机械加工基础 12

超声场作用下Al-1%Si合金水平连铸50mm214578

3ⅠⅡⅢ120mm50mm40mm010509010040806mmmm6

9

(1)金属液,(2)保温炉,(3)波导杆,(4)换能器,(5)温度采集仪,(6)热电偶,(7)结晶器((8)冷却水,(9)牵引杆.水平连铸实验装置示意图

保温炉内熔体的温度分布保温炉内熔体温度变化示意图超声场对保温炉内熔体的搅拌作用使温度与成分场均匀。结论：功率超声对铸坯表面质量的影响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,下表面铸坯的表面粗糙度01236549108701020-10-20-30P=0WP=1000Wa)Lengthofmeasuredingot/mm012345789106010-10-20-3020P=0WP=1000Wb)Surfaceroughness/μmSurfaceroughness/μmLengthofmeasuredingot/mm超声频率为22.3kHz时Al-1%Si线坯铸态横截面宏观凝固组织(a)(c)(d)(b)(e)100µm（a）P=0,（b）P=400W,（c）P=600W,（d）P=800W,（e）P=1000W铸坯的微观组织照片25

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

mSi超声场对基体中析出Si相形貌的影响α（Al）Si相α（Al）Si相功率超声对α（Al）基体中析出Si相形貌的影响0W1000W

施加1000W超声后，基体中的Si相由条状变为颗粒状。结论：超声功率对Si元素微观偏析的影响Segregationrate,SRUltrasonicpower,P/W040060010008000204060801030507090功率超声对线坯力学性能的影响04006008001000115120125130135140

Ultrasonicpower，P/W040060080010002022242628bTensilestrength,σb/MPa

Ultrasonicpower，P/WElongation,δ/%拉伸断口SEM照片×1000aba)P=0b)P=1000W超声工具头对金属熔体的影响不锈钢（1Cr18Ni9Ti）不锈钢（1Cr18Ni9Ti）表面涂镀TiN膜陶瓷（Si3N4）富Fe相不锈钢材质工具头超声处理后Al-1%Si合金的组织照片浸入金属液的前端已被腐蚀不锈钢工具头表面照片表面涂镀TiN薄膜的不锈钢工具头表面照片浸入金属液端未浸入金属液端浸入金属液端未浸入金属液端陶瓷材质工具头表面照片结论：不锈钢材质工具头在金属液中腐蚀严重，造成金属液的污染；表面涂镀TiN薄膜后，腐蚀现象可消除，但薄膜易破坏；陶瓷材质的工具头，对金属液无污染，但能量的转换效率较低。功率超声在金属熔体中的作用机理1.超声空化效应形成条件：

液体介质

超声强度超过液体空化所需阈值空化泡崩溃的瞬间，泡内聚集的能量迅速释放出来，致使在空化发生的微小空间内产生瞬时高温、高压。理论计算和实测结果均表明，高温和高压的数量级分别达到104K和109Pa。声源负压瞬间正压瞬间超声空化过程示意图爆炸瞬间高温高压2.声流效应熔体中声流最大可能速度：熔体坩埚工具头熔体中的声流模式示意图声流的最大可能速度与变幅杆端面振幅以及超声波频率成正比关系。§5-4激光加工激光是可控的单色光，强度高，能量密度大。激光加工就是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。

1、激光基础知识激光是由受激辐射经光放大形成的光辐射一、激光加工的原理与特点原子从高能态自发地跃迁到低能态而发光的过程。如，日光灯、氙灯等光源，自发辐射出来的光的频率和波长大小不一，单色性和方向性很差。

自发辐射：当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，处于激发能级上的原子在这束光刺激下跃迁到较低能级，同时发出一束光，这束光与入射光有完全相同的特性，频率、相位、传播方向、偏振方向都完全一致，相当于把入射光放大了，此过程叫受激辐射。受激辐射：当脉冲氙灯照射红宝石时，出现受激辐射，产生激光。 激光的特性：

1）能量密度高例如比较亮度，电灯470Sb，太阳1.65105

Sb

，红宝石脉冲激光器1.651015

Sb

激光的产生：

2)单色性好3）相干性好4）方向性好 激光器种类：

固体激光器（红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石（YAG）等）

气体激光器（二氧化碳、氩气等）当激光照射到工件表面，光能被吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达1万度以上，使材料熔化甚至汽化。随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。2、激光加工原理激光加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。（1）激光器：电能转化光能，产生激光束（2）激光器电源：提供能量及控制功能（3）光学系统：聚焦系统和观察瞄准系统（4）机械系统：床身工作台以及机电系统3、激光加工机的组成（1）激光加工属于高能束流加工，其功率密度可达108-1010W/cm2，几乎可以加工任何金属与非金属材料；（2）加工速度快，热影响区小，无明显机械力。3、激光加工的特点（3）激光可通过玻璃等透明材料进行加工，如对真空管内部进行焊接等；（4）激光可通过聚焦，形成微米级的光斑，可用于精密微细加工；（5）加工精度高。1、激光表面处理当激光的功率密度达103-105W/cm2时，便可实现对铸铁、中碳钢、甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.7-1.1mm，硬度比常规淬火约高20%，变形小。二、激光加工的应用范围2、激光焊接当激光的功率密度达105-107W/cm2时，照射时间约1/100秒左右，即可进行激光焊接，无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域‘热熔’在一起即可。过程迅速，热影响区小，焊缝质量高。既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可以透过玻璃进行焊接。脉冲输出的红宝石激光器和钕玻璃激光器适合于点焊；二氧化碳激光器和YAG激光器适合于缝焊。既可以切割金属材料，也可以切割石英、陶瓷等非金属材料，还能透过玻璃切割真空管内灯丝，这是任何机械加工