什么是超声波金属熔体处理设备

摘要：在现代金属加工领域，提升金属材料性能、优化生产工艺一直是行业发展的关键驱动力。超声波金属熔体处理设备应运而生，作为一种创新的技术手段，正逐渐改变着传统金属加工的格局。本文将深入剖析超声波金属熔体处理设备的工作原理、系统构成、显著优势以及广泛应用领域。

在现代金属加工领域，提升金属材料性能、优化生产工艺一直是行业发展的关键驱动力。超声波金属熔体处理设备应运而生，作为一种创新的技术手段，正逐渐改变着传统金属加工的格局。本文将深入剖析超声波金属熔体处理设备的工作原理、系统构成、显著优势以及广泛应用领域。

工作原理：

超声波金属熔体处理系统由超声波振动部件和超声波发生器两部分构成。超声波振动部件包括超声波换能器、超声波变幅杆和加长杆、工具头。换能器将发生器所输入的电能转换成机械能（频率：20kHz、振幅：3-20μm)。变幅杆放大振幅，隔离金属熔体和热能传递，变幅杆节点上装配有法兰，用于固定整个超声波振动系统。法兰以下的加长杆和工具头插入冶炼炉中；工具头（ø50×200~300mm)浸入金属熔体中（开启超声）工作。

超声波在传播时会产生正负交变的声压，形成射流和非线性效应的声流和微声流，产生空化效应，削断破坏枝晶，冲击凝固前沿，增加搅拌扩散作用，从而细化晶粒、均匀合金成分、加速气泡排除，显著改善合金材料的综合性能。‌

系统构成：

超声波金属熔体处理设备主要由超声波发生器、超声波振动部件两大部分组成。

●超声波发生器

超声波发生器的作用是将普通的民电（通常为50Hz或60Hz，电压220V或380V）转换为高频率、高功率的电信号。它包含电源电路、振荡电路、功率放大电路等部分。电源电路负责将市电进行整流、滤波，为后续电路提供稳定的直流电源。振荡电路通过特定的电路结构产生高频振荡信号，其频率一般在20kHz至100kHz之间，具体频率根据设备的应用场景和处理需求而定。功率放大电路则对振荡电路产生的信号进行放大，使其具有足够的功率来驱动超声波换能器工作。超声波发生器还具备一些控制和保护功能，如频率自动跟踪、功率调节、过流保护、过热保护等，以确保设备的稳定运行和可靠工作。

●超声波振动部件

超声波换能器：这是将电能转换为机械能（即超声波）的关键部件。常见的超声波换能器采用压电陶瓷材料制成。当超声波发生器输出的高频电信号施加到压电陶瓷上时，压电陶瓷会根据电信号的变化产生相应的伸缩变形，从而将电能转换为机械能，产生超声波振动。其振动形式通常为纵向振动，振幅一般在几微米到几十微米之间。

超声波变幅杆：由于超声波换能器产生的振幅较小，不能直接满足金属熔体处理的需求，因此需要超声波变幅杆来放大振幅。变幅杆的形状通常为锥形或阶梯形，其工作原理基于机械波的阻抗匹配和振幅放大理论。通过合理设计变幅杆的形状和尺寸，可以将换能器输出的较小振幅放大数倍甚至数十倍。同时，变幅杆还起到隔离金属熔体和换能器的作用，防止高温的金属熔体对换能器造成损坏。此外，在变幅杆的节点位置通常会装配有法兰，用于固定整个超声波振动系统，确保其在工作过程中的稳定性。

工具头：工具头又称发射头，与变幅杆相连。变幅杆将放大后的超声波能量振动传递给工具头，工具头再将超声波能量发射到金属熔体中。工具头的材质通常选用耐高温、耐腐蚀的材料，如高强度钛合金等，以适应高温的金属熔体环境。

应用场景

‌1. 细化晶粒‌：超声波金属熔体处理设备通过超声波振动，能够削断破坏枝晶，冲击凝固前沿，增加搅拌扩散作用，细化晶粒，使组织均匀化，缩短加工时间；为冶金科研机构研制不同特性合金材料（如强度要求、压延和抗疲劳性）提供加工便利。

‌2. 去除杂质和气体‌：超声波在金属熔体中产生空化效应，使夹杂物粉末成功分层集聚并上浮，同时促使溶解在金属熔液中的气体排出，达到净化合金内部组织的目的。

‌3. 加速气泡运动‌：超声波振动能够加速气泡运动和析出，提升材料的综合性能。

‌4. 提升铸坯品相：通过超声波振动作用于结晶器，可以改善铸坯的表面质量。