□顧 勇 徐 立 賈本紅 劉逸凱

超聲學(xué)是現(xiàn)代聲學(xué)的一個(gè)重要分支，主要是研究超聲在各個(gè)物質(zhì)中產(chǎn)生、傳播、接受及相互作用、產(chǎn)生的各種效應(yīng)和應(yīng)用[1]。從頻率涉范圍劃分，超聲是高于可聽(tīng)聲頻的頻率20kHz的聲波。超聲技術(shù)是利用超聲波的產(chǎn)生、傳播、接受的過(guò)程中產(chǎn)生的物理效應(yīng)達(dá)到期望效果的技術(shù)。利用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用也稱功率超聲；用超聲波得到若干信息，獲得通信應(yīng)用，也稱檢測(cè)超聲；從超聲波的功率而言，功率超聲要遠(yuǎn)大于檢測(cè)超聲[2]。隨著超聲效應(yīng)理論研究與應(yīng)用研究發(fā)展，超聲技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，比如醫(yī)學(xué)、化工、工業(yè)等行業(yè)。超聲技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中，在產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、提高效率等方面具很大潛力與優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成熱點(diǎn)通用技術(shù)之一。

一、超聲效應(yīng)

超聲波在液體傳播過(guò)程中，在超聲波作用下，液體中氣泡迅速增長(zhǎng)，然后又迅速破滅，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，伴隨氣泡崩潰的周?chē)a(chǎn)生上很大氣壓的壓力，整個(gè)過(guò)程還有局部高溫、放電、發(fā)光等現(xiàn)象，這就是“超聲空化”效應(yīng)。超聲清洗就利用空化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品清洗或清理。

超聲波在媒質(zhì)傳播過(guò)程中，由于媒質(zhì)吸收和內(nèi)摩擦損耗，將傳遞振動(dòng)能量轉(zhuǎn)為熱能，從而使局部溫度升高，這就是超聲熱效應(yīng)。超聲波焊接是利用超聲波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)，在配合外部壓力作用下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成連接。

超聲波在傳遞至媒質(zhì)從而引起媒質(zhì)高頻振動(dòng)，在切削時(shí)，超聲振動(dòng)加速度很大，可對(duì)脆性材料進(jìn)行精密加工，這就是機(jī)械作用之一。超聲加工就是利用超聲機(jī)械作用對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工，該方法在特種加工領(lǐng)域有較大應(yīng)用前景。

超聲波在傳播過(guò)程中與媒介相互作用使媒質(zhì)的一些物理、化學(xué)或狀態(tài)發(fā)生改變,或者使這種過(guò)程加快,從而產(chǎn)生一系列效應(yīng)[3]。超聲技術(shù)正是利用這些效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的技術(shù)。

二、超聲波技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

(一)超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用。超聲波清洗技術(shù)是利用空化效應(yīng)，在液體能浸入且能產(chǎn)生空化的地方可以有清洗作用，所以可對(duì)復(fù)雜形狀零件清洗，比如精密零件的空腔、窄縫、深孔、細(xì)孔等[4]。在機(jī)械加工行業(yè)中采用超聲清洗去除油污、銹、碎屑、磨料等，具體產(chǎn)品如油泵嘴深孔、盲孔、光學(xué)鏡片、刃具量具鍍膜前清洗等。

超聲波清洗效果主要是由空化作用決定,所以要得到良好的清洗效果必須選擇適當(dāng)?shù)穆晫W(xué)參數(shù)[5]和清洗液[6]。隨著超聲清洗技術(shù)研究的深入對(duì)于在不同的條件下,各種因素對(duì)超聲清洗效果的影響，有些已有研究結(jié)果并給出解決方案。比如通過(guò)改變換能器的布陣方式改善了清洗槽內(nèi)水平方向和深度方向的聲場(chǎng)[7]；通過(guò)不同溫度、時(shí)間分析對(duì)清洗效率的影響,采用正交實(shí)驗(yàn)法得出了不同清洗槽頻率和功率的最佳分布。隨著超聲清洗技術(shù)的成熟，應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)變得更加豐富。

超聲波清洗技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械加工領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如汽車(chē)領(lǐng)域的精密鍛件發(fā)電機(jī)爪極，高壓共軌緊密鍛件及其它精密鍛件等零件需要清洗掉附著的機(jī)油和其它污物，采用超聲清洗可較好滿足零件清洗而不損傷零件的要求。在閥體制造領(lǐng)域，有閥體零件、細(xì)長(zhǎng)管配件與復(fù)雜形狀零件需要清洗，而超聲由于能夠穿透細(xì)小窄縫和小孔,所以能很好滿足這類(lèi)零件的清洗要求。在消費(fèi)電子對(duì)零件的毛刺和光潔度較高要求，如手機(jī)殼，高精密加工后殘留的微小毛刺，毛刺肉眼可見(jiàn)或顯微鏡下可見(jiàn)，這樣的毛刺在裝配或使用過(guò)程中可能會(huì)脫落影響產(chǎn)品的品質(zhì)，需要去除，采用高能量密度超聲清洗技術(shù)，可以解決。

