CN1135774A - 超声波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于在诸如新成型的线材股等压延金属工件的邻域中产生紊动的超声波振荡器。该系统包括充以清洗溶液的槽。工件被引入该槽沿预定的行进通路移动。在槽中配置一个或者多个换能器以在清洗液中产生超声波。换能器的构形和间隔使得振荡的聚焦点实际上与工件行进通路重合。换能器由信号产生器驱动而引起换能器以0.5至3.0MHz之间的频率振荡。换能器的振荡产生超声波可用于从工件表面清除污物。

Description

超声波振荡器

本发明总的说来涉及用于清洗/处理工件的超声波搅动方法和系统，更具体地说，特别涉及使用高频超声波搅动其中浸没了诸如带材或者线材的金属工件的液体的方法和系统，其目的是为了清洗该工件和/或有利于工件的进一步处理。

超声波振荡器在许多工业领域用作为清洗系统以便从工件上清除诸如油脂、污物和/或刮屑。通常是指超声波清洗系统的超声波振荡器，例如用于在金属加工业中清洗由坯料所形成的诸如线材和锻压部件等压延的金属工件。一般，工件的超声波清洗是在其被锻压、切削或者其它方式成形之后很快进行的。在金属加工工业中，超声波清洗工艺常常是作为清除工件表面形成的氧化物的酸洗工艺之前或者同时进行的工艺。在金属加工工业中，清除这些氧化物是重要的，因为它们的存在对于向工件的表面粘结、涂镀、或者层压附加材料层的性能会产生不良的影响。

当前超声波清洗是通过把工件置于受到20-40kHz的低频振动的清洗溶液中进行的。由于这些振动的结果，在溶液中形成称为空穴的气泡。这些空穴膨胀直到达到它们破裂的谐振尺寸。空穴的破裂产生很高的局部压力和温度并在清洗溶液内产生冲击波。这些高压和温度区域形成以及冲击波的产生的联合作用擦洗掉或者至少使得工件表面上的污染松动。

一种这类超声波清洗系统在德国专利申请第27 00 09.6号中被透露。这一文献描述了一种超声波清洗系统，其中使用了60到300cm长的圆柱体外形的换能器以便在充有清洗溶液的槽中产生超声波。英国专利第1,591,197号和美国专利第4,401,479透露了怎样使用圆柱体换能器产生声波以清洗连续运动着的金属线材或者带材。英国专利申请第2 030 599描述了一个超声波清洗系统，其中工件置于同位于槽内的超声波换能器直接接触。一旦这样浸没，通过它们的直接机械振动并通过周围清洗液的气蚀污物就从工件清除掉。

虽然当前的超声波清洗系统已经证明在许多场合是有效的，但它们并不是没有限制的。例如在线材工业中，多根平行的线材常常同时从同一坯料产生。必须设置分开的超声波换能器系统以产生清洗每股线材所必须的声波。迄今已经证明，设置所需的各自分开的换能器即是困难的也是耗费的。而且，在这些线材需要被清洗时，它们相当快速地穿过，例如速度达到每分钟50-600英尺或者更高。为了以超声波清洗这些线材，通常必须将它们浸没在振动的溶液中达到延长的时间量。鉴于这些线材运动的速率，于是就必须把它们浸没在相当长的槽中以便保证它们被彻底地清洗。超声波清洗系统的另一个缺点是，或者是换能器本身，或者是换能器与补偿反射器的结合完全覆盖了要被清洗的工件。这使得观察和修理工件的破损情形诸如线材破损很是困难。

鉴于与超声波清洗系统相关的困难情形，已经试图寻求替代的清洗系统。已经试图使用包含提高了温度的有机溶剂的槽形清洗系统。这些系统的某些缺点包括必须制作大尺寸的槽，具有很高的操作成本，以及产生必须仔细加以处理的废水，而这样的处理是昂贵的。

于是，本发明是一种能够很好适用于清洗和/或进而处理诸如新成形的线材等压延的金属工件的超声波振荡器。本发明的超声波振荡器包括：在其中处理工件的槽；槽中的液体，其中槽充以液体达到工件被该液体浸没的点；一个或者多个聚焦的超声波换能器，这些换能器的设置使得产生向工件聚集并聚焦在工件上的超声波；以及用于激励换能器使得它们以相当高的频率振动的驱动电路。

本发明的另一特点在于，振荡器的构造使之具有座落在一个收集槽中的一个开放的第一溢流槽。该换能器安装在溢流槽中。一个泵送系统连接这些槽使得流过溢流槽端头的液体容纳在收集槽中，并被泵送回溢流槽中。工件通过溢流槽的开放端。泵送系统的作用保证了在工件通过溢流槽移动时，工件保持由超声振动的液体浸没。

