PL247786B1 - Układ ultradźwiękowy przeznaczony do obróbki metali i ich stopów oraz sposób obróbki ciekłych metali i ich stopów - Google Patents

Abstract

Układ ultradźwiękowy do obróbki ciekłych metali oraz ich stopów, zawierający przynajmniej jeden przetwornik ultradźwiękowy, oraz przynajmniej jeden falowód kompozytowy (101) wykonany z materiału kompozytowego zawierającego zbrojenie i osnowę, przy czym przetwornik ultradźwiękowy (102) jest sprzężony z falowodem kompozytowym (101) tak że w trakcie pracy wzbudza w falowodzie kompozytowym (101) falę stojącą drgań mechanicznych, znamienny tym, że osnowa zawiera materiał ceramiczny i zbrojenie zawiera włókna z materiału ceramicznego przy czym przetwornik ultradźwiękowy (102) jest sprzężony z falowodem kompozytowym (101) tak, że wzbudza w falowodzie kompozytowym (101) drgania mechaniczne podłużne względem włókien materiału zbrojenia, falowód kompozytowy (101) zespojony.

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ ultradźwiękowy przeznaczony do obróbki ciekłych metali i ich stopów.

W stanie techniki wykorzystuje się drgania o częstotliwości ultradźwiękowej do obróbki ciekłych metali. Do typowych zastosowań zalicza się atomizację proszków, odgazowanie i stopowanie metali i ich stopów. Typowo układ ultradźwiękowy pobudzany jest przez przetwornik piezoelektryczny lub magnetostrykcyjny. Ze względu na to, że górna temperatura pracy tych przetworników jest dużo niższa niż temperatura topnienia większości metali, układ ultradźwiękowy wymaga zastosowania chłodzenia o wysokiej wydajności lub oddalenia przetwornika od źródła ciepła.

Aby ultradźwiękowa obróbka ciekłych metali zachodziła w sposób stabilny, wymagane jest utrzymanie temperatury powierzchni sonotrody powyżej temperatury topnienia stopu, gdyż w przeciwnym razie postępuje krystalizacja stopu na jej powierzchni. Ze względu na ograniczoną temperaturę pracy przetwornika piezoelektrycznego generuje to wysoki gradient termiczny, co przekłada się na niską żywotność sonotrody. Jednocześnie, ze względu na ograniczenia materiałowe i wysokie obciążenie zmęczeniowe (miliony cykli poniżej jednej minuty), ogranicza to maksymalną temperaturę pracy niechłodzonej sonotrody z materiałów metalicznych do ok. 1000 K.

Istotnym problemem we wszystkich zastosowaniach wykorzystujących ultradźwięki w wysokiej temperaturze jest dobór materiału, który jest w stanie przenosić drgania o wysokiej intensywności bez jego zniszczenia. Naturalnymi kandydatami na falowody pracujące w wysokiej temperaturze są metale wysokotopliwe i ceramika inżynierska.

Metale wysokotopliwe w temperaturze powyżej 1000 K znacznie tracą na wytrzymałości. Spadek ten jest szczególnie silny po przekroczeniu ½ temperatury homologicznej (temperatury pracy do temperatury topienia). Przykładowo stop Ti6A14V (ASTM grade 5) w temperaturze pokojowej osiąga nawet 600 MPa wytrzymałości zmęczeniowej, a powyżej 1073 K wytrzymałość ta spada poniżej 100 MPa. Podobnie w przypadku spieków wolframu (Densimet), które osiągają do 400 MPa wytrzymałości zmęczeniowej, a w 1573 K wytrzymałość ta spada poniżej 20 MPa.

Ceramika inżynierska w tym grafit, azotek krzemu, węglik krzemu, materiały typu SiAlON jest krucha i ma bardzo niską wytrzymałość na rozciąganie. Znane ze stanu techniki i praktyki przemysłowej rozwiązania (Constellium's R&D on the Use of Power Ultrasound in Liquid Aluminium: An Overview Philippe Jarry and Jean-Louis Achard) pozwalają jedynie na przeniesienie niskiej amplitudy drgań, a ich szersze zastosowanie jest limitowane przez trudny do przewidzenia proces pękania ceramiki pod wpływem ultradźwięków.

