機械加工基礎(chǔ) 12

超聲場作用下Al-1%Si合金水平連鑄50mm214578

3ⅠⅡⅢ120mm50mm40mm010509010040806mmmm6

9

(1)金屬液,(2)保溫爐,(3)波導桿,(4)換能器,(5)溫度采集儀,(6)熱電偶,(7)結(jié)晶器((8)冷卻水,(9)牽引桿.水平連鑄實驗裝置示意圖

保溫爐內(nèi)熔體的溫度分布保溫爐內(nèi)熔體溫度變化示意圖超聲場對保溫爐內(nèi)熔體的攪拌作用使溫度與成分場均勻。結(jié)論：功率超聲對鑄坯表面質(zhì)量的影響a)b)c)d)a)P=0W,上表面;b)P=0W,下表面c)P=1000W,上表面;d)P=1000W,下表面鑄坯的表面粗糙度01236549108701020-10-20-30P=0WP=1000Wa)Lengthofmeasuredingot/mm012345789106010-10-20-3020P=0WP=1000Wb)Surfaceroughness/μmSurfaceroughness/μmLengthofmeasuredingot/mm超聲頻率為22.3kHz時Al-1%Si線坯鑄態(tài)橫截面宏觀凝固組織(a)(c)(d)(b)(e)100μm（a）P=0,（b）P=400W,（c）P=600W,（d）P=800W,（e）P=1000W鑄坯的微觀組織照片25

m(a)P=0WSi(b)P=1000W25

mSi超聲場對基體中析出Si相形貌的影響α（Al）Si相α（Al）Si相功率超聲對α（Al）基體中析出Si相形貌的影響0W1000W

施加1000W超聲后，基體中的Si相由條狀變?yōu)轭w粒狀。結(jié)論：超聲功率對Si元素微觀偏析的影響Segregationrate,SRUltrasonicpower,P/W040060010008000204060801030507090功率超聲對線坯力學性能的影響04006008001000115120125130135140

Ultrasonicpower，P/W040060080010002022242628bTensilestrength,σb/MPa

Ultrasonicpower，P/WElongation,δ/%拉伸斷口SEM照片×1000aba)P=0b)P=1000W超聲工具頭對金屬熔體的影響不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）表面涂鍍TiN膜陶瓷（Si3N4）富Fe相不銹鋼材質(zhì)工具頭超聲處理后Al-1%Si合金的組織照片浸入金屬液的前端已被腐蝕不銹鋼工具頭表面照片表面涂鍍TiN薄膜的不銹鋼工具頭表面照片浸入金屬液端未浸入金屬液端浸入金屬液端未浸入金屬液端陶瓷材質(zhì)工具頭表面照片結(jié)論：不銹鋼材質(zhì)工具頭在金屬液中腐蝕嚴重，造成金屬液的污染；表面涂鍍TiN薄膜后，腐蝕現(xiàn)象可消除，但薄膜易破壞；陶瓷材質(zhì)的工具頭，對金屬液無污染，但能量的轉(zhuǎn)換效率較低。功率超聲在金屬熔體中的作用機理1.超聲空化效應形成條件：

液體介質(zhì)

超聲強度超過液體空化所需閾值空化泡崩潰的瞬間，泡內(nèi)聚集的能量迅速釋放出來，致使在空化發(fā)生的微小空間內(nèi)產(chǎn)生瞬時高溫、高壓。理論計算和實測結(jié)果均表明，高溫和高壓的數(shù)量級分別達到104K和109Pa。聲源負壓瞬間正壓瞬間超聲空化過程示意圖爆炸瞬間高溫高壓2.聲流效應熔體中聲流最大可能速度：熔體坩堝工具頭熔體中的聲流模式示意圖聲流的最大可能速度與變幅桿端面振幅以及超聲波頻率成正比關(guān)系。§5-4激光加工激光是可控的單色光，強度高，能量密度大。激光加工就是利用光能經(jīng)過透鏡聚焦后達到很高的能量密度，依靠光熱效應來加工各種材料。

1、激光基礎(chǔ)知識激光是由受激輻射經(jīng)光放大形成的光輻射一、激光加工的原理與特點原子從高能態(tài)自發(fā)地躍遷到低能態(tài)而發(fā)光的過程。如，日光燈、氙燈等光源，自發(fā)輻射出來的光的頻率和波長大小不一，單色性和方向性很差。

自發(fā)輻射：當一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài)原子的系統(tǒng)中，處于激發(fā)能級上的原子在這束光刺激下躍遷到較低能級，同時發(fā)出一束光，這束光與入射光有完全相同的特性，頻率、相位、傳播方向、偏振方向都完全一致，相當于把入射光放大了，此過程叫受激輻射。受激輻射：當脈沖氙燈照射紅寶石時，出現(xiàn)受激輻射，產(chǎn)生激光。 激光的特性：

1）能量密度高例如比較亮度，電燈470Sb，太陽1.65105

Sb

，紅寶石脈沖激光器1.651015

Sb

激光的產(chǎn)生：

2)單色性好3）相干性好4）方向性好 激光器種類：

固體激光器（紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石（YAG）等）

氣體激光器（二氧化碳、氬氣等）當激光照射到工件表面，光能被吸收并迅速轉(zhuǎn)化為熱能，光斑區(qū)域的溫度可達1萬度以上，使材料熔化甚至汽化。隨著激光能量的不斷吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸汽迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物爆炸式地高速噴射出來，在工件內(nèi)部形成方向性很強的沖擊波。2、激光加工原理激光加工是工件在光熱效應下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過程。（1）激光器：電能轉(zhuǎn)化光能，產(chǎn)生激光束（2）激光器電源：提供能量及控制功能（3）光學系統(tǒng)：聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準系統(tǒng)（4）機械系統(tǒng)：床身工作臺以及機電系統(tǒng)3、激光加工機的組成（1）激光加工屬于高能束流加工，其功率密度可達108-1010W/cm2，幾乎可以加工任何金屬與非金屬材料；（2）加工速度快，熱影響區(qū)小，無明顯機械力。3、激光加工的特點（3）激光可通過玻璃等透明材料進行加工，如對真空管內(nèi)部進行焊接等；（4）激光可通過聚焦，形成微米級的光斑，可用于精密微細加工；（5）加工精度高。1、激光表面處理當激光的功率密度達103-105W/cm2時，便可實現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼、甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7-1.1mm，硬度比常規(guī)淬火約高20%，變形小。二、激光加工的應用范圍2、激光焊接當激光的功率密度達105-107W/cm2時，照射時間約1/100秒左右，即可進行激光焊接，無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域‘熱熔’在一起即可。過程迅速，熱影響區(qū)小，焊縫質(zhì)量高。既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可以透過玻璃進行焊接。脈沖輸出的紅寶石激光器和釹玻璃激光器適合于點焊；二氧化碳激光器和YAG激光器適合于縫焊。既可以切割金屬材料，也可以切割石英、陶瓷等非金屬材料，還能透過玻璃切割真空管內(nèi)燈絲，這是任何機械加工