超聲技術的應用現狀及其發展趨勢分析

□顧 勇 徐 立 賈本紅 劉逸凱

超聲學是現代聲學的一個重要分支，主要是研究超聲在各個物質中產生、傳播、接受及相互作用、產生的各種效應和應用[1]。從頻率涉范圍劃分，超聲是高于可聽聲頻的頻率20kHz的聲波。超聲技術是利用超聲波的產生、傳播、接受的過程中產生的物理效應達到期望效果的技術。利用超聲波使物體或物性變化的功率應用也稱功率超聲；用超聲波得到若干信息，獲得通信應用，也稱檢測超聲；從超聲波的功率而言，功率超聲要遠大于檢測超聲[2]。隨著超聲效應理論研究與應用研究發展，超聲技術獲得廣泛應用，比如醫學、化工、工業等行業。超聲技術在工業應用中，在產品質量、降低成本、提高效率等方面具很大潛力與優勢，已經成熱點通用技術之一。

一、超聲效應

超聲波在液體傳播過程中，在超聲波作用下，液體中氣泡迅速增長，然后又迅速破滅，從而產生強大的沖擊波，伴隨氣泡崩潰的周圍產生上很大氣壓的壓力，整個過程還有局部高溫、放電、發光等現象，這就是“超聲空化”效應。超聲清洗就利用空化效應實現對產品清洗或清理。

超聲波在媒質傳播過程中，由于媒質吸收和內摩擦損耗，將傳遞振動能量轉為熱能，從而使局部溫度升高，這就是超聲熱效應。超聲波焊接是利用超聲波傳遞到兩個需焊接的物體表面時產生的熱效應，在配合外部壓力作用下，使兩個物體表面相互摩擦而形成連接。

超聲波在傳遞至媒質從而引起媒質高頻振動，在切削時，超聲振動加速度很大，可對脆性材料進行精密加工，這就是機械作用之一。超聲加工就是利用超聲機械作用對產品進行加工，該方法在特種加工領域有較大應用前景。

超聲波在傳播過程中與媒介相互作用使媒質的一些物理、化學或狀態發生改變,或者使這種過程加快,從而產生一系列效應[3]。超聲技術正是利用這些效應來實現工程應用的技術。

二、超聲波技術在工業中的應用

(一)超聲波清洗技術的應用。超聲波清洗技術是利用空化效應，在液體能浸入且能產生空化的地方可以有清洗作用，所以可對復雜形狀零件清洗，比如精密零件的空腔、窄縫、深孔、細孔等[4]。在機械加工行業中采用超聲清洗去除油污、銹、碎屑、磨料等，具體產品如油泵嘴深孔、盲孔、光學鏡片、刃具量具鍍膜前清洗等。

超聲波清洗效果主要是由空化作用決定,所以要得到良好的清洗效果必須選擇適當的聲學參數[5]和清洗液[6]。隨著超聲清洗技術研究的深入對于在不同的條件下,各種因素對超聲清洗效果的影響，有些已有研究結果并給出解決方案。比如通過改變換能器的布陣方式改善了清洗槽內水平方向和深度方向的聲場[7]；通過不同溫度、時間分析對清洗效率的影響,采用正交實驗法得出了不同清洗槽頻率和功率的最佳分布。隨著超聲清洗技術的成熟，應用場景將會變得更加豐富。

超聲波清洗技術在傳統機械加工領域有著廣泛應用，如汽車領域的精密鍛件發電機爪極，高壓共軌緊密鍛件及其它精密鍛件等零件需要清洗掉附著的機油和其它污物，采用超聲清洗可較好滿足零件清洗而不損傷零件的要求。在閥體制造領域，有閥體零件、細長管配件與復雜形狀零件需要清洗，而超聲由于能夠穿透細小窄縫和小孔,所以能很好滿足這類零件的清洗要求。在消費電子對零件的毛刺和光潔度較高要求，如手機殼，高精密加工后殘留的微小毛刺，毛刺肉眼可見或顯微鏡下可見，這樣的毛刺在裝配或使用過程中可能會脫落影響產品的品質，需要去除，采用高能量密度超聲清洗技術，可以解決。