Jako najbliższy stan techniki do przedmiotowego wynalazku należy wskazać dokumenty opisujące wykorzystanie metali wysokotopliwych i ceramiki inżynierskiej na falowody pracujące w wysokiej temperaturze, gdyż żaden z dostępnych w stanie techniki dokumentów nie wskazuje kompozytów włóknistych na osnowie ceramicznej lub metalicznej i ze zbrojeniem ceramicznym lub metalicznym jako materiałów możliwych do zastosowania w układach ultradźwiękowych wysokiej mocy, ani nie wskazuje niezbędnej dla prawidłowego działania układu orientacji falowodu i włókien.

Brak jest jednolitości w definicjach materiałów kompozytowych. W niniejszym opisie przyjęto definicję za A. Boczkowska, J. Kapuściński, Kompozyty, WPW, Warszawa 2000. Kompozyt, lub inaczej materiał kompozytowy jest materiałem, który spełnia łącznie: jest złożony co najmniej z dwóch faz o odmiennych właściwościach, które zostały połączone w ten sposób, że ma właściwości nowe w stosunku do komponentów wziętych osobno lub wynikających z prostego sumowania ich właściwości. Fazom tym przypisuje się niekiedy nazwy odpowiadające ich funkcjom mechanicznym i jedną z faz określa się osnową zaś drugą zbrojeniem. Szczególną formą kompozytu opisywaną w zgłoszeniu jest kompozyt włóknisty, którego zbrojenie stanowi materiały włóknisty tj. materiał uformowany w ten sposób, że jeden jego wymiar jest wielokrotnie większy od pozostałych.

Amerykański dokument patentowy US3599319 opisuje wykorzystanie falowodu wykonanego z grafitu i przenoszącego drgania wzdłużne. Falowód ze wzmocnieniem przyklejony jest do elementu metalicznego ze względu na trudności technologiczne w połączeniu grafitu z przetwornikiem ultradźwiękowym. W podanym zgłoszeniu intensywność drgań ograniczona jest przez niską wytrzymałość grafitu.

Japoński dokument patentowy JP6074583 opisuje falowód wykonany z materiału metalicznego w postaci drutu, rozwiązanie przeznaczone jest również do atomizacji. Wykorzystanie materiału metalicznego ogranicza maksymalną temperaturę pracy tego rozwiązania.

Amerykański dokument patentowy US7744729 przedstawia sonotrodę z ceramiczną końcówką, w której wzbudzono drgania podłużne, która jest przeznaczona do pracy z ciekłymi metalami. Niewielki rozmiar końcówki i kruchość monolitycznej ceramiki ograniczają zastosowanie tego rozwiązania.

Europejski dokument patentowy EP2731742 opisuje pobudzaną przez wibrator pneumatyczny płytę z kompozytu szklano-ceramicznego poniżej częstotliwości ultradźwiękowych tj. 100 Hz do 20000 Hz, podczas gdy częstotliwości ultradźwiękowe powszechnie uznaje się od 20000 Hz. Ponadto kompozyt obciążony jest wzdłuż osi włókien i z niską amplitudą przez co nie można go uznać za pracujący w warunkach obciążenia zmęczeniowego. Osnowa z materiałów z ceramiki tlenkowej ma zapewnić niską zwilżalność przez ciekłe aluminium, co jest korzystne np. podczas filtracji ciekłego aluminium, ale nie sprzyja niektórym innym zastosowaniom np. atomizacji metali.

Jak pokazano w literaturze Murcinkova, Zuzana, et al. Damping properties of fibre composite and conventional materials measured by free damped vibration response. Advances in Mechanical Engineering 11.5 (2019): 1687814019847009, w przypadku kompozytów ceramika-ceramika, interakcja między włóknem a osnową powoduje wzrost współczynnika tłumienia. Jak pokazano również w przypadku kompozytów węgiel-węgiel Vaidya, U. K., P. K. Raju, and W. Kowbel. Material damping studies on carbon-carbon composites. Carbon 30.6 (1992): 925-929. wysoki współczynnik tłumienia utrudnia zastosowanie tych materiałów na sonotrody, a drgania powodują pękanie osnowy i utracenie spoistości kompozytu. Z tego względu powszechnie przyjęto, że materiałów kompozytowych nie stosuje się do wykonywania falowodów drgających do obróbki ciekłych metali.

