NAGRZEWANIE ULTRADŹWIĘKOWE

Nagrzewanie ultradźwiękowe jest to nagrzewanie elektryczne, polegające na wykorzys­taniu zamienianych w ciepło drgań mechanicznych powstają­cych w wyniku absorpcji energii ultradźwiękowej.

Fale ultradźwiękowe (ultradźwięki) są to fale sprężyste o częstotliwo­ściach od 16 kHz do l GHz. Ich transmisja polega na rozprzestrzenianiu się zabu­rzeń naprężeń lub ciśnień i zwią
zanych z tymi zjawiskami drgań me­cha­nicznych cząstek ośrodka. Ultra­dźwięki rozchodzą się zarówno w ga­zach, jak i w cieczach oraz ciałach stałych.

Energię przenoszoną przez falę
w określonym czasie nazywa się mocą aku­s­tyczną. Energię przypadającą na jednostkę objętości ośrodka na­zywa się gęstością ener­gii akustycznej
, a energię przechodzącą przez jed­nostkę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali - gęstością strumienia energii akustycznej, jej wartość średnią w czasie - natężeniem fali aku­stycznej I i wyraża się zwykle w W/cm². Najczęściej źródła emitują fale ul­tradźwiękowe sinusoidalnie zmienne i wtedy gęstość energii akus­tycznej wyraża się zależ­nością

przy czym:
- gęstość ośrodka,
- pulsacja,
- amplituda drgań cząstek ośrodka. Z kolei natężenie fali akustycznej

Natężenie fali akustycznej jest wyróżnikiem pozwalającym klasyfikować wytwarzane w praktyce pola dźwiękowe. Dzielą się one na trzy kategorie:

— pola o małym natężeniu - do l W/cm²,

— pola o średnim natężeniu - l ÷ 10 W/cm²,

— pola o dużym natężeniu - 10 ÷ 1000 W/cm².

Natężenie normalnej mowy ludzkiej w odległości 2 m od źródła jest równe 5,5·10^-11 W/cm², natężenie dźwięku zaś przy wystrzale armatnim w odległo­ści 10 m od źródła wynosi 3.2·10^-3 W/cm². Wynika stąd, że ultradźwięki w porównaniu z dźwiękami słyszalnymi stanowią potężne narzędzie, które może być wykorzystane do celów techno­logicznych, w tym także do takich, w których wydzielające się pod ich wpływem ciepło jest czynnikiem pożą­danym.

Istota nagrzewania ultradźwiękowego polega na konwersji energii elek­trycznej w energię ultradźwiękową, która w określonych warunkach za­mieniana jest z kolei na ciepło. Ma to miejsce przy tzw. czynnym działaniu ultradźwięków.

Do wytwarzania ultradźwięków wykorzystuje się kilka zjawisk elektro- i magnetomechanicznych, w których energia elektryczna lub magnetyczna zamieniana jest na mechaniczną energię drgań i następnie akustyczną wy­promieniowaną do obszaru na­grzewanego. Przetworniki, których działanie polega na wykorzystaniu tych zjawisk, są odwracalne, co oznacza, że mogą przetwarzać energię w obu kierunkach, a więc także drgania mechaniczne w energię elektryczną bądź magnetyczną. Największe znaczenie użytkowe mają przetworniki piezoelektryczne, elektrostrykcyjne i magnetostryk­cyjne.

Te ostatnie mają największe znaczenie. Wykorzystuje się w nich możliwość pobudza­nia do drgań za pomocą zmiennego pola magnetycznego ciał czyn­nych magnetomechanicznie. Zjawisko to zwane jest magnetostrykcją i ma charakter odwracalny. Najprostszy przetwornik magnetostrykcyjny ma kształt pręta i umieszczony jest w cewce, za pomocą której można na niego działać polem magnetycz­nym. Pole magnetyczne powstające pod wpływem prądu w cewce powoduje skracanie i wydłużania pręta.

Właściwości magnetostrykcyjne wykazuje większość ferromagnetyków, a zwła­szcza Fe, Ni, Co i ich stopy oraz grupa związków ałunowych, zwanych ferrytami. Ostat­nio dużą popularność zdobyły stopy aluminium z ferroma­gnetykami, np. Al-Fe (alfery) oraz Al-Co-Fe (alcofery).

Rysunek 13.2 przedstawia jeden z najbardziej rozpowszech­nionych prze­tworników magnetostrykcyjnych. Podstawowymi jego elementami są: rdzeń ferromagnetyczny wykonany z pakietu cienkich blach o kształcie zbliżonym do rdzenia transformatora oraz uzwojenie. Jest on zamocowany w środku swojej wysokości, co określa częstotliwości własne jego drgań me­chanicznych. Uzwojenie zasilane jest prą­dem przemiennym oraz prądem stałym w celu uzyskania wstępnej polaryzacji.

Przetwornik ultradźwiękowy stanowi podstawowy element wibratora na­zywane­go często głowicą drgającą, która łącznie z elektrycznym układem zasilającym oraz układami sterującymi i zabezpieczającymi tworzy elektro­termiczne urządzenie ultra­dźwiękowe. Jest to element nieliniowy, a prąd w jego uzwojeniu zawiera szereg har­monicznych.

Oprócz przetwornika ultradźwiękowego wibrator może zawierać koncen­trator energii i sonotrodę (jest tak zawsze przy zgrzewaniu). Koncentrato­rem energii jest nazywany element przeznaczony do zwiększania natężenia ultradźwięku.

W wibratorach z przetwornikami magnetostrykcyjnymi rolę koncentratora pełni transfor­mator ultradźwiękowy, zwany też transformatorem ampli­tudy. Rysunek 13.3 przedstawia przykłady takich elementów z rozkładami amplitud drgań i naprężeń. Umożliwiają one nawet wielokrotne zwiększe­nie wartości amplitudy.

