高强度超声波在金属加工及处理方面取得了许多成效。比如钻孔及疲劳实验就是例子,超声波在这方面的应用还包括对金属进行熔融、焊接及熔接处理等。
当熔融金属液冷却时,必须在其达到固态之前排除其内部的全部气泡。采用高强度超声波对熔融液进行辐射可以达到除气的目的。如果任其自然冷却,则当温度降至固化点时金属液还会生成许多晶粒,晶粒生长的大小与冷却速率有关,若熔融液内尚含有其它杂质,则晶粒还与不纯度有关。超声空化可使晶粒破碎,经超声空化处理过的融液所凝成的固体内,晶粒结构较自然冷却所凝成的固体内的要匀细得多。
采用超声波做金属焊接时,可以不用任何助焊剂,这就避免了通常助焊剂会对焊接件产生腐蚀作用的麻烦,几年前曾报过一种超声波金属焊接机,它在结构设计上与超声波钻机类似,如图7.9所示。二者间的根本区别在于超声波焊机在工具头处安置的是一个可经电加热的焊头。焊头在振动过程中使焊件上产生空化效应,这就起到了清洁工件表面及去除氧化层的目的因而焊料会很牢固地结合在金属表面。
另一种超声焊接设备是超声波镀锡槽,它用来在导线或小焊件上挂上一层锡膜,以利于焊接。该装置配有一个镀锡槽,槽内盛有熔融焊料,采用大功率换能器发出强超声波,使焊料融液内产生空化效应。
在铝的助焊剂尚未找到的时候,超声波焊接一直是结合这种材料的唯一有效的手段。在微型焊接方面,超声波焊接是十分有效的,它可以完成在015mm(0.006英寸)厚的镀金硅片或同样厚度的银箔上焊接0.05mm(0.002英寸)直径的金线的任务。
高强度超声波的另一应用是熔接。超声波金属熔接过程可在室温下进行,无需任何特别的表面处理准备,而且也不会使工件变形。超声波熔接的物理机制尚不十分清楚,不过很有可能是在两个相互接触的工件表面处发生了分子扩散效应。当1955年发现了超声波熔接技术时,人们曾普遍认为它会获得广泛的应用场合,然而,在金属熔接的领域内,它的应用范围仅限于金属薄板及金属箔的熔接范围。图7.10所示
是一典型的采用磁致伸缩换能器工作的超声波熔接机,其工作频率一般在25kHz。从图中可以看出,熔接过程是在横波的作用下完成的。这与塑料材料的超声波熔接过程正好形成对比,后者是采用振动方向垂直于工件表面的纵波进行的。这种熔接设备在做点接或缝接时是最有效的。