Amerykański patent US9327347 opisuje wykorzystanie niobowej sonotrody z kanałami przez który tłoczony jest gaz do odgazowania ciekłej miedzi.

Amerykańskie dokumenty patentowe US10640846, US9382598, US10316387, US9617617, US10233515 stanowią najbliższe dokumenty stanu techniki i opisują elementy układ do odgazowania ciekłych metali z systemem kanałów doprowadzających medium robocze w pobliżu czoła sonotrody. Medium robocze podawane jest przez zewnętrzną tuleję lub poprzez kanał znajdujący się w sonotrodzie za pośrednictwem wzmacniającego falowodu. Materiały na sonotrody obejmują grupę materiałów metalicznych pokrytych niobem i materiały ceramiczne jak SiAlON i tlenek aluminium. Działanie rozwiązania opiera się na doprowadzeniu gazu obojętnego w pobliże czoła sonotrody za pomocą kanałów, których ujścia znajdują się w pobliżu czoła sonotrody. Wadą tych rozwiązań jest niska wytrzymałość i wysoki koszt monolitycznej ceramiki (szczególnie typu SiAlON) oraz znaczny rozmiar pęcherzyków gazu obojętnego wydostającego się przez kanały w sonotrodzie, a co za tym idzie niewielka powierzchnia międzyfazowa.

Jako inne dokumenty patentowe istotne dla stanu techniki, opisujące falowody przeznaczone do pracy w wysokiej temperaturze, metody ich chłodzenie oraz materiały z jakich są wykonane, należy wymienić: US2004124745, CN110666183, CN209792610, CN110465672, EP2832456, GB952042,

EP0689774, JPS59189042, CN1422718, DE2656330, US2889580, US3275787, US3833163,

US2012216576, GB1594977, US3682459, JP2002096024, CN106835006, CN102935742,

CN201305623, CN102 554195, US8844897, JP2011177787, CN104384483, JP5570883, JPH04305279, US376236, CN106795583, CN201713563, JPH09220661, JPH02121830, JPH05427, JP2011051007, CH707125, JPS5925904A, WO2012148714, JP2003138303, EP1238715, EP0434980, JPS59211571, KR101764289, CN107138733, JPH01191707, US5198157, CN105855558, CN107900364,

CN202169374, US4981425, EP1238715, CN103433499, US447318A, GB1150506, US2488353A,

US2889580, DE3032785, CN101332513, CN102935742, US7820249, JPH0911199, JPH09294744, CN107848024, CN102554195, CN110421178, CN110395739, CN110303162, CN209407418, CN209407418, CN110076346, CN109622982, EP1245315, JPH0949007, JPH0949007, RU2714001, CN209849886, CN20984988, CN110355377, CN110666183, WO2020006062, CN109967752, CN109622980, CN1078776787, CN204504226, US4798332, US4412505, US4473187, US4402458, US4799622, DE2137083, SU695691, US6247525, JPH08100205, CN201832965, CN105855487,

CN109622906, SU850301, CN2776571, CN201538802, CN107306372, US4307128, CN201208649, CN105665730, WO2008080888, US5653346, US5171387, SU1715500A1, SU1715501A1,

SU1715502A1, JPH02212097, US6058823, GB2282559, US6497164, GB2248795, GB2270025,

GB2325192, DE10353804, JPH07132493, WO2017154113, JP2007307632, CN101966661,

CN103071613, CN104550875, US8459122B2, JPH11128836, WO2018168288, JP2004033948,

US10233515, US2820263, US3193889, US3459255, US4287755, US5355935, US4662427,

US3193889, US3363668, US3599319, US3363668, DE602004004488T2, EP1250972, US9481031B2, DE3106711, SU695691A1, RU2577582C1, WO03068412, US8610334.

