董方，李曉謙，張敏

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大鑄錠鋁熔體中超聲振動(dòng)系統(tǒng)空化區(qū)域分析及實(shí)驗(yàn)研究

董方，李曉謙，張敏

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083)

根據(jù)比值校正法利用激光測(cè)距儀對(duì)超聲系統(tǒng)輻射桿振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果進(jìn)行幅值譜校正后得到輻射桿位移幅值分布，分別對(duì)超聲變幅桿浸入鋁溶液及水中不同深度進(jìn)行空蝕分布實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用有限元法對(duì)水及鋁熔體中空化區(qū)域進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明：振動(dòng)系統(tǒng)在諧振點(diǎn)以下電流更加穩(wěn)定，聲流效應(yīng)不易產(chǎn)生突變；超聲振動(dòng)系統(tǒng)輻射桿以縱向振動(dòng)為主，聲壓幅值在鋁熔體中輻射桿端面法線上單調(diào)遞減；側(cè)面橫向振動(dòng)的最大振動(dòng)幅值約為端面縱振幅1/2，位置約為端面以上15~55 mm處；空化區(qū)域仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

超聲輻射桿；縱橫振動(dòng)；空化區(qū)域

超聲空化對(duì)鋁合金凝固過程有細(xì)化晶粒[1?6]、熔體凈化[7]、弱化合金元素富集并改善溶質(zhì)元素偏析[8]、增大合金元素固溶度且改變二次相分布等諸多優(yōu)點(diǎn)[9]，但目前關(guān)于超聲空化處理熔體技術(shù)大基于定性研究，定量分析的研究報(bào)道甚少，深入了解超聲波在鋁熔體中的空化分布場(chǎng)是優(yōu)化超聲鑄造各種物理參數(shù)及電源參數(shù)匹配的關(guān)鍵。在金屬熔體中，由于高溫及內(nèi)部不可視因而無法定量測(cè)量空化強(qiáng)度和空化范圍，本文作者試圖通過超聲振動(dòng)系統(tǒng)幅頻特性在空氣中的測(cè)試及仿真模擬水中空化場(chǎng)，進(jìn)而定量推測(cè)超聲波在7085鋁熔體中產(chǎn)生的空化區(qū)域，對(duì)超聲鑄造工藝參數(shù)匹配有指導(dǎo)意義。

1 超聲空化效應(yīng)及空化分布

1.1 超聲空化機(jī)理

超聲空化是指高能超聲波在液體介質(zhì)內(nèi)傳遞，熔體內(nèi)微小氣泡核在聲壓的稀疏相和壓縮相交替的過程中，其體積經(jīng)歷膨脹、壓縮、連續(xù)振動(dòng)并高速崩潰的一系列動(dòng)力學(xué)過程[10?13]?？栈轁缢查g，在極有限的體積內(nèi)產(chǎn)生了巨大的溫度和壓力梯度因而產(chǎn)生諸多物理、化學(xué)效應(yīng)，如微射流、沖擊波等。據(jù)此原理，超聲鑄造會(huì)在鋁熔體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生此現(xiàn)象從而作用和改變鋁熔體凝固的條件過程。

1.2 空化區(qū)域分布

超聲空化可以使溶液在鑄錠內(nèi)充分流動(dòng)，避免合金在大鑄錠范圍內(nèi)分布不均，降低宏觀偏析；使鑄錠內(nèi)橫截面溫度梯度大幅降低從相變應(yīng)力不容易集中在同一位置，避免宏觀疏松；促進(jìn)結(jié)晶組織細(xì)化[14]。超聲在熔體中產(chǎn)生的高聲壓與高聲強(qiáng)是影響鋁合金凝固進(jìn)程的主要因素，超生對(duì)鋁熔體空化區(qū)域的精確確定，有利于超聲電源參數(shù)及超聲鑄造各種物理參數(shù)合理匹配。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 輻射桿振幅測(cè)量

激光測(cè)距儀振動(dòng)測(cè)試裝置連接示意圖見圖1。隔振平臺(tái)搭建，開啟激光探頭，調(diào)試焦距對(duì)準(zhǔn)，啟動(dòng)超聲波電源。將驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)為自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，待振動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)諧振后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中采樣頻率為392 kHz；數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)為131 072，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次。幅頻特性測(cè)試與振幅分布測(cè)試按如下步驟進(jìn)行：

