CN215998665U - 一种辅助熔融合金结晶的超声装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种辅助熔融合金结晶的超声装置，包括超声换能器以及中间镂空的振动分流盘；超声换能器设置与振动分流盘固定连接，且超声换能器的垂直轴线与振动分流盘所在的水平面相垂直；超声换能器的纵向振动波经振动分流盘的分流作用后大部分纵向振动波转化为径向振动波。该辅助熔融合金结晶的超声装置，通过振动分流盘的径向超声振动，在无需额外添加助剂的状态下，就可以对合金熔体进行除气、晶粒细化、均质化等处理；经过晶粒细化后的合金铸体，屈服强度、硬度和延展性等机械性能都可以大幅提高。

Description

一种辅助熔融合金结晶的超声装置

技术领域

本实用新型涉及冶金熔融铸造领域，尤其涉及一种用于合金熔融结晶细化的辅助熔融合金结晶的超声装置。

背景技术

现前阶段，铸造铝合金的改良方法，主要通过变质处理和电磁搅拌处理来实现。变质处理即将促进合金形核元素添加至合金当中，人为地增加合金熔体中核心数量，以达到细化晶粒的目的；电磁搅拌则是通过电磁感应原理，通过交变电流产生的变化磁场与熔体交互作用，使熔体产生有规律的流动，以达到改良熔体组织的作用。

通过变质处理则不可避免的需要向熔体中添加相应的变质元素，这样虽然达到了细化晶粒的目的，但与此同时也引进了外来元素的污染，并且无法起到除气和消除其他缺陷的作用；而电磁铸造装置与熔体发生交互作用，如果需要产生足够强的流体运动，则需要添加地磁场10000倍以上的磁场强度，需要消耗大量电能的同时，还会对周围环境产生一定的影响。

实用新型内容

基于上述问题，本实用新型所要解决的问题在于提供一种可以对合金熔体进行除气、晶粒细化、均质化处理的辅助熔融合金结晶的超声装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种辅助熔融合金结晶的超声装置，包括超声换能器以及中间镂空的振动分流盘；所述超声换能器设置与所述振动分流盘固定连接，且所述超声换能器的垂直轴线与所述振动分流盘所在的水平面相垂直；所述超声换能器所产生的纵向振动波经所述振动分流盘的分流作用后分成两部分，其中一小部分所述纵向振动波沿所述振动分流盘继续纵向振动，剩下大部分所述纵向振动波将沿所述振动分流盘转化为径向振动的超声振动波。

一实施例中，所述辅助熔融合金结晶的超声装置中，所述振动分流盘包括连接柱、若干根筋板以及中空的盆状框架；所述连接柱的一端与所述耐热变幅杆固定连接，所述连接柱的另一端与每根所述筋板的一端呈垂直固定连接，每根所述筋板的另一端与所述盆状框架的内壁固定连接；若干根所述筋板与所述盆状框架之间呈镂空状构造。

一实施例中，所述辅助熔融合金结晶的超声装置中，相邻两根所述筋板的夹角相等。

一实施例中，所述辅助熔融合金结晶的超声装置中，所述盆状框架的外径为50-500mm。

一实施例中，所述辅助熔融合金结晶的超声装置中，在所述盆状框架壁上开设有若干个通孔。

一实施例中，所述辅助熔融合金结晶的超声装置中，若干个所述通孔沿圆周轴线分布设置且位于同一平面上；相邻两个所述通孔的夹角相等。

一实施例中，所述辅助熔融合金结晶的超声装置，还包括一长条柱体的耐热变幅杆；该耐热变幅杆的一端与所述超声换能器固定连接，该耐热变幅杆的另一端与所述振动分流盘固定连接，且所述超声换能器、耐热变幅杆以及振动分流盘三者的中心轴线相重合。。

一实施例中，所述辅助熔融合金结晶的超声装置中，还包括一管柱状结构且内设中空腔的外壳；所述超声换能器以及所述耐热变幅杆的一部分设置在所述外壳的中空腔内；所述振动分流盘外露在所述外壳的另一端。

