популярно о природе звука

Ультразвук в металлургии

С переменным успехом ультразвук использовался в различных отраслях металлургической промышленности. Непосредственное применение высокоинтенсивный ультразвук нашел при пайке алюминиевых деталей. На воздухе алюминий быстро покрывается тонкой пленкой окиси алюминия, которая препятствует пайке и которую, в отличие от других окисей металлов, очень трудно удалять с поверхности с помощью различных флюсов. В настоящее время имеется множество таких флюсов, но их использование не дает хороших результатов.

Конечно, пленку окиси алюминия можно удалить вручную. Однако это весьма трудоемкий и не всегда приемлемый способ. Например, вручную нельзя очищать проволоку и очень мелкие детали, изготовленные из алюминия. Именно здесь и начали применять ультразвуковую чистку. Проходящие через ванну для лужения ультразвуковые волны вызывают кавитацию, которая снимает окискую пленку с поверхности алюминиевых предметов. В настоящее время ультразвуковая чистка наиболее широко распространена на предприятиях электротехнической и электронной промышленностей, где алюминий благодаря своей легкости и хорошей электропроводимости используется в большом количестве. Пайка элементов в электронных печатных схемах чаще всего осуществляется ультразвуком.

Менее обоснованным теоретически, но весьма многообещающим является использование ультразвука при сварке. Принцип ультразвуковой сварки достаточно прост. Две металлические поверхности накладываются друг на друга и слегка прижимаются, но так, чтобы сохранялось скольжение одной поверхности по другой под воздействием очень низких ультразвуковых частот. В результате ультразвуковой сварки поверхности прочно соединяются. При этом не требуется затраты тепла. Перед сваркой необходима лишь тщательная обработка поверхностей. Диапазон применения точечной, шовной и стыковой ультразвуковой сварки очень широк: от непрерывной шовной сварки гофрированных алюминиевых листов для производства теплообменников до точечной сварки крошечных полупроводниковых  деталей, каждая из которых представляет собой сложную электронную схему с металлическими контактами. Хотя ультразвуковая сварка прочно вошла в промышленность, ее механизм во многом еще не понятен.

Конечно, металлы под воздействием ультразвуковых колебаний до некоторой степени нагреваются, но их температура все же не поднимается до точки плавления. Наиболее вероятно следующее объяснение возможности ультразвуковой сварки. Во-первых, колебательные движения очищают поверхности металлов от грязи и окисной пленки, в результате чего увеличивается их поверхность соприкосновения. Во-вторых, локальные высокие температуры, а также некоторые уплотнения и разрежения, обусловленные ультразвуковыми колебаниями, приводят, по-видимому, к образованию на границе раздела двух металлов пластичного потока. Никакого плавления, конечно, не происходит. Это означает, что при ультразвуковой сварке в отличие от обычной не образуются хрупкие литые структуры, доставляющие много беспокойства, а также сплавы и смеси металлов, которые обычно появляются, когда мы хотим соединить между собой два различных металла.

Существенным преимуществом ультразвуковой сварки является то, что на поверхности шва не образуются сплавы и смеси металлов.

Следует еще добавить, что при ультразвуковой сварке потребляется значительно меньшая мощность. Например, алюминиевые листы толщиною в 1 мм удалось сварить, понизив потребляемую мощность более чем на 90%. Механизм взаимодействия ультразвука с веществом теоретически еще недостаточно объяснен, но дальнейшее внедрение ультразвука в металлургию является многообещающим. Особо следует сказать об ультразвуковой обработке материалов. Ультразвук позволяет делать отверстия квадратной (и более сложной) формы в таких хрупких материалах, как стекло и керамика. Устройство ультразвуковой дрели несложно. Но в отличие от пневматической ее сверло не прямо воздействует на материал, а через влажный абразивный порошок. Ультразвуковой метод сверления был с энтузиазмом встречен производственниками. Очень твердые материалы, такие, как карбиды и бориды, используемые, например, для вытягивания проволоки, также обрабатываются ультразвуком, как и промышленные алмазы, полупроводники и другие тугоплавкие материалы. Но теория всех этих процессов по-прежнему сводится к смутной идее о том, что частички влажного абразивного порошка под воздействием ультразвука бомбардируют материал и тем самым производят нужную обработку. Роль кавитации (если она вообще играет какую-либо роль) в этих процессах неизвестна. Можно предположить, что роль ультразвуковой обработки возрастет еще больше после того, как будут разработаны основные теоретические положения данного процесса.

Другое важное применение ультразвука - облучение расплавленных металлов. Такие опыты проводились во многих лабораториях. Однако о промышленном использовании этих методов пока еще говорить рано. Облучение ультразвуком расплавленных металлов при их остывании препятствует образованию зернистой структуры, сердцевины и очищает металл от содержащегося в нем воздуха. Первые экспериментальные работы по предупреждению образования зернистых структур были выполнены накануне второй мировой войны в Германии, тогда же в СССР проводились исследования по дегазации металлов. Облучая ультразвуком расплавленный металл, при некоторых условиях можно добиться того, чтобы в нем в процессе застывания образовывались зерна различных размеров (иногда металлы с такой структурой очень нужны), в других случаях возможно удалить из металла газы. Однако в промышленном масштабе до сих пор не удается создать соответствующие условия, что и препятствует широкому внедрению метода. По-видимому, и здесь следует учитывать кавитацию. До тех пор пока ее роль не будет ясна, ультразвуковое облучение расплавленных металлов останется лишь мечтой.