Celem wynalazku jest przezwyciężenie określonych wyżej ograniczeń metali wysokotopliwych i ceramik inżynierskich oraz zapewnienie niezawodnego układu ultradźwiękowego przeznaczonego do pracy w wysokiej temperaturze wymaganej do odgazowania ciekłych metali i ich stopów, a jednocześnie odpornego na zmęczenie materiału wynikające z ciągłych drgań w tej temperaturze.

Każdorazowo, kiedy w dokumencie przywoływane są metody spajania materiałów należy je rozumieć jako grupę metod nierozłączonego łączenia materiałów obejmującą techniki takie jak spawanie, klejenie, zgrzewanie, lutowanie, oraz metody pokrewne. Każdorazowo, kiedy w dokumencie przywoływane jest sprzężenie dwóch elementów mechanicznych należy to rozumieć jako sytuację, kiedy częstotliwość rezonansowa obydwu elementu jest zbliżona, a fala mechaniczna wzbudzona w jednym elemencie, wzbudza również falę mechaniczną w drugim elemencie.

Zgodnie z wynalazkiem zapewnia się układ ultradźwiękowy do obróbki ciekłych metali oraz ich stopów, zawierający przynajmniej jeden przetwornik ultradźwiękowy, oraz przynajmniej jeden falowód kompozytowy wykonany z materiału kompozytowego zawierającego zbrojenie i osnowę, przy czym przetwornik ultradźwiękowy jest sprzężony z falowodem kompozytowym tak, że w trakcie pracy wzbudza w falowodzie kompozytowym falę stojącą drgań mechanicznych. Osnowa zawiera materiał ceramiczny i zbrojenie zawiera włókna z materiału ceramicznego przy czym przetwornik ultradźwiękowy jest sprzężony z falowodem kompozytowym tak, że wzbudza w falowodzie kompozytowym drgania mechaniczne podłużne względem włókien materiału zbrojenia, a falowód kompozytowy zespojony jest resztą układu ultradźwiękowego. Włókniste materiały kompozytowe cechują się wysoką stratnością mechaniczną w zakresie wysokich częstotliwości, przez co nie są uznawane przez ekspertów w dziedzinie za materiały zdatne do wykorzystania w elementach ultradźwiękowych. Wynika to z dużej różnicy w modułach włókna i osnowy oraz stratach związanych z przejściem przez granicę międzyfazową. Z uwagi na wysokie tłumienie wynikające z interakcji pomiędzy włóknem, a osnową znawcy rutynowo rezygnują ze stosowania kompozytów do wykonywania sonotrod. Układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym według wynalazku również cechuje się wysoką stratnością, ale dzięki wysokiej odporności na pękanie i zastosowaniu zarówno na osnowę i zbrojenie materiałów o wysokiej odporności termicznej, może być zastosowany we wcześniej nieosiągalnych środowiskach kosztem wyższej mocy biernej - rozpraszanej podczas odkształcenia sprężystego w trakcie pracy układu ultradźwiękowego. Ponadto ze względu na heterogeniczną strukturę krytyczne jest rozmieszczenie włókien w falowodzie kompozytowym w taki sposób żeby wzbudzona fala mechaniczna była podłużna do kierunku rozmieszczenia włókna, lub o dominującym kierunku podłużnym do kierunku rozmieszczenia włókna. Inne ułożenie włókna powoduje utratę właściwości mechanicznych kompozytu i zniszczenie falowodu kompozytowego. Ponadto ze względu na typowo wysoką różnice modułów osnowy i zbrojenia, kluczowe dla działania wynalazku jest trwałe zespojenie falowodu kompozytowego z resztą układu drgającego. Nieoczekiwanie okazuje się, że stosowanie standardowych w technice ultradźwięków łączników śrubowych powoduje wykruszanie cząstek kompozytu ceramicznego. Zastosowanie metod spajania pozwala efektywnie przenieść drgania ultradźwiękowe przy jednoczesnej eliminacji wad połączenia rozłącznego, o ile każdy z łączonych elementów będzie zawierał wielokrotności długości fali stojącej w danym materiale.