本实用新型提供的辅助熔融合金结晶的超声装置，其超声换能器将电能转换为相应频率的纵向超声振动，并传递到振动分流盘后，经振动分流盘分流作用，且大部分纵向超声振动转化为振动分流盘上沿水平方向的径向超声振动，由于振动分流盘的中间呈镂空状设置，其径向超声振动则集中在振动分流盘的边缘处；使得振动分流盘上的径向超声振动能更好地传递到合金熔体中，尤其是在固液交界面处和铸锭外侧边缘处，径向超声振动幅度大；这样，通过振动分流盘的径向超声振动，在无需额外添加助剂的状态下，就可以对合金熔体进行除气、晶粒细化、均质化等处理；经过晶粒细化后的合金铸体，屈服强度、硬度和延展性等机械性能都可以大幅提高；均质和除气效应也可以大幅改善合金铸体的可加工性及表面质量，同时提高其抗腐蚀能力；另一方面，超声换能器只是将常见工业电能转化为超声机械能，无需消耗大量的电能，可以起到节约电能的效果。

本实用新型通过改进半连续铸造中原有的部分，在不添加新元素、不改变原有工艺的前提下，即可改进产品性能。

附图说明

图1为本实用新型的辅助熔融合金结晶的超声装置在熔融合金铸造工艺中使用结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例的超声装置的外形构造结构示意图；

图3为本实用新型还一个实施例的超声装置的外形构造结构示意图；

图4为本实用新型另一个实施例的超声装置的外形构造结构示意图；

图5为本实用新型又一个实施例的超声装置的外形构造结构示意图；

图6A、6B、6C本实用新型的辅助熔融合金结晶的超声装置中的振动分流盘结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的较佳实施例作进一步详细说明。

在合金锻造过程中，一般都对熔融合金，如，镁、铝及其合金的半连续铸造工艺等进行除气、晶粒细化以及晶粒均质化处理，确保锻造合金质量优良。本实用新型中，对合金锻造工艺处理如下。

如图1和5所示，在一个坩埚1装有金属及其合金，如，镁、铝及其合金，或者其他金属及其合金，通过高温加热置于坩埚1，使金属及其合金熔融成合金溶液2，这种合金溶液中可能含有一些杂质，如，沙粒、粉尘等，且熔融过程中会产生有毒的气体，这些气体和/或沙粒、粉尘等杂质可能被包覆在合金溶液中。为避免气体和/或沙粒、粉尘等杂质在合金溶液锻造过程中影响锻造后的合金体质量，则需要对合金溶液2进行除气、去杂质的处理。因此，需要采用辅助熔融合金结晶的超声装置20对合金溶液2在锻造时进行相应处理。

高温的合金溶液2通过导液管3被输送至锻造器11中进行合金锻造。一般而言，导液管3外表面需要进行隔热绝热包覆处理，如，采用耐高温的石棉网/ 或特氟龙包覆，这样可以中避免合金溶液2在导液管3中传送过程中因温度过低而凝结成金属固体，或者可以避免因导液管3外表面温度过高而伤及人员。当合金溶液2经导液管3导流至锻造器11中后，在锻造器11中安装有辅助熔融合金结晶的超声装置20，该装置的上端通过加持机构4和支架41与进给机构 5固定连接，进给机构5则固定在固定物上。进给机构5可以为辅助熔融合金结晶的超声装置20提供驱动电源和/或低温保护气。辅助熔融合金结晶的超声装置20的下端置于锻造器11中，且浸入锻造器11中的合金溶液。辅助熔融合金结晶的超声装置20在电源驱动下，将电能转化为振动能，即超声振动波，并将超声振动波传递到合金溶液中。另一方面，锻造器11外围盘绕有若干圈冷却管，冷却管中不断流动者冷却介质，且冷却介质由设于锻造器11下端的冷却介质入口13流进，由置于锻造器11上下端的冷却介质出口14流出。冷却介质的作用是使导液管3导流到锻造器11的合金液体进行降温析晶，形成合金铸锭12并沉淀于锻造器11的底部。而辅助熔融合金结晶的超声装置20的作用，则是在合金液体进行降温析晶过程中，通过超声振动波，破坏合金溶液中的气泡，排除合金溶液中的气体；同时，辅助熔融合金结晶的超声装置20传递给合金溶液的超声波，可以在合金溶液析晶过程中使晶粒中的原子、晶格等进行重排，实现晶粒细化；又鉴于超声波对合金溶液的振动遍布整个锻铸器11中的合金溶液，且每处的振动波基本一致，这使得合金溶液析出的晶粒大小规格相一致，实现晶粒均质化额效果，且超声波还可以在合金溶液冷却析晶过程中，实现晶相分离，去除合金溶液中包覆的沙粒和/或灰尘等杂质。

