[发明专利]用于处理液态金属的超声波焊极和处理液态金属的方法

说明书

一种超声波焊极(101)，其第一端连接到机械振动源，在焊极(101)的相对端配有工作端头(105、205、405、805)，并配有带有冷却套(103)的本体(104)，冷却套在与焊极(101)的本体(104)接触的位置利用第一密封件(106)和第二密封件(107)密封，其特征在于，第一密封件(106)放置在距在处于其工作条件下的焊极中激发的驻波波节小于或等于20mm的位置处，并且第二密封件(107、207、407、507、607)配备有弹性元件(108、208、408、508、608)并且位于距工作端头(105、205、405、805)小于或等于20mm的距离处。一种用于金属合金化的方法，其中材料在被激发进行机械振动的超声波焊极的工作端头(105、205、405、805)上熔化，其特征在于，使用根据本发明的焊极。

技术领域

本发明涉及一种超声波焊极，具体涉及一种适于将机械振动传递至液态金属的超声波焊极。本发明还涉及一种用于超声波辅助金属合金化的方法。

背景技术

根据现有技术，采用超声波频率振动处理液态金属。该方法的典型应用是雾化和合金化。通常，超声波系统由压电式换能器或磁致伸缩换能器激发。由于这些换能器的工作温度上限远低于大多数金属的熔化温度，因此超声波系统需要应用高效冷却系统，例如流动/喷射的液体或气体流。

为了使超声波处理稳定地进行，要求超声波焊极对液态金属保持良好的润湿性并使超声波焊极表面的温度保持高于所处理合金的熔点。由于压电换能器的工作温度的限制，产生了高温度梯度，这导致超声波焊极的工作时间很短。同时，由于材料限制和高疲劳载荷，该现象导致最大工作温度限制在大约700℃。

超声波频率振动的应用之一是液态金属的雾化。从中国专利CN1422718中已知一种具有用于超声波焊极(振动系统)的冷却系统的超声波雾化器。液态金属与振动焊极直接接触，该焊极使液态合金喷射，液态合金的液滴以粉末的形式进行固化。系统包含压电陶瓷的部分被空气冷却，并且超声波焊极单独用水或空气冷却，这确保了存在两个主动冷却步骤。这种方法的一个缺点是热阻低，即温度高于700℃时，由于与液态金属接触，导致频率变化很大。超声波焊极仅从工作端头冷却到超过1/4λ(机械驻波长度)。

用于保持在超声波雾化中使用的振动部件的热稳定性的另一种方法是使用如US2889580中描述的冷却盘管。该方法的缺点是由于摩擦，冷却盘管和振动部件之间的边界处会存在高机械损失。

采用金属超声波搅拌的另一应用是超声波辅助焊接。美国专利文献US3833163描述了一种通过应用由导热率高及导热率低的金属组成的超声波系统来搅拌液态金属的方法。与热部件直接接触的材料是由具有低导热率的钛制成。然后将其连接到由具有高导热率的铝制成的散热器。这两种材料的组合能够限制从液态金属到换能器的有效热传递以及加速散热。然而，当介质温度超过超声波焊极工作温度时，不能应用这种解决方案。

英国专利文献GB1594977描述了一种用于使液态金属均匀化的超声波焊极的冷却系统。波导(变幅杆)由驻波波节附近的水套冷却。在美国专利文献US376236中公开了类似的方法，该文献描述了使用水冷系统来保持在液态焊料中工作的超声波焊极的热稳定性。振动部件被水套包围，并且其密封件放置在驻波波节处。在两种情况中，超声波焊极冷却系统位于距超声波焊极前部的至少1/4λ处，并且该解决方案不能用于工作温度高于700℃的材料。