虽然很明显，本发明的超声波振荡器可用来促进工件的清洗，它也可用来产生邻近工件的紊动液流以便完成其它任务。例如，本发明的超声波振荡器可用来产生邻近工件的紊动液流以便促进工件的电洗或者电镀。

本发明以上及其它特点由参照说明书及附图可以理解，这些附图中：

图1是本发明的超声波振荡器一种形式的纵向剖视图；

图2是图1的超声波振荡器的横向伸展局部剖视图；

图3是表示换能器与相关的线材工件的关系的透视图；

图4是本发明的另一超声波振荡器纵向伸展视图；

图5是图4的换能器与相关的线材工件的关系的透视图；

图6是图4的超声波振荡器横向伸展的、局部剖视图；

图7是本发明的又一超声波振荡器的横向伸展的纵向局部剖视图；以及

图8是本发明设计作为电洗系统或者电镀系统的另一种超声波振荡器的局部剖视图。

图1和2表示根据本发明所构造的用于清洗诸如一股线材的工件12的基本型超声波振荡器10。振荡器10包括工件12通过其穿行而座落在一个较大的第二收集槽16的一个第一溢流槽14。参见图1明显可见，溢流槽14位于收集槽16之内，使得溢流槽14的顶壁伸出在收集槽16的顶部之上。参见图2可见，溢流槽是由仅表示出一个的一对端壁形成的，其形成具有缺口21，工件12通过该缺口紧靠收集槽16的顶部之上移动进入或者移动出槽14。未示出的诸如一对导辊的悬挂组件位于振荡器的两侧，保持工件12稳定使得该工件沿着一般为一直线行进的通路穿过溢流槽14。该悬挂组件还保持工件稳定使得它不会接触形成缺口21的溢流槽端壁20的边缘。

槽14与16充以水之类的清洗溶液22。通常，溢流槽14中的清洗溶液从端壁缺口21流出并流入下面的收集槽16。装设泵送系统23以便使得清洗溶液反复循环，从而使得在工件12通过溢流槽14时它浸没在清洗溶液之中。泵送系统23包括一个与收集槽16的底板中的排水孔25连接的排出管路24。排出管路24的相反一端连接到强制溶液22通过返回管路27的泵26。该返回管路形成带有紧靠溢流槽14的顶部的释放端口28。具体而言，泵26的选择及端口28位置的设置，要使得当清洗溶液22返回溢流槽14时，溶液要实际上浸没正在穿过槽14的工件12。虽然图1与2示出溢流槽的一个实施例，应当理解，也可以设计出允许线材快速运动并保持线材浸没状态的其它实施例。

溢流槽14具有规定了一开口31的底板或底部29。一超声波换能器30密封地设置在槽底部29的底板表面，使其位于开口31之下。在图2明显可见，槽14还形成有侧壁33，其中之一可形成有开口32。第二个超声波换能器34固定在侧壁33的外侧使之覆盖开口32。可以或者使用一个底板换能器，一个侧壁换能器或者两者都使用。

例如，换能器30与34由压电、压磁或者电磁材料形成，使得当从信号产生器36向它们供以驱动电压时，它们产生超声波。换能器30与34一般是产生向内聚集的超声波的类型。本发明的这一特点由图3表示，该图描绘了作为具有抛物截面轮廓的换能器30。由于换能器30具有伸长的形状，该换能器振动的结果所产生的超声波沿着延伸的聚焦直线而聚集。如同图3进一步的表示那样，工件12在槽中的配置使得它行进的通路基本与两个换能器30与34的聚焦直线相交。虽然图3示出抛物形换能器，典型的实施例可以包括如图1和2，以及图5所示的圆形、扁平形换能器。这种“扁平”换能器仍然能够产生聚集的并基本是聚焦的波束。

本发明的超声波振荡器10用来在工件通过溢流槽14时通过激励换能器30和34清洗工件12。换能器30和34的振动引发溶液22中的高频超声波。在本发明的一个具体类型中，激励换能器以100kHz到6MHz并特别是在500kHz到3MHz之间的频率振动。如箭头36(图3)所示，清洗溶液中所产生的超声波向内聚集到工件12穿过的通路上。因而，清洗溶液22中所形成的波的最大加速度是在工件12的外表面邻域。这一快速的、换能器引发的清洗溶液22的紊动使得固体和半固体的污物从工件12的表面松动和脱落。其结果，工件带有相对清洁的表面离开振荡器10。

