前言：超声波是指频率≥20Hz的声波，研究表明，超声波的穿透力较强，可透过物体表面对内部状态及相关参数进行获取，此外，超声波还可凭借自身所产生超声变更材料既有状态，在此期间发挥重要作用的，便是本文所讨论的功率超声振动。通过实践可知，功率超声可使产品质量得到提高，同时还具有优化生产效率和控制生产成本的效果，对其进行研究很有必要。
1什么是功率超声振动
现阶段，功率超声的产生途径主要有两个，分别是电声换能器、流体动力，对金属材料进行加工期间所使用方法为电声换能，相关装置可被拆分成变幅杆、工具头、发生器和换能器几部分。其中，变幅杆主要负责对换能器所提供超声振幅进行放大，确保超声可顺利成形[1]。发生器的核心功能是对工频交流电进行转换，并将转换所得振荡信号传递至工具头，促使工具头做往复振动。换能器负责将振荡信号变更为机械振动，按照转换原理可将其分成压电换能器、磁致换能器，目前使用频率较高的为压电换能器，这点要有所了解。
2金属成形中功率超声振动的运用
功率超声振动具有高效、环保以及节能等优势，现已在生物工程、机械加工等领域得到了大量运用，另外，对液态金属进行处理、对金属进行焊接期间运用该技术，通常可取得事半功倍的效果。
2.1液态成形
将超声振动用于液态成形的方式有两种，一是直接作用于金属熔体，二是经由容器底部间接作用于熔体。实践经验表明，变幅杆和熔体接触的优点在于控制难度小，同时该方式对负载所提出要求也相对较低，另外，垂直施振对声能进行传递的效果也更为理想，现已得到大范围推广。
研究证实，向金属液内导入超声波，可使液体所含杂质、气体得到彻底清除，在避免偏析问题出现的前提下，使凝固组织得到细化，将该方法用于黑色金属或是有色金属加工是大势所趋。此外，对高纯铝进行初期器件运用超声波，能够改善晶粒细化程度，使材料所具有拉伸强度及整体硬度得到显著提高。
2.2半固态成形
作为介于液态金属、固态金属间的一种形态，半固态金属具有十分广泛的应用范围。为了解超声振动给半固态成形产生的影响，有关人员设计了以下实验：将某种半固态金属分成①组、②组（每组质量相同），其中，①组运用超声振动法，②组则不施加振动。实验结果表明，经过150s的振动后，①组能够获得符合要求的成品，成品直径在80μm左右，对应形状系数可达到0.5以上[2]。无论是加工速度、还是成品质量均更符合预期。由此可见，将超声振动用于半固态金属加工的作用机理较为复杂，但具有易于操作、可降低加工成本等优势，对该技术加以运用，可确保熔体所含气体被尽数清除，通过对杂质占比进行降低的方式，使熔体更加均匀，成品质量自然可得到保证。但要明确一点，即超声波进入熔体后会快速衰减，其所能到达的深度十分有限。
2.3塑性成形
塑性加工强调以不破坏金属材料质量为前提，使其出现明显的塑性形变。如果在拉伸金属的过程中，沿拉伸方向施加一定的超声振动，将有极大概率出现张应力减小的情况，加工难度也会随之降低。研究表明，基于超声振动对金属进行塑性变形，一方面能够减轻设备磨损程度，使变形更加均匀，另一方面可增强材料既有成形能力，在保证材料质量与精度的前提下，最大程度减少加工成本。
对塑性加工所用技术进行分析不难看出，现有技术中最具有代表性的为拉拔技术，超声拉拔多被用于成形难度大的金属进行加工，运用该技术能够有效减少拉拔道次，并在减小拉拔力的同时使截面延伸性得到改善，加工所得成品往往更加均匀。无论是对直径达到60mm的管件、还是对皮下注射管进行制作，均可以运用该技术，确保管径厚度由提高到约。运用该技术对经过退火处理的铜线进行加工，可使拉丝力减少约37％，其原理如下：通过振动的方式减小工具之间所形成摩擦系数，促使矢量方向发生改变，同时对加工所需纵向力进行减小。对材料而言，超声振动可直接作用于变形原子，确保原子尽快回归正常位置，随着晶格变形速度减慢，材料塑性将得到显著提高。另外，超声振动能够促使金属原子贡献大量自由电子，随着电子云密度增加，电子与正电子间所存在静电作用将有所加强，加之受金属键影响，原子所具有结合力较以往有所提高，由于外力作用而出现的断裂问题得到彻底解决，成品塑性可最大程度接近预期。
2.4焊接成形
将功率超声用于金属焊接的方法有两个，一是直接焊接，即通过振动所形成热效应、机械效应连接焊件，二是间接焊接，即借助超声振动对焊接速度进行提升，同时对焊接质量进行改善。其中，使用频率较高的方法为直接焊接，该方法具有热影响范围小等优点，可被用来对异种金属进行焊接，例如，将金属箔片或是细丝固定在金属板表面，但由于电源功率有限，要想对该方法加以运用，关键是要对焊件厚度进行严格控制。
间接焊接的使用场景主要有以下几类：首先是将超声振动用于电渣焊、电弧焊，可使焊区组织得到细化。其次是将超声振动用于真空扩散焊，对氧化层进行去除，加快活泼金属被氧化的速度。最后是将超声振动用于钎焊，振动所形成弹性可经由表面空穴对金属氧化膜进行去除，使界面更加湿润，其中，湿润面积与超声能量呈正相关。
结束语：近几年，金属成形技术的运用范围较以往有所扩大，在现有成形技术中，表现最为突出的技术为功率超声振动，该项技术既不会给环境造成污染，还具有高效、耗能少等优点，未来应加大对该技术进行研究的力度，确保其优势在液态成形、半固态成形还有塑性成形等领域得到更充分的发挥。
参考文献：
[1]何盼盼,黄模佳,苗玉洁,等.基于Hosford屈服函数的横观各向同性金属材料拉深成形塑性及变形分析[J].塑性工程学报,2020,27(02):102-107.
[2]王建强,周苏枫,马君峰,等.飞机典型金属材料振动疲劳历程中模态阻尼比获取方法研究[J].实验力学,2019,33(02):318-324.
作者简介:唐东东（1987-），男，本科，工程师，工艺工程师，从事冷轧工艺研究和产品开发工作。
