1tom352

13. ELEKTROTERMIA 706

ultradźwiękowych odbywa się w przetwornikach ultradźwiękowych trojakiego rodzaju: piezoelektrycznych, elektrostrykcyjnych i magnetostrykcyjnych.

W elektrotermicznych urządzeniach ultradźwiękowych najczęściej wykorzystuje się przetworniki magnetostrykcyjne, których działanie polega na odkształceniu mechanicznym ferromagnetyka (żelazo, kobalt, ich stopy, ferryty) pod wpływem pola magnetycznego. Odkształcenia tych materiałów są rzędu milionowych części długości przetwornika, którego kształt jest widoczny na rys. 13.45a. Wystarcza to do wytwarzania fali ultradźwiękowej, zwłaszcza wtedy, gdy częstotliwość prądu w uzwojeniu przetwornika i częstotliwość jego własnych drgań mechanicznych są takie same. Uzwojenia są zasilane z przemiennika tyrystorowego lub tranzystorowego (prostownik, falownik i układ

Rys. 13.45. Schemat urządzenia ultradźwiękowego: a) z przetwornikiem magnetostrykcyjnym; b) z przetwornikiem elektrostrykcyjnym; c) przebieg drgań 1 — przetwornik, 2 — transformator,

3 - masa końcowa, 4 głowica ultradźwiękowa, 5 — sonotroda,

6    generator ultradźwiękowy,

7    — wentylator

—;    3    3

C cd o es C

^ -t⁵ ą i?i    h Z S Nj >■ fi

0

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

. 13.46. Podatność na łączenie

X

ultradźwiękami różnych materiałów

At+ stopy Be+stopy Cu, mosiądz Ge /u

stal,Fe Mg+stopy Mo+stopy Ni+ stopy Pd+sfopg Pt + Stopy Si

Ag+stopy Ta+stopy Sn

Ti+ stopy Nb+stopy W+sfopy U

Zr+s topy V

szkło dopasowujący) i jednocześnie ze źródła prądu stałego w celu uzyskania wstępnej polaryzacji przetwornika. Prostownik niesterowany jest łączony z siecią beztransfor-matorowo. Wymaganą separację galwaniczną od sieci przejmuje transformator wyjściowy, którego uzwojenie wtórne wykorzystuje się do dopasowania częstotliwości i impedancji do wibratora nazywanego często głowicą drgającą. Podstawowym elementem wibratora jest przetwornik, a ponadto w jego skład wchodzą koncentrator energii i sonotroda. Koncentrator służy do zwiększenia natężenia ultradźwięku, a w wibratorach z przetwornikami magnetostrykcyjnymi jest nim tzw. transformator ultradźwiękowy (element o ściśle określonym kształcie przymocowany do powierzchni czołowej przetwornika (rys. 13.45)). Sonotroda jest elementem wibratora stykającym się bezpośrednio z nagrzewanym obszarem wsadu i przenoszącym do niego drgania ultradźwiękowe. Wykonana z materiału trudno ścieralnego, np. tytanu, ma powierzchnię o dużej gładkości i jest zintegrowana z transformatorem ultradźwiękowym.

Technologią, w której wykorzystuje się cieplne efekty ultradźwiękowe jest łączenie (zgrzewanie, spawanie) metali, tworzyw sztucznych, metali z tworzywami sztucznymi, szkłem, ceramiką i to głównie takich, które trudno łączyć innymi metodami. Podczas łączenia energia doprowadzana za pośrednictwem fal ultradźwiękowych wywołuje tarcic w otoczeniu dociskanych siłą zewnętrzną powierzchni łączonych elementów. Powoduje to wzrost temperatury, deformacje plastyczne, dyfuzję, rekrystalizację, topienie i inne zjawiska w nagrzewanym obszarze i w efekcie trwałe połączenie elementów.

Najczęściej technologię tę stosuje się do łączenia elementów z różnego rodzajów tworzyw sztucznych, szczególnie foliowych i cienkościennych. Korzystne efekty uzyskuje się także przy łączeniu elementów metalowych, zwłaszcza folii i blach aluminiowych o grubości mniejszej niż 1 mm z elementami masywnymi (rys. 13.46).

Moce elektrotermicznych urządzeń ultradźwiękowych nie przekraczają na ogół 40 kW, przy czym najczęściej są to obiekty kilkukilowatowe. Ważnym warunkiem poprawności ich działania jest stabilizacja częstotliwości na poziomie częstotliwości rezonansowej. Uzyskiwana wówczas sprawność, rozumiana jako iloraz mocy wyjściowej źródła do całkowitej mocy pobieranej z sieci, jest rzędu 50-^60%.

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

a — dyfuzyjność cieplna, m²/s A — powierzchnia, m² b — szerokość taśmy grzejnej, m c — ciepło właściwe, W-s/(kg-K.) d średnica, m

D — średnica zewnętrzna skrętki, m e — zużycie właściwe energii, kW-h/Mg E — natężenie pola elektrycznego, V/m /    — częstotliwość, Hz

F — współczynnik kształtu g wydajność urządzenia, Mg/h g — grubość, m h — wysokość, m H — histercza regulatora, K H szerokość fali, m H natężenie pola magnetycznego, A/m /    — prąd, A

J — gęstość prądu, A/m² K, współczynnik wzmocnienia l — długość, m L — średni czas opóźnienia, s m — masa, kg

n — liczba zwojów wzbudnika

N zastępcza stała czasowa, s Nu — kryterium Nussclta p — gęstość powierzchniowa mocy, W/m² p_v — gęstość objętościowa mocy, W/m³ P — moc czynna, moc cieplna. W O — ciepło, W-s Q — moc bierna, var R — rezystancja, fi s — szerokość, m s — skok fali, skok skrętki, m s_w - względny skok skrętki S moc pozorna, V-A r - czas, s

T — temperatura bezwzględna, K U — napięcie, V V - objętość, m³ W — opór cieplny, K/W X — reaktancja, Q Z impcdancja, O

a — współczynnik przejmowania ciepła, W/(m²K) y — konduktywność, S/m 5 wymiar charakterystyczny, m 5    — głębokość wnikania, m

45*