由于超声波的聚焦与工件12的行进通路相交，故清洗溶液22有效地清洗掉工件的污物。为了彻底地清洗工件12不必暴露在振荡的清洗溶液中延长的时间周期。于是，这一振荡器10很适合于清洗快速移动的工件12，诸如新成形的线材段，因为工件只需浸没在总长相当短的槽中。例如，以大约每秒5英尺速率移动的线材只需浸没在被振荡的清洗溶液中大约1至2秒钟。这样，为了彻底地被清洗，线材工件12只需穿过根据本发明的振荡器10所构造的大约为0.5到1.0英尺长的溢流槽14。

本发明的又一特点在于，由于清洗溶液22运动的强度，没有必要以周围大量的清洗溶液22环绕工件12。在本发明的最佳实施例中，工件可在充到六英寸或者更少的深度的清洗溶液的溢流槽14中清洗，并特别地，在通常具有两英寸或者更少的清洗溶液的槽14中清洗。需要的清洗溶液22小的深度以及相对短的溢流槽14的总长保持了充满该槽所需的清洗溶液22的体积为最小。由于本发明的振荡器10只需要少量的清洗溶液22，相应地降低了供给、复循环及过滤溶液的成本。

本发明的超声波振荡器10的又一特点在于，换能器30和34不是完全环绕相关的工件12的，于是换能器不必装设补偿波反射器。于是工件12在其通过振荡器10时保持暴露状态，从而便于对其视觉监视，并在分离或者断开情形时易于修整。

振荡器10的又一特点在于，工件12直接通过缺口21进入和离开浸没槽，即溢流槽14。为了工件浸没或者从槽中移出，不必穿过非直线通路。因而，免除了为了进行超声波清洗所需要的任何对于工件的弯曲。这一特点还免除了需要通过配备在槽壁上的密封物而引导工件进入槽或者移出槽。免除了这种密封物就免除了在密封磨损或者当输送不同直径的工件通过振荡器10时必须更换这些密封物。而且，由于工件不需要通过密封物，其穿过的速率不会被降低，也不会由于在它与密封物摩擦时会因摩擦接触而发生断裂。

图4-6表示本发明的另外的超声波振荡器40。振荡器40包括工件12所穿过的槽42。槽42在结构上与先前描述的溢流槽14类似，并座落在一个未示出的收集槽中，该收集槽在结构和功能上类似于前述的收集槽16。槽40充以清洗溶液22。从图4明显可见，槽42具有一个机座即底板43，该底板形成有数个纵向隔开的开口44。各个超声波振荡器46设置在每一开口44之下的底板43的下表面。

换能器46为圆形，并且其类型为产生聚集到一个焦点的超声波。如图5的图示，其中换能器表示为具有抛物面的形状，该换能器固定在槽42上使得其焦点总是与工件12通过槽42的通路相交。

从图6可见，超声波振荡器40还设计为可同时清洗多个工件12。每一工件沿着穿过槽的各个通路穿行，穿过的各个通路一般为彼此隔开的平行线的形式。槽42是这样形成的，使得有数个横向隔开的开口44，在每一工件12的穿过通路下面有一组开口。分开的直线地对准的换能器46设置在槽底板43的下表面，每一个开口44之有下一个。

为了将清洗溶液22从槽42溢流到辅助的收集槽的速率减小到最小，槽42包含一对形成有多个缺口47相对的端壁45，各个工件通过这些缺口进入和离开该槽。端壁45的形状使得缺口47与固定在槽42的底板43上的换能器46对准。

本发明的超声波振荡器40的圆形换能器46产生聚集在工件12穿过的通路上分开的各点或者小区域上很强的超声波。这些聚焦区域附近的清洗溶液22中所引发的运动位于工件外表面的周围。结果，清洗溶液22对工件12进行了非常强烈的清洗作用，这有力地使得污物从工件外表面松动并脱落。

本发明的这种形式的超声振荡器40还能够以振荡器的整体尺寸和成本有限的增加而同时清洗多个工件12。特别，当振荡器用来清洗多个线材工件12时，各个线材只需放置在槽42中，使得它们的穿过的各个通路彼此仅仅分开大约0.5到1.0英寸。

图7示出本发明的另一个超声波振荡器50。振荡器50包括上面对于超声波振荡器40说明过的基本槽42。本发明的这一形式中，换能器46设置在粘合或者固定在槽底板43的下表面上的隔膜52的下表面。