上述冷却管中流动的冷却介质可以是冷却液体，如，自来水，合成冷却液；冷却介质也可以是冷却气体，如，低温空气、氮气等。优选，自来水冷却液，获取方便、制作成本低。

进一步地，如图2所示，一个实施例中，上述超声装置包括超声换能器7 以及中间镂空的振动分流盘10；超声换能器7设置与所述振动分流盘10固定连接，且超声换能器7的垂直轴线Y与振动分流盘所在的水平面X相垂直；超声换能器7所产生的纵向振动波经振动分流盘10的分流作用后分成两部分振动波；其中一小部分纵向振动波沿振动分流盘10继续纵向振动(如图5所示，沿 b1-b1所在振动方向)，剩下大部分纵向振动波沿振动分流盘10转化为径向振动的超声振动波(如图5所示，沿b2-b2所在振动方向)。超声换能器7为振动分流盘10提供沿水平方向的径向超声振；超声换能器7竖直设置固定在一固定物体上，在本实例中，固定物体为进给机构5，也就是说，超声换能器7通过加持结构4与进给机构5固定连接。

在进一步地，如图3所示，上述超声装置中，还包括一长条柱体的耐热变幅杆9；该耐热变幅杆9的一端,也就是耐热变幅杆9的上端与超声换能器7固定连接，该耐热变幅杆9的另一端，也就是耐热变幅杆9的下端与振动分流盘 10固定连接，且超声换能器7、耐热变幅杆9以及振动分流盘10三者的中心轴线a相重合。这样设计，起到均匀传递超声振动波的作用。

更进一步地，如图4所示，上述超声装置中，还包括一管柱状结构且内设中空腔60的外壳6；超声换能器7以及耐热变幅杆9的一部分设置在外壳6的中空腔60内，且超声换能器7位于外壳7的一端，也就是上外壳6的上端并固定设置在固定物体上；在本实例中，固定物体为进给机构5，也就是说，超声换能器7通过加持结构4与进给机构5固定连接；相应地，由于超声换能器6的下端外露在外壳6的下端，所以振动分流盘10外露在外壳6的另一端，也就是外壳6的下端。

较好地，如图1和5所示，上述辅助熔融合金结晶的超声装置20包括外壳 6、超声换能器7、耐热变幅杆8以及振动分流盘10。外壳6金属材质值得管柱状结构且内设中空腔60；壳体6的外形构造可做成圆柱体、长方体、或外接任何连接支架的形式，便于夹持和支撑。壳体6的中空腔60的横截面可以圆形/ 椭圆形/规则多面形，相应地，超声换能器7和耐热变幅杆8的外形构造也与中空腔60的构造的相匹配，方便安装。

超声换能器7则容置于外壳6的中空腔60内并位于外壳6的一端，也就是外壳6的上端。该超声换能器7通过设置在外壳6上端的电缆连接头61与进给机构5形成电连接。该超声换能器7能将电能转化为机械振动能，且上述辅助熔融合金结晶的超声装置20的振动能就是由超声换能器7提供的。超声换能器 7可采用夹心式压电换能器和磁致伸缩换能器，工作频率范围为15KHz-40Hkz。

耐热变幅杆8金属材质制得的长条柱体，横截面为圆形。该耐热变幅杆8 的一端，也就是耐热变幅杆8的上端伸入外壳6的中空腔60后与超声换能器7 固定连接，此处的固定连接可以是螺纹连接、卡接或者螺栓紧固连接中的一种。该耐热变幅杆8的另一端，也就是耐热变幅杆8的下端穿过外壳6的另一端，也就是外壳6的下端后与振动分流盘10固定连接，此处的固定连接可以是螺纹连接、卡接或者螺栓紧固连接中的一种，本实施例中优选螺纹连接；耐热变幅杆8对超声换能器7产生的机械振动波起到传递振动、调节振幅的作用；也就是说，超声换能器7产生的振动波通过耐热变幅杆8传递到振动分流盘10上。