1) 幅頻特性：在超聲振動(dòng)系統(tǒng)諧振點(diǎn)左右調(diào)節(jié)電源驅(qū)動(dòng)頻率，每50 Hz進(jìn)行一次振動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

2) 端面與側(cè)面振幅：輻射桿端面沿邊緣均布12個(gè)測(cè)量點(diǎn)，中心測(cè)量點(diǎn)為圓心；側(cè)面沿長(zhǎng)度方向布置22個(gè)測(cè)量點(diǎn)，第1個(gè)點(diǎn)距端面1 mm，其余點(diǎn)依次間隔5 mm。上述數(shù)據(jù)均在諧振狀態(tài)下采集。

圖1 振幅測(cè)量裝置

2.2 蒸餾水中鋁箔空化腐蝕實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料采用0.05 mm純鋁鋁箔，其質(zhì)軟易變形，且變形后不反彈便于對(duì)超聲空化腐蝕進(jìn)行快速、直觀目測(cè)，液體介質(zhì)選擇無色透明的蒸餾水。將鋁箔固定于鈦合金厚箔之上后放置于燒杯內(nèi)并加入適量蒸餾水，超聲輻射桿浸入液面10 mm用支撐架固定，見圖2。開啟超聲波發(fā)生器，激振電壓為300 V，頻率范圍為17~22 kHz，設(shè)為自動(dòng)搜索跟蹤模式，調(diào)節(jié)激振頻率至諧振狀態(tài)后施振15 s，結(jié)束后取出鋁箔烘干。依上述流程再對(duì)超聲輻射桿浸入液面40 mm與70 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 鋁箔空蝕實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 鋁熔體中輻射桿空化腐蝕實(shí)驗(yàn)

半連續(xù)鑄造7085鋁合金材料，澆注溫度為720℃，引錠速度為2.4 mm/min，結(jié)晶器及噴淋水壓為0.1 MPa。鑄造過程中分別將超聲輻射桿浸入鋁溶液40 mm與70 mm，開啟超聲波發(fā)生器，激振電壓為300 V，頻率范圍為17~22 kHz，鑄造結(jié)束后取出超聲輻射桿，見圖3。

圖3 超聲半連鑄示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)的幅頻特性

當(dāng)超聲波電壓為300 V，經(jīng)測(cè)試得知空氣中該超聲振動(dòng)系統(tǒng)在17~22 kHz內(nèi)只有一個(gè)諧振點(diǎn)，諧振頻率為20 168 Hz。在該諧振點(diǎn)附近采集振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)頻譜分析后得超聲振動(dòng)系統(tǒng)電流與端面圓心處振動(dòng)幅值隨頻率變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4可知：電流與振幅在諧振點(diǎn)左右兩側(cè)均為非對(duì)稱分布。將實(shí)驗(yàn)測(cè)試頻率段進(jìn)一步分為諧振點(diǎn)以下及以上2個(gè)區(qū)間，2個(gè)區(qū)間內(nèi)輸出振幅與電流的關(guān)系如圖5所示。

1—電流；2—振幅

1—諧振點(diǎn)以下；2—諧振點(diǎn)以上

在諧振點(diǎn)上下區(qū)間，輸出振幅與電流呈線性關(guān)系，但2個(gè)區(qū)間振幅輸出特性有所差異。諧振點(diǎn)以上，輸出振幅存在突變，之后隨電流穩(wěn)定下降。當(dāng)電流相等時(shí)，諧振點(diǎn)下區(qū)間振幅要明顯高于上區(qū)間振幅，這意味著振動(dòng)系統(tǒng)在諧振點(diǎn)以下輸出性能要明顯優(yōu)于諧振點(diǎn)以上輸出性能。該結(jié)論與本課題組長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)相符，在超聲鑄造試驗(yàn)中，往往發(fā)現(xiàn)頻率一旦高于諧振點(diǎn)，則聲流現(xiàn)象急劇減弱甚至消失。而從諧振點(diǎn)頻率往下調(diào)節(jié)，則電流變化較為平緩，聲流效應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生突變。

3.2 輻射桿縱橫振幅分布

圖6所示為端面與側(cè)面振動(dòng)信號(hào)波形與幅值譜，其波形為規(guī)則正弦曲線，橫向振動(dòng)有明顯噪音，由圖6可知：端面縱向振動(dòng)幅值明顯高于側(cè)面橫向振動(dòng)幅值，說明系統(tǒng)振動(dòng)以縱向振動(dòng)為主。