(二)超聲焊接技術的應用。超聲焊接技術是利用焊接工具頭高頻振動,在壓力的作用下將振動能量傳遞給待焊工件表面，使工件之間產生劇烈的摩擦,從而實現有效連接。超聲焊接無需焊材，無需加熱，具有快速、節能、環保等諸多優點。目前金屬超聲焊機技術主要應用在銅、鋁、鎳之間同種或異種材料的焊接。

超聲焊接效果的關鍵參數焊接工具頭的工作振幅，根據不同材料的焊接要求，通過配置不同變幅桿及焊接工具頭來改變焊頭的工作振幅，達到滿意焊接效果。焊接工作頻率主要由超聲波換能器、變幅桿、焊頭組合在一起機械共振形成的頻率。超聲波電源發出頻率與機械共振頻率接近或一致，焊頭處于諧振狀態，使工具頭達到理想的振幅輸出。在焊接過程中，焊接壓力載荷變化及振動引起零件溫度上升會影響振諧振頻率，超聲波電源需要能夠補償在焊接過程中出現的工作狀態改變導致頻率波動，讓焊接工具頭處于諧振狀態，使工具輸出穩定的振幅，從而保證焊接質量。

超聲波焊接技術在新能汽車、光伏、消費電子等行業應用廣泛。常見金屬超聲焊接應用形式有點焊、滾焊、切斷密封焊，比如導線與端子采用點焊，光伏銅箔滾焊，壓縮機銅管切斷密封焊。相比釬焊、電阻焊等傳統焊接方法，超聲焊接的產品精度高、結合強度高、導電性能好、表面質量好，采用超聲波焊接可提升產品綜合性能，在消費電子與鋰電池行業，已經是常見的焊接方法。

(三)超聲加工技術的應用。超聲加工技術主要是利用機械效應，超聲在傳遞過程中引起介質點壓縮與延伸運動，由于加速度很大，可破壞介質，這便是機械效應。將超聲能量施加在刀具上，可降低刀具切削力，獲得良好加工精度。

超聲加工技術主要應用在超聲切削、超聲鉆孔、超聲研磨加工等。由于超聲加工技術的特點，在脆硬的難加工材料加工方面有很大優勢，比如金剛石穿孔，采用磨料懸浮液超聲加工方法可完成。傳統切削裝置增加超聲振動系統，將超聲能量施加到切削工具上，可增加系統剛度，減少切削變形程度，獲得較好加工質量，延長刀具壽命。在相同磨削條件下，超聲振動切脆性材料去除率比普通磨削方法高1倍以上。隨著技術的發展，新開發的新材料不斷出現，同時對產品質量的要求不斷提高,超聲加工技術，將會獲得有更廣應用領域，成為一種常用的加工方法。

三、超聲波技術的發展趨勢

超聲波技術在制造業有著廣泛的應用,隨著超聲技術的應用研究不斷深入，新的應用場景不斷出現。比如傳統超聲清洗在汽車、加工等領域有廣泛的應用。而隨著我國芯片產業的快速發展,超高頻超聲波清洗在半導體行業有了大量需求；超聲金屬焊接涌現出大截面焊接需求，比如新能源汽車匯流導線的焊接，需要大功率超聲焊接設備，目前該類設備的品牌大部分被國外壟斷；超聲加工技術發展趨勢之一是與其它傳統技術復合，形成新的加工方法，如超聲復合焊接、超聲電解復合加工等，目前國內學者正在開展相關工藝和復合加工方法的研究。

綜上所述,隨超聲技術的應用場景不斷豐富，將成為一種重要技術方法，正朝著復合、自動化、綜合應用的方向發展，超聲技術的發展與應用前景是廣闊的。