图8示出用于诸如电洗或者电镀工件12的电解质用途的另一种超声波振荡器60。振荡器60与前面所述的槽42结合。电解电极62通过支架64设置在槽42的侧边。振荡器60还包括业内所熟知的用于向各个工件12施加电压的电刷系统及其它装置，电刷系统未示出。当振荡器60用来电洗工件12时，槽42充以诸如盐水之类的液体63，该液体除了具有所需要的清洗功能之外还起到电解质的作用。电源66用来形成工件12与电极62之间的电压。

换能器46与电解质63通过密封隔盒68绝缘以防止它们被电解质侵蚀。隔盒68装设在槽底板43的底部。该换能器装设在座落于隔盒68的底部的支撑托盘59上。隔盒68中没有被换能器46占据的空间被充以蒸馏水或者油之类的液体70，该液体具有能够起到介质的作用的所需性质，通过它换能器的运动可通过隔盒68的壁传播并进到电解质溶液63。

超声波清洗振荡器60的优点在于，密封隔盒68彻底防护了包含在其中的换能器46。而且，在工件被电洗时，振荡器60在工件12邻域中形成紊动。一同进行这些工艺的优点在于，电洗和清洗作用均能够被工件邻域中的电解清洗液63的搅动加强。

振荡器60还可用于促进工件12的电镀。当振荡器60用于这一工艺时，槽42充以与前述电解质相反的电镀溶液。电镀由同时起动电源66以建立工件12与电极62之间的电压，同时激励换能器46进行。在电镀过程中工件12邻域中紊动液流的产生向工件的表面增加了含金属离子的流动。这有助于改进电沉积的质量并增加电沉积的速度超过通常的水平。

应当理解，以上所述仅仅是为了说明的目的。显然对于本发明可作出已有的一些或者全部其优点的各种修改型和变化。例如，在本发明的一些形式中，溢流槽的端壁可以不具有所示的V-形缺口。例如，在本发明的一些形式中，系统的端壁可以形成为具有直径实际上大于工件直径的开口，该开口作为工件引入和抽出该振荡器所通过的端口。这种结构的优点在于它减少了液体流出溢流槽并流入收集槽的速率。

而且，振荡器的一些形式可以只具有单个槽。在本发明的这些形式中，将必须通过在槽的侧面中所形成的密封或类似的元件把工件引入槽，或者通过把工件浸入槽顶部，穿过槽纵向移动工件使之与换能器(多个)聚焦点(多个)相交，并然后将其移出槽的顶部。在本发明的后面这些形式中，可能希望装设带有用来导向工件的一组辊轴的振荡器，使得工件沿与换能器焦点相交的行进通路行进。可提供本发明的其它形式，其中装有台架或者支架以支撑工件基本上在一个固定的位置，该位置与由换能器在清洗溶液中所产生的超声波聚集的区域相交。还有可能希望装设一个或者多个移动的换能器，这些换能器周期地聚焦声波于围绕工件外表面不同的位置。

在本发明的另外一些形式中，可能希望在槽内设置加热元件以提高清洗溶液的温度增加其从工件松动和分离污物的有效性。在本发明的一些形式中，可能仅需要装设单一的加长的换能器以充分清洗工件。而且应当认识到，由本发明的振荡器所进行的清洗的实际类型可能视工件及浸没工件的清洗溶液的性质而有各种变化。例如，除了用于促进工件的电洗和电镀之外，振荡器可用来帮助工件的电剥离，即去除导电固体物质。还应当认识到，可能有时本发明的振荡器用于促进工件的电洗或者电镀时，其中诸如与工艺配合使用的电镀溶液的液体对换能器不能有不利的影响。在本发明的这些形式中，可能不需要或甚至不希望封闭隔膜中的换能器。

因而，所附权利要求的目的是为了在本发明的实质精神和范围内涵盖所有那些变化和改形。

Claims (20)

1.一种用于使得工件受到紊动液流作用的超声波振荡器，包括：

一个第一槽；

配置在所述第一槽中的液体，其中在振荡器操作中，工件浸没在所述液体中；

连接到所述第一槽从而与所述液体有机械联系的一个换能器，所述换能器的结构是在所述液体中产生超声波，从而在邻接工件的液体中产生紊流；以及

连接到所述换能器用于引起所述换能器以至少100kHz的频率振荡的一个换能器驱动系统。

2.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中超声波一般聚集在工件的邻域中。

3.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中所述液体是适用于清洗工件的溶液，并且其中工件由液体的紊动作用清洗。

4.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中所述液体是一种电镀溶液，并且其中振荡器包含用于产生工件与电极之间的电压以便电镀该工件的装置。

5.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中所述溶液是一种电解质溶液，并且其中振荡器包含用于产生工件与电极之间的电压以便电洗该工件的装置。