(a) 端面振動(dòng)信號(hào)波形；(b) 端面振動(dòng)信號(hào)幅值譜；(c) 側(cè)面振動(dòng)信號(hào)波形；(d) 側(cè)面振動(dòng)信號(hào)幅值譜

輻射桿端面上各測(cè)量點(diǎn)振動(dòng)幅值均在10 μm以上，以圓心處振動(dòng)幅值最大，邊部幅度平緩減弱；輻射桿側(cè)面徑向振動(dòng)位移幅值沿長(zhǎng)度方向上分布不均，主要峰值位置約為端面以上40 mm處，最大值為5.382 μm，達(dá)到縱向振動(dòng)幅值的1/2，這表明輻射桿存在較強(qiáng)縱橫耦合。根據(jù)超聲振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，當(dāng)振動(dòng)體橫向尺寸大于1/4波長(zhǎng)時(shí)，橫向振動(dòng)不能忽略，因此超聲振動(dòng)體的設(shè)計(jì)不能按照一維振動(dòng)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 超聲在水中的空化區(qū)域及腐蝕特性

圖7所示為在300 V電壓激勵(lì)下水中不同施振深度空蝕宏觀分布。由圖7可知：空化區(qū)域主要出現(xiàn)在輻射桿端面正下方，聲壓幅值從中心向邊部遞減。在施振深度為10 mm時(shí)，端面以下僅出現(xiàn)一個(gè)空化區(qū)域，距離端面越遠(yuǎn)聲壓幅值越小，空蝕孔數(shù)目逐漸減少且分布越為稀疏，見圖7(a)。在施振深度為40 mm時(shí)，端面下方出現(xiàn)3個(gè)分離的空化區(qū)域，側(cè)面各出現(xiàn)一個(gè)空化區(qū)。其中正下方區(qū)域最為明顯且空蝕孔分布最為密集，經(jīng)測(cè)量，端面下方最遠(yuǎn)空蝕區(qū)域距端面約為150 mm，該距離約為超聲在水中波長(zhǎng)的2倍；輻射桿側(cè)面空蝕區(qū)域空蝕坑分布稀疏，范圍較小，空化強(qiáng)度較弱，見圖7(c)。在施振深度為70 mm時(shí)，端面下方出現(xiàn)3個(gè)分離的空化區(qū)域分別距離端面55，100與160 mm；對(duì)于側(cè)面空蝕區(qū)較40 mm時(shí)偏大，見圖7(e)。

(a) 施振深度10 mm實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(b) 施振深度10 mm模擬結(jié)果；(c) 施振深度40 mm實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(d) 施振深度40 mm模擬結(jié)果；(e) 施振深度70 mm實(shí)驗(yàn)結(jié)果； (f) 施振深度70 mm模擬結(jié)果

基于ANSYS建立超聲鑄造振動(dòng)系統(tǒng)有限元模型，對(duì)前面振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行討論并對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)在流體介質(zhì)中聲壓場(chǎng)進(jìn)行有限元計(jì)算。當(dāng)介質(zhì)中聲壓幅值高于空化閾值時(shí)將才會(huì)產(chǎn)生聲空化，對(duì)近場(chǎng)聲壓幅值高于0.9 MPa[15]區(qū)域進(jìn)行標(biāo)示，結(jié)果見圖7(b)，(d)和(f)。

水中空化場(chǎng)端面實(shí)測(cè)相對(duì)仿真偏小，這是由于沒有考慮在聲壓幅值有限元計(jì)算過程中超聲傳遞及端面透射過程中的耗損所致。輻射桿側(cè)面空蝕區(qū)要比仿真范圍偏大，主要原因是輻射桿橫向振動(dòng)幅值要大于有限元計(jì)算結(jié)果，這一點(diǎn)在前面測(cè)試結(jié)果中已得到驗(yàn)證。因此，在較強(qiáng)的縱橫耦合振動(dòng)下輻射桿側(cè)面空蝕區(qū)域則較為明顯?？傮w上空化場(chǎng)實(shí)測(cè)區(qū)域與仿真結(jié)果趨于一致，這表明聲壓場(chǎng)有限元仿真較為準(zhǔn)確。