由于耐热变幅杆8为长条状结构，为避免其收到外界震动干扰而产生摆动，耐热变幅杆8的上端通过一法兰81与外壳6的内壁连接，且该法兰81相邻于耐热变幅杆8与超声换能器7的连接点。

较好实施例中，超声换能器7、耐热变幅杆8以及振动分流盘10连接后所构成的轴线与中空腔60的轴线重合，这样设计，起到均匀传递超声振动波的作用。

辅助熔融合金结晶的超声装置20中，超声换能器7产生的纵向振动波传递到耐热变幅杆8上时，该耐热变幅杆8则相对于轴线a竖直方向来回高频振动，也即是纵向振动波，或者纵向超声振动波，该纵向振动波经传递到振动分流盘 10后，由于振动分流盘10的分流作用，将超声换能器7产生的纵向振动波分流分成两部分振动波；其中一小部分纵向振动波沿振动分流盘10继续纵向振动(如图5所示，沿b1-b1所在振动方向)，剩下大部分纵向振动波沿振动分流盘10 转化为径向振动的超声振动波(如图5所示，沿b2-b2所在振动方向)，也就是说：固定连接在耐热变幅杆8下端的振动分流盘10则将接收到的纵向超声振动波大部分转换为沿b2-b2水平方向的径向超声振动波，小部分超声振动波保留为b1-b1竖直方向的轴向振动，也称为纵向振动波；振动分流盘10将b2-b2水平方向的径向超声振动波传递到即将冷却为铸锭的熔融合金。

一实施例中，如图6A、6B、6C所示，振动分流盘10包括连接柱110、若干根筋板130以及中空的盆状框架120。连接柱110的一端，也就是连接柱的上端设有内螺纹孔111，该螺纹孔111与耐热变幅杆8的下端形成螺纹固定连接；连接柱110的另一端，也就是连接柱110的下端与每根筋板130的一端呈垂直固定连接，每根筋板130的另一端与盆状框架120的内壁固定连接；若干根筋板 130与盆状框架120之间呈镂空状构造。

本实施例中，如图6A、6B、6C所示，筋板130的数量为四根，规格尺寸一样。四根筋板130以连接柱110为中心，按照圆周分布设置，且相邻两根筋板 130的夹角为90°。四根筋板130再与盆状框架120的内壁固定连接后，则形成镂空腔131。由于筋板130的长度一样，在装配成振动分流盘10后，连接柱 110也就位于盆状框架120的中心位置。此时，连接柱110的中心轴线与盆状框架120的中心轴线重合。

在其他实施例中，筋板130的数量也可以是三根、五根、六根等，根据需要而定。

较好实施例中，盆状框架10的外径为50-500mm，优选200mm。这种外径的盆状框架10，可以与超声换能器7在工作频率范围为15KHz-40KHz作用下产生的超声振动能相匹配；如果盆状框架10的外径过大，超声换能器7产生的超声振动波传递到盆状框架10上后，由于其自身重量原因，盆状框架10获得水平超声振动波能量较小，不利于合金溶液冷却过程的析晶细化以及除气处理；如果盆状框架10的外径过小，超声换能器7产生的超声振动波传递到盆状框架10 上后，盆状框架10获得水平超声振动波能量较大，在合金溶液冷却析晶过程中，不利于合金结晶细化，甚至造成晶粒中晶格形变，难以获得均质化晶粒。

为了使振动分流盘10在合金溶液冷却析晶过程中使合金晶粒得到细化和均质化，则需要将超声换能器7产生的振动波通过使振动分流盘10的盆状框架10 分散到冷却过程中的合金溶液中，此时，在盆状框架壁120上开设有若干个通孔121，如图6B和6C所示；且若干个通孔121沿圆周轴线分布设置且位于同一平面上，相邻两个通孔131的夹角相等。

