超声波在金属熔体处理中的优势

随着科学技术的不断进步，超声金属熔体设备已经被广泛用于现代工业中。它是一种利用超声空化现象产生的高温高压气泡，在熔体中加速物理化学反应，从而达到高效能的新型熔体处理设备。　

超声金属熔体设备通过超声波的作用，可以有效地改善金属的熔化、混合、分散等过程，使之达到更高的效率。在金属熔体成形(铸造)中引入超声场，伴随着声空化和声流等多种作用和相关反应，使得晶粒细化、组织均匀化、除气除杂，获得最佳组织和良好性能；在焊接成形过程中施加超声，可以细化焊缝金属晶粒，去除焊缝气孔，强化焊缝，减弱残余应力。

液态金属在超声作用下，能渗入颗粒预制件中或与颗粒均匀混合，超声浸镀可以实现钢丝镀锌、镀铝。

该设备分为垂直式和组合式两种形式，其中组合式设备具有时间控制、温度控制、温度报警等功能，操作简单。

一、超声金属处理原理

高能超声具有独特的声学效应。在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善。普遍认为，高能超声波在超声波处理、超声波金属处理、超声波晶粒细化、超声波金属凝固、超声波熔体消泡、超声波结晶、超声波声空化、超声波铸造、超声波凝固组织、超声波金属连铸等方面都有用武之地。

超声波对金属熔体的气泡消除也很有效，在超声波的作用下气泡的排出速度大大加快，能显著提高金属的品质。

被处理熔体盛在特定的容器中，如坩埚、熔炼炉、结晶炉，把超声波能量发射到金属熔体中有许多种方法。这其中，将超声波工具头插入熔体中，直接向熔融金属液体发射超声波，无疑是最有效的一种。熔体在冷却结晶的同时也被强烈的超声波作用，材料特性随之发生改变。对特定熔体而言，熔体量越少，超声波发生器的输出功率越大，超声波作用的时间越长，则超声波综合作用强度就越高。也就是说，我们也可通过控制金属熔体量的多少、超声波发生器输出功率的大小、以及超声波作用的时间，来控制超声波作用的效果，找到超声波作用和实际效果的最佳平衡点。

在需要特别大的超声波功率的情况下，可以将多个超声波单元组合使用，使超声波功率得到成倍增加。

国内外众多的专家学者、生产技术人员已经做过各种研究试验，证明超声波在处理金属熔体过程中的显著功效。

   二、超声金属处理设备组成

超声波金属熔体处理设备主要由超声波驱动电源和超声波振动设备两部分组成，并通过专用电缆连接。

超声波驱动电源起着将50Hz-60Hz的市电（交流220V）转化为高功率、高频率的电信号并输出给超声波振动部件的作用。超声波振动设备主要包括大功率超声波换能器、变幅杆、焊接法兰、工具头，用于产生超声波振动，并向工艺对象中发射此振动能量。换能器在纵向做来回伸缩运动，从而将输入的电能转换成机械能（即超声波），变幅杆依据设计需求来放大振幅，隔离反应溶液和换能器，一般情况下，变幅杆与发射头之间连接有焊接法兰，焊接法兰起到固定整个超声波振动系统的作用。变幅杆与工具头相连，变幅杆将从换能器传递过来的超声波振动能量传递给工具头，最后通过工具头将超声波振动能量发射到工艺对象中。

图1 金属处理设备发射头参考结构图

图中所示的是超声波金属熔体处理器的典型结构。根据实际生产设备的不同要求，超声波处理器的结构形式和尺寸可以作相应的变动。

    三、超声金属熔体主要作用

去除杂质

钢液中微小的夹杂物上浮是非常困难的，只有当它们聚集起来才会使上浮更加容易。使用超声波金属熔体在溶液中加入超声波，超声波驻波可以使溶液中夹杂物 粉末成功分层、集聚。

超声波除气

超声波对熔融金属中排除气体的作用很大，超声弹性振动在几分钟内可以使合金*除气。超声波振动导入熔融金属中时，发现有空化现象产生，这是由于液相的连续性受到破裂后而产生了空洞，于是溶解在液态金属中的气体便向其中集中。超声波的弹性振动促使气泡核心的产生，并使它不断长大，直至长大到能顺利地从熔融金属中排出的尺寸。

超声波辅助静态铸造

提升铸坯质量

超声波金属溶体设备可以作用于结晶器，以改善铸坯的表面质量。超声波对结晶器的振动可用于小方坯、大方坯和板坯，用超声波振动时不用负滑动。在浇铸小方坯和大方坯时，对结晶器施加超声振动后可以得到很平滑的铸坯表面。

细化晶粒

超声振动凝固法生产铸件时，超声波在传播时会产生正负交变的声压，形成射流，同时由于非线性效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面会产生高速的微射流。超声波液体中的空化效应，能够削断破坏枝晶，冲击凝固前沿，增加搅拌扩散作用，可达到净化组织、细化晶粒，使组织均匀化等作用。除振动引起的机械作用破坏枝晶外，超声振动凝固的另一重要作用是提高了金属液的有效过冷度，减小了临界晶核半径，从而增加了形核率，细化了晶粒。

使用超声波对铝溶液晶粒细化

铝硅合金的连铸过程中，进行超声处理可以细化铸坯的晶粒，进而改善这些合金的塑性和延展性，使其更好地应用到建材和汽车发动机活塞上。对铝合金液施加超声波，可避免氧化夹杂的生成，可使其显微组织明显细化。

    四、设备技术参数指标

  五、超声金属熔体产品特点

• 耐高温：高承受温度1300℃。

• 耐腐蚀：使用高强度钛合金工具头。

• 微分子间作用，效果直接、明显。

• 安装简便：通过标准法兰盘对接安装，无需改变客户现有的生产设备和工艺流程

   六、超声金属熔体应用领域

1.      高强度铝合金、镁合金铸造

2.      铝、镁合金棒料、板料生产

3.      各种合金材料、电动机转子等结晶除气

4.      各种金属基复合材料、高强度铝合金活塞铸造