(二)超聲焊接技術(shù)的應(yīng)用。超聲焊接技術(shù)是利用焊接工具頭高頻振動(dòng),在壓力的作用下將振動(dòng)能量傳遞給待焊工件表面，使工件之間產(chǎn)生劇烈的摩擦,從而實(shí)現(xiàn)有效連接。超聲焊接無(wú)需焊材，無(wú)需加熱，具有快速、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前金屬超聲焊機(jī)技術(shù)主要應(yīng)用在銅、鋁、鎳之間同種或異種材料的焊接。

超聲焊接效果的關(guān)鍵參數(shù)焊接工具頭的工作振幅，根據(jù)不同材料的焊接要求，通過(guò)配置不同變幅桿及焊接工具頭來(lái)改變焊頭的工作振幅，達(dá)到滿意焊接效果。焊接工作頻率主要由超聲波換能器、變幅桿、焊頭組合在一起機(jī)械共振形成的頻率。超聲波電源發(fā)出頻率與機(jī)械共振頻率接近或一致，焊頭處于諧振狀態(tài)，使工具頭達(dá)到理想的振幅輸出。在焊接過(guò)程中，焊接壓力載荷變化及振動(dòng)引起零件溫度上升會(huì)影響振諧振頻率，超聲波電源需要能夠補(bǔ)償在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的工作狀態(tài)改變導(dǎo)致頻率波動(dòng)，讓焊接工具頭處于諧振狀態(tài)，使工具輸出穩(wěn)定的振幅，從而保證焊接質(zhì)量。

超聲波焊接技術(shù)在新能汽車(chē)、光伏、消費(fèi)電子等行業(yè)應(yīng)用廣泛。常見(jiàn)金屬超聲焊接應(yīng)用形式有點(diǎn)焊、滾焊、切斷密封焊，比如導(dǎo)線與端子采用點(diǎn)焊，光伏銅箔滾焊，壓縮機(jī)銅管切斷密封焊。相比釬焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接方法，超聲焊接的產(chǎn)品精度高、結(jié)合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能好、表面質(zhì)量好，采用超聲波焊接可提升產(chǎn)品綜合性能，在消費(fèi)電子與鋰電池行業(yè)，已經(jīng)是常見(jiàn)的焊接方法。

(三)超聲加工技術(shù)的應(yīng)用。超聲加工技術(shù)主要是利用機(jī)械效應(yīng)，超聲在傳遞過(guò)程中引起介質(zhì)點(diǎn)壓縮與延伸運(yùn)動(dòng)，由于加速度很大，可破壞介質(zhì)，這便是機(jī)械效應(yīng)。將超聲能量施加在刀具上，可降低刀具切削力，獲得良好加工精度。

超聲加工技術(shù)主要應(yīng)用在超聲切削、超聲鉆孔、超聲研磨加工等。由于超聲加工技術(shù)的特點(diǎn)，在脆硬的難加工材料加工方面有很大優(yōu)勢(shì)，比如金剛石穿孔，采用磨料懸浮液超聲加工方法可完成。傳統(tǒng)切削裝置增加超聲振動(dòng)系統(tǒng)，將超聲能量施加到切削工具上，可增加系統(tǒng)剛度，減少切削變形程度，獲得較好加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命。在相同磨削條件下，超聲振動(dòng)切脆性材料去除率比普通磨削方法高1倍以上。隨著技術(shù)的發(fā)展，新開(kāi)發(fā)的新材料不斷出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高,超聲加工技術(shù)，將會(huì)獲得有更廣應(yīng)用領(lǐng)域，成為一種常用的加工方法。

三、超聲波技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

超聲波技術(shù)在制造業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,隨著超聲技術(shù)的應(yīng)用研究不斷深入，新的應(yīng)用場(chǎng)景不斷出現(xiàn)。比如傳統(tǒng)超聲清洗在汽車(chē)、加工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。而隨著我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,超高頻超聲波清洗在半導(dǎo)體行業(yè)有了大量需求；超聲金屬焊接涌現(xiàn)出大截面焊接需求，比如新能源汽車(chē)匯流導(dǎo)線的焊接，需要大功率超聲焊接設(shè)備，目前該類(lèi)設(shè)備的品牌大部分被國(guó)外壟斷；超聲加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一是與其它傳統(tǒng)技術(shù)復(fù)合，形成新的加工方法，如超聲復(fù)合焊接、超聲電解復(fù)合加工等，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者正在開(kāi)展相關(guān)工藝和復(fù)合加工方法的研究。

綜上所述,隨超聲技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富，將成為一種重要技術(shù)方法，正朝著復(fù)合、自動(dòng)化、綜合應(yīng)用的方向發(fā)展，超聲技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景是廣闊的。