断，优点：剂量小家用超声加湿器家用超声加湿器 超声雾化还可用于燃料油的雾化，使得燃超声雾化还可用于燃料油的雾化，使得燃油燃烧更充分，节约能源油燃烧更充分，节约能源 超声雾化应用超声雾化应用制取金属粉末制取金属粉末把熔化了的金属通过超声振动使其雾化，然把熔化了的金属通过超声振动使其雾化，然后雾滴状的金属微粒在空气中冷却凝固后下后雾滴状的金属微粒在空气中冷却凝固后下落，收集起来即为所需制备的金属粉末。落，收集起来即为所需制备的金属粉末。雾滴的大小与超声的参量有关，同时也与熔雾滴的大小与超声的参量有关，同时也
49、与熔化金属的物理性质有关。化金属的物理性质有关。在工业上用于制造金属粉末，尤其是适用于在工业上用于制造金属粉末，尤其是适用于制造易延展和软而低熔点金属材料的粉末，制造易延展和软而低熔点金属材料的粉末，如锌、铝等粉末。如锌、铝等粉末。超声搪锡超声搪锡原理：在容器中的锡被加热熔解成液态锡后，在原理：在容器中的锡被加热熔解成液态锡后，在锡液中引入超声，将金属件插人锡液中，由于锡锡液中引入超声，将金属件插人锡液中，由于锡液中超声空化所产生的力效应能除去浸在其中金液中超声空化所产生的力效应能除去浸在其中金属表面的氧化物，而搪上一层锡，这就是超声搪属表面的氧化物，而搪上一层锡，这就是超声搪锡的基本原理。锡
50、的基本原理。应用：铝件表面要搪上一层锡是很困难的，因为应用：铝件表面要搪上一层锡是很困难的，因为铝表面的氧化层很难除去，即使除去也很快氧化铝表面的氧化层很难除去，即使除去也很快氧化，而用超声却可以比较容易地解决这一问题，而用超声却可以比较容易地解决这一问题。超声粉碎基本概念超声粉碎基本概念在超声的作用下，使液体中的固体颗粒或在超声的作用下，使液体中的固体颗粒或生物组织等破碎的过程叫超声粉碎。超声生物组织等破碎的过程叫超声粉碎。超声粉碎在化工、医药、生物等领域有较多的粉碎在化工、医药、生物等领域有较多的应用。应用。超声粉碎的关键部件超声粉碎的关键部件超声粉碎需要较大的位移振幅，因此在换能器辐射超