Transformatory ultradźwiękowe są to elementy o ściśle określonych kształ­tach, mocowane do roboczej powierzchni czołowej przetwornika (rys. 13.4). Długość transfor­matora oraz miejsce jego mocowania są zależne od długo­ści fali. Mają one zazwyczaj postać zwężających się prętów.

Rys. 13.4. Przetwornik magnetostrykcyjny z transformatorem ultradźwię­kowym oraz zmiany amplitudy drgań w osi tego układu

1 - płaski przetwornik magnetostrykcyjny, 2 - transformator ultra­dźwiękowy, 3 - kierunek drgań, 4 - sonotroda, λ - długość fali,
- am­plituda drgań, x - odległość

Swobodna czołowa powierzchnia transformatora może jednocześnie służyć do mocowania elementu obróbczego, np. sonotrody. Sonotroda jest elemen­tem stykającym się bezpośrednio z nagrzewanym elementem i przenoszą­cym do niego drgania ultradźwięko­we.

Przetworniki magnetostrykcyjne, najczęściej stosowane w układach elek­troter­micznych, zasila się ze źródeł prądu przemiennego, którymi w no­wych urządzeniach są prawie wyłącznie tranzystorowe przemienniki często­tliwości, a w starszych urzą­dzeniach - generatory lampowe oraz układy lampowo-tranzystorowe. W zasila­czach tranzystorowych stosuje się układy prostownikowe beztransformatorowe przy zasi­laniu z sieci jedno- bądź trójfazowej.

Rys. 13.5. Zgrzewarka ultradźwiękowa do tworzyw sztucznych

1 - przekształtnik częstotliwości, 2 - regulator częstotliwości, 3 - za­silanie, 4 - źródło prądu stałego polaryzującego, 5 - przekaźnik czasu zgrzewania, 6 - sprzężenie zwrotne typu elektro­mechanicznego,

7 - przetwornik magnetostrykcyjny, 8 - transformator ultradźwię­kowy z sono-trodą, 9 - elementy zgrzewane, 10 - podstawa (kowa­dełko), 11 - korpus prasy,
- amplituda drgali,
- czas

Spośród licznych zastosowań ultradźwięków ich działania termiczne wyko­rzystuje się w dwóch grupach technologii: w zgrzewaniu oraz w procesach sonochemicznych.

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest to proces, w którym drgania mechaniczne, współdzia­łające z dociskiem statycznym, umożliwiają wykonanie złącza między dwiema łączonymi po­wierzchniami w temperaturze znacznie niższej niż punkt topienia łączo­nych materiałów. Może to być proces zachodzący wyłącznie dzięki energii ultradźwię­kowej bądź skojarzony z dodatkowym źródłem ciepła innego rodzaju. Częstotliwości fal ultradźwiękowych stoso­wa­nych przy zgrzewaniu zawierają się w przedziale 15 ÷ 160 kHz.

Moc urządzeń do zgrzewania wynosi najczęściej od kilku watów do kilku kilowatów, przy maksymalnej wartości 40 kW. Wartość amplitudy drgań mieści się w przedziale l ÷ 100 μm, przy czym w procesach mikrozgrzewa­nia powinna być ona ograniczona do l ÷ 3 μm, przy jednoczesnym zwięk­szeniu siły dociskającej.

Zgrzewanie ultradźwiękowe stosowane jest m.in. do łączenia Al, Cu i ich sto­pów, stali typu 18-8, Mo, Nb, Ta, V i ich stopów, stali niskowęglowych, Ti, Zr, Be, spieczonego proszku tlenku glinu umocnionego torem niklu, folii i drutów pokrytych powłokami ceramicznymi, szkłem lub krzemem. Jeśli chodzi o tworzywa sztuczne, to technika ta znajduje zastosowanie zwłaszcza przy spajaniu materiałów charakteryzują­cych się małymi wartościami efek­tywnego współczynnika strat dielektrycznych, a więc gdy nieracjonalne staje się stosowanie do ich zgrzewania metody pojemnościowej.

Duże znaczenie metoda ta ma w przemyśle półprzewodnikowym do spaja­nia wyprowadzeń drutowych (o średnicy od 10 μm oraz taśmowych o gru­bości 70 ÷ 100 μm ze złota, aluminium i innych materiałów). Połączenia ta­kie mają małą rezystancję przejś­cia, dużą wytrzymałość mechaniczną i od­porność na wibracje. Procent braków przy tym sposobie wykonywania po­łączeń jest mniejszy aniżeli przy metodzie termokompresji.

Technika ta jest stosowana do wykonywania wyprowadzeń w układach scalonych, hyb­rydowych i tranzystorach, do kapslowania tranzystorów i diod. Stosuje się ja w przemyś­le elektrotechnicznym do produkcji kondensatorów, termoelementów oraz do produkcji mikrosilników (łączenie przewodów z komutatorem).

Drugą grupą technologii termicznych bazujących na ultradźwiękach są procesy sonochemiczne. Sonochemia jest to dziedzina zajmująca się reakc­jami chemicznymi zachodzącymi w polu ultradźwiękowym. Rozróżnia się cztery rodzaje takich reakcji:

— przyspieszanie reakcji konwencjonalnych,

— procesy redukcji w roztworach wodnych,

— degradacja polimerów,

— rozpad i reakcje w rozpuszczalnikach organicznych.

6

Rys. 13.2. Płaski przetwor­nik magnetostryk­cyjny

1 - rdzeń magnetyczny,

2 - uzwojenie, 3 - kierunek drgań, 4 - miejsce mocowa­nia prze­twornika

---