这种通过设置镂空腔131和开设通孔121设计的振动分流盘10，使其既满足的常规分流盘的功能又可以将超声振动传递到合金溶液中，尤其是在固-液交界面处和铸锭外侧边缘处获得较好的超声振动波，有利于合金溶液冷却析晶时使晶粒更加细化和均质化，经过晶粒细化后的合金铸体的屈服强度、硬度和延展性等机械性能可以大幅提高；同时，均质和除气效应还可大幅改善合金铸体的可加工性及表面质量，提高其抗腐蚀能力。

一较好实施例中，如图1所示，上述辅助熔融合金结晶的超声装置20还包括一用于对耐热变幅杆进行降温处理的风冷套管9；风冷套管9的外表面贴附在外壳6的内壁上，风冷套管9的内表面与耐热变幅杆8相包覆式贴近，但不与接触耐热变幅杆8，也就是说，风冷套管9的内表面与耐热变幅杆8之间预留一定间隙，该间隙空间可以使耐热变幅杆8沿轴线方向振动，用于传递轴线超声振动波；风冷套管9与振动分流盘10相邻，也就是说，风冷套管9设置于外壳 6的内壁下端。相应地，在外壳6上且靠近超声换能器7的一端，也就是外壳6 的上端设有气管接头62，该气管接头62的一端通过外壳6的中空腔60与风冷套管9形成气流贯通连接，该气管接头62的另一端与外界的进给机构5连接，由进给机构5输入冷却气体，对耐热变幅杆8进行降温处理，避免耐热变幅杆8 因温度过高而损坏，同时也可降低或阻止耐热变幅杆8向超声换能器7传送热量，防止超声换能器7因温度过高而损坏。

应当理解的是，上述针对本实用新型较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本实用新型专利保护范围的限制，本实用新型的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种辅助熔融合金结晶的超声装置，其特征在于，包括超声换能器以及中间镂空的振动分流盘；所述超声换能器设置与所述振动分流盘固定连接，且所述超声换能器的垂直轴线与所述振动分流盘所在的水平面相垂直；所述超声换能器所产生的纵向振动波经所述振动分流盘的分流作用后分成两部分，其中一小部分所述纵向振动波沿所述振动分流盘继续纵向振动，剩下大部分所述纵向振动波将沿所述振动分流盘转化为径向振动的超声振动波；还包括一长条柱体的耐热变幅杆；所述耐热变幅杆的一端与所述超声换能器固定连接，所述耐热变幅杆的另一端与所述振动分流盘固定连接，且所述超声换能器、耐热变幅杆以及振动分流盘三者的中心轴线相重合。

2.根据权利要求1所述的超声装置，其特征在于，所述振动分流盘包括连接柱、若干根筋板以及中空的盆状框架；所述连接柱的一端与所述耐热变幅杆固定连接，所述连接柱的另一端与每根所述筋板的一端呈垂直固定连接，每根所述筋板的另一端与所述盆状框架的内壁固定连接；若干根所述筋板与所述盆状框架之间呈镂空状构造。

3.根据权利要求2所述的超声装置，其特征在于，相邻两根所述筋板的夹角相等。

4.根据权利要求2所述的超声装置，其特征在于，所述盆状框架的外径为50-500mm。

5.根据权利要求2所述的超声装置，其特征在于，在所述盆状框架壁上开设有若干个通孔。

6.根据权利要求5所述的超声装置，其特征在于，若干个所述通孔沿圆周轴线分布设置且位于同一平面上；相邻两个所述通孔的夹角相等。

7.根据权利要求1所述的超声装置，其特征在于，还包括一管柱状结构且内设中空腔的外壳；所述超声换能器以及所述耐热变幅杆的一部分设置在所述外壳的中空腔内；所述振动分流盘外露在所述外壳的另一端。

8.根据权利要求7所述的超声装置，其特征在于，还包括一用于对所述耐热变幅杆进行降温处理的风冷套管；所述风冷套管贴附在所述外壳的内壁上并与所述耐热变幅杆相包覆式贴近，且所述风冷套管与所述振动分流盘相邻。

9.根据权利要求8所述的超声装置，其特征在于，在所述外壳上且靠近所述超声换能器的一端设有气管接头，该气管接头的一端与所述风冷套管形成气流贯通连接，该气管接头的另一端与外界的进给机构连接。

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