3.4 超聲在鋁熔體中的空化范圍

由于鋁熔體密度及超聲傳播速率與水不同，故超聲振動(dòng)系統(tǒng)在熔體區(qū)域內(nèi)空化場(chǎng)分布將與水中有所不同。依據(jù)上述分析方法，將流體材料屬性改為鋁熔體，對(duì)聲壓幅值高于1.12 MPa[16]區(qū)域進(jìn)行標(biāo)示，結(jié)果如圖8所示。

施振深度/mm：(a) 10；(b) 40；(c) 70

對(duì)于鋁熔體超聲鑄造中高溫及不可視的局限性，現(xiàn)通過熔體內(nèi)空化會(huì)對(duì)輻射桿產(chǎn)生空蝕作用，推測(cè)鋁熔體內(nèi)空化區(qū)域。圖10所示為由半連續(xù)鑄造結(jié)晶器內(nèi)的輻射桿空蝕，在浸入70 mm的工具頭表面，端面空蝕程度較為嚴(yán)重且全面覆蓋，而側(cè)面空蝕區(qū)域僅在距端面15~55 mm范圍出現(xiàn)，其空蝕強(qiáng)度、區(qū)域與鋁熔體中空化區(qū)域仿真結(jié)果相符，印證了仿真結(jié)果的可靠性。

同時(shí)，從圖8(b)和9(b)可以看出：輻射桿浸入40 mm時(shí)側(cè)面空化效應(yīng)會(huì)對(duì)鋁溶液表面有強(qiáng)烈的干擾攪動(dòng)，鑄造過程中會(huì)將大量的氧化物夾雜帶入到鑄造熔體中，造成氣孔、疏松等缺陷。因此，鑄造過程中要合理避開橫向振動(dòng)對(duì)液面干擾。

(a) 輻射桿原始狀態(tài)；(b) 輻射桿施振深度40 mm空蝕形貌；(c) 輻射桿施振深度70 mm空蝕形貌

4 結(jié)論

1) 振動(dòng)系統(tǒng)在諧振點(diǎn)以下電流更加穩(wěn)定，聲流效應(yīng)不易產(chǎn)生突變。

2) 超聲振動(dòng)系統(tǒng)輻射桿以縱向振動(dòng)為主，側(cè)面橫向振動(dòng)的最大振動(dòng)幅值約為端面縱振幅值1/2，位置約為端面以上15~55 mm的范圍。

3) 水中超聲振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的空化區(qū)域主要為輻射桿端面正下方，距端面越遠(yuǎn)，空化強(qiáng)度越低，空化區(qū)域越小。隨著施振深度增加，輻射桿側(cè)面會(huì)出現(xiàn)小范圍空化區(qū)域。

4) 鋁熔體中輻射桿端面中心部空化程度高于邊部空化程度。隨著施振深度增加，超聲輻射桿端面與側(cè)面均出現(xiàn)顯著的空化腐蝕形貌。

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Regional and experimental analysis of large ingots ultrasonic vibration cavitation system molten aluminum

DONG Fang, LI Xiaoqian, ZHANG Min

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Vibration test was done for a piezoelectric ultrasonic transducer for casting by laser range finder, the displacement amplitude distribution of end and cylindrical surface was obtained through amplitude spectrum correction for the vibration series based on interpolation method, and cavitation erosion test with different depths of the ultrasonic horn was immersed in the solution of aluminum and water. Finite element methods was used to carry on the numerical simulation cavitation. The results show that the current in the resonant points below the vibration system is more stable, and it is not easy for acoustic streaming effect. The experiments of ultrasonic casting of aluminium alloy were carried out when the depth of ultrasonic vibration was applied on melt. The max amplitude of transverse vibration reaches 1/2 of the longitudinal vibration amplitude and the peak of transverse vibration appears above the end surface 15?55 mm. When the depth of vibration increases, the cavitation area was reduced. Cavitation simulation results are in good agreement with the experimental results.

ultrasound radiation; longitudinal and transverse vibration; cavitation region

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.010

TG249.9；TB559

A

1672?7207(2015)10?3625?06

2015?01?13；

2015?04?20

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973 計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB731706，2012CB619504)(Projects (2010CB731706, 2012CB619504) supported by the National Key Basic Research Development Program of China (973 Program))

董方，博士研究生，工程師，從事鋁合金凝固過程控制研究；E-mail：dongfang0408@163.com

(編輯 陳愛華)