不同材质超声波辐射器的设计及铸造测试

　　超声波作为一种高频声波，在金属熔体传播过程中会产生空化、声流、机械冲击、辐射压力等非线性效应[1-6]。在金属凝固过程中施加超声振动可以有效地使粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶，且使铸锭的宏观及微观偏析得到明显改善[2,4,7]。传递超声波的振动系统主要由换能器、变幅杆和工具杆组成[8]。工具杆有时也称为二级变幅杆、声导杆、传振杆、辐射器或探头[4,9]。为论述方便，本文统一称之为辐射器。

　　辐射器是与加工介质直接接触， 传导超声能量的重要构件。 辐射器材质的选择及尺寸设计是将超声波振动有效导入金属液， 保证超声加工效果和生产效率的关键。耐高温、抗腐蚀、长寿命材料是制造铸造用超声波辐射器的首选， 也是困扰超声波在冶金领域推广应用的一大难题。Dobatkin 用 Cr18Ni9Ti不锈钢辐射器对铝合金施振，超声作用时间仅为1～2min[10];李军文等人研制的辐射器虽然具有一定的使用寿命， 但他们的实验均是在小型坩埚中进行[11-12]。

　　在本课题组进行铝合金超声半连铸工业实验中， 同样发现辐射器直接与高温熔体接触部分由于受周期性超声空化作用以及高温金属原子扩散效应，端部表面出现不同程度的腐蚀。材料腐蚀会改变辐射器的振动性能，进而影响超声波施振效果，甚至无法传递超声。目前，集辐射器结构设计、模态分析、铸造实验于一体的研究还较少，因此，本文针对高强铝合金半连铸的生产要求， 设计和制作了三种不同材质超声波辐射器， 并分别对它们进行了模态分析与铸造实验研究。

　　1超声波辐射器设计

　　铝合金超声波半连铸原理就是在铸造过程中将高强超声波导入熔体中。如图1所示，首先，超声波发生器将220V、50Hz的交流电转换成20kHz的高频电振荡信号;其次，压电陶瓷换能器将电信号转换成20kHz的超声频机械振动;之后，变幅杆将换能的微小振幅放大后经由辐射器直接传递到金属熔体中。在工业生产中，铝合金的浇注温度一般为700℃～680℃，这就要求与铝液直径接触的辐射器材料疲劳强度高，声阻抗率小，且耐腐蚀性要强。

　　1.1辐射器材料选择

　　根据辐射器材料的使用要求，我们选择了I型钛合金、Ⅱ型钛合金、高纯石墨(含碳量95%)三种材质。钛合金具有较小内耗系数、较小热膨胀系数、较高机械品质因数等材料特性[8];高纯石墨则具有耐高温性、良好的抗热震性。所选材料的主要参数见表1。

　　1.2辐射器尺寸设计与模态分析

　　压电陶瓷换能器的设计频率为20kHz，换能器作为振子推动变幅杆、辐射器振动，当辐射器的固有纵振频率与换能器的频率一致时，整个超声振动系统处于谐振，此时辐射器端面输出振幅最大，超声波对金属熔体的作用效果也最好。根据这一原则，由于辐射器形状为等截面圆柱形，因此可以参照变幅杆半波长谐振长度设计原理[8]，确定I型钛合金、Ⅱ型钛合金、石墨三种材料辐射器的端面直径d 均为50mm(取决于变幅杆端面直径)，长度尺寸l1、l2、l3计算公式如下[8]：