6.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中工件是一种具有纵轴的压延件的形式，并且所述换能器为具有纵轴的压延件的形式带有横向伸展的截面的轮廓，使得在所述液体中所产生的所述波沿聚焦直线聚集；所述换能器在上述槽中的成形和配置使得所述波的聚焦直线基本上与工件在上述槽中所处的选定位置重合。

7.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中：

所述第一槽是一溢流槽，所述溢流槽具有一对端壁，所述端壁形成有工件通过其引入并移出所述溢流槽的缺口，所述端壁的成形使得工件引入和移出所述溢流槽实际上不与所述端壁接触，并且所述振荡器还包括：

一个位于所述溢流槽之下的第二槽，即收集槽，并且其配置使得能接收从所述溢流槽流出的所述液体；以及

连接在所述收集槽和所述溢流槽之间的一个泵送系统，用于从所述收集槽向所述溢流槽返回所述液体，所述泵送系统具有释放端口，其位置使能释放所述液体而使得所述工件浸没在所述液体中。

8.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中工件是一种沿通过所述溢流槽的行进通路而移动的压延件的形式，并且所述换能器为伸长件的形式，该换能器在所述液体溶液中产生超声波沿一聚焦直线聚集，并且所述换能器固定在所述溢流槽使得所述波的聚焦直线实际上与工件穿行的所述通路重合。

9.如权利要求1所述的超声波振荡器，其中工件是一种沿通过所述液体溶液行进通路而移动的压延件的形式，并且所述振荡器还包括多个换能器，所述换能器的类型为在所述液体溶液中产生在一聚焦点聚集的超声波，并且所述换能器固定在所述溢流槽使得所述波的聚焦点实际上与工件穿行的所述通路重合。

10.如权利要求9所述的超声波振荡器，其中所述换能器的配置使得所述波的聚焦点与沿工件的所述行进的通路上的间隔开的点重合。

11.如权利要求8所述的超声波振荡器，其中所述换能器驱动系统使得所述换能器以500kHz到3MHz之间的频率振荡。

12.如权利要求9所述的超声波振荡器，其中所述换能器驱动系统使得所述换能器以500kHz到3MHz之间的频率振荡。

13.一种用于使得工件受到紊动液流作用的超声波振荡器，所述工件沿着预先设置的行进通路移动，所述振荡器包括：

一个溢流槽，所述溢流槽具有一对端壁，所述端壁形成有开口，当工件沿着行进通路移动时工件通过该开口引入并移出所述溢流槽，所述端壁的成形使得工件沿着行进通路移动实际上不与所述端壁接触；

适用于配置在所述溢流槽中的一种液体，所述液体具有足够的体积以便实际上浸没工件并通过所述端壁开口流出所述溢流槽；

至少一个换能器固定在所述溢流槽上以超声波振荡其中所述液体；

一个位于所述溢流槽之下的收集槽，并其配置使得能接收从所述溢流槽端壁开口流出的所述液体；以及

连接在所述收集槽和所述溢流槽之间的一个泵送系统，用于从所述收集槽向所述溢流槽返回所述液体，所述泵送系统具有释放端口，其配置使能释放所述液体而使得连续浸没工件在所述液体中。

14.如权利要求13所述的超声波振荡器，其中所述溢流槽的所述端壁成形为确定了开放端的开口。

15.一种使得压延的金属工件经受紊动液流作用的方法，包括以下步骤：

在一种液体溶液中浸没工件，沿着预选的行进通路移动工件通过所述溶液，并从所述溶液移出工件；以及

在所述溶液中当工件通过所述清洗溶液时产生超声波，所述超声波的产生使得向至少沿所述工件的行进通路的一个点聚集，并且产生的超声波具有至少500kHz的频率，使得所述波引起邻接工件的所述液体中的紊动液流。

16.如权利要求15所述的方法，其中产生所述的超声波使得沿着实际上对应于工件行进的所述直线的一条聚焦线聚集。

17.如权利要求15所述的方法，其中在所述槽的两个位置产生所述的超声波，并且产生的超声波使得聚集到所述槽中至少在两个间隔开的聚焦点，每个聚焦点位于实际上对应于工件行进的所述通路的位置上。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述液体为一种电解质溶液，并还包括形成工件与同所述电解质溶液接触的一个电极之间的电压的步骤，以便电洗该工件。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述液体为一种电镀溶液，并还包括形成工件与同在所述电镀溶液中的一个电极之间的电压的步骤，以便电镀该工件。

20.如权利要求15所述的方法，其中所述液体为一种用于清洗工件的溶液，并且超声波产生工件的清洗作用。

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