Korzystnie falowód kompozytowy zespojony jest z falowodem metalicznym, który sprzężony jest z przetwornikiem za pomocą łącznika śrubowego. W korzystnej wersji wynalazku falowód kompozytowy zespojony jest z falowodem metalicznym tworząc wymienną część układu ultradźwiękowego. Wymiana falowodu kompozytowego w tym układzie nie wymaga wymiany przetwornika ultradźwiękowego, co obniża koszty użytkowania.

Korzystnie układ ultradźwiękowy wyposażony jest w układ chłodzenia cieczą. Zapewnienie wymuszonego chłodzenia układu ultradźwiękowego redukuje ryzyko przekroczenia dopuszczalnej temperatury pracy przetwornika.

Korzystnie falowód kompozytowy zespojony jest z resztą układu za pomocą połączenia klejonego lub lutowanego. Falowód kompozytowy może być zespojony z falowodem metalicznym za pomocą połączenia klejonego jeśli źródło ciepła znajduje się daleko od połączenia lub jeśli obciążenie cieplne jest niskie, lub za pomocą odpowiednich lutów jeśli obciążenie cieplne jest wysokie.

Korzystnie osnowa zawiera materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu i ich mieszaniny, a zbrojenie zawiera włóknisty materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu i ich mieszaniny. Kompozyty typu węgiel-węgiel i węglik krzemu-węglik krzemu pozwalają w efektywny kosztowo sposób zrealizować założenie wynalazku, a jednocześnie te kompozyty cechują się wysoką odpornością termiczną i stabilnością w wysokich temperaturach. Osnowa na bazie węgla lub węglika krzemu cechuje się niską zwilżalnością przez większość niewęglikotwórczych metali i ich stopów przez co idealnie nadaje się do zastosowania w ich obróbce podczas długotrwałej ekspozycji termicznej np. podczas odgazowania ciekłego aluminium, lub homogenizacji kompozytów ceramika-metal. Szczególnie korzystnym materiałem zbrojenia są włókna z węgla lub węglika krzemu lub ich mieszanin. Wytrzymałość tych włókien jest utrzymana nawet do temperatury 2000°C, a przypadku niektórych kompozycji nawet rośnie, przez co możliwa jest efektywna obróbka ultradźwiękowa metali i stopów na bazie żelaza, kobaltu, niklu, czy platyny. Ponadto zastosowanie włókien węglikowych korzystnie ogranicza dyfuzję węgla wewnątrz metalicznej osnowy, szczególnie w przypadku jej właściwości węglikotwórczych. Ponadto połączenie ww. włókien z osnową może być w sposób standardowy optymalizowane przez nanoszenie na nie dodatkowych powłok i warstw.

Korzystnie falowód kompozytowy posiada porowatość otwartą powyżej 1% oraz nieprzelotowy otwór podłączony do wlotu medium roboczego. W korzystnej wersji wynalazku medium robocze np. argon tłoczy się przez wlot medium roboczego do kanału nieprzelotowego, a następnie medium robocze uchodzi przez pory falowodu kompozytowego. Medium robocze uchodzi przez pory falowodu kompozytowego w postaci drobnych pęcherzyków, a drgania ultradźwiękowe dodatkowo ułatwiają ich odrywanie od powierzchni falowodu. Maksymalizuje to powierzchnię międzyfazową i intensyfikuje reakcje zachodzące między medium roboczym, a materiałem obrabianym. Korzystna wersja wynalazku istotnie przyspiesza proces odgazowania ciekłych stopów aluminium. W takim przypadku medium roboczym jest np. argon lub chlor.

Korzystnie falowód kompozytowy jest pokryty warstwą lub powłoką o niższej przepuszczalności w stosunku do medium roboczego niż materiał falowodu kompozytowego. Zastosowanie pokrycia o niższej przepuszczalności pozwala moderować wnikanie medium obrabianego do wnętrza falowodu jak i miejsce, w którym ulatuje medium robocze. W szczególności powłoka o niskiej przepuszczalności zawierającą materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel pirolityczny, węglik krzemu oraz węgiel szklisty, dodatkowo podwyższa odporność na wysoką temperaturę i kawitację w środowisku ciekłych metali. Ww. materiały zapewniają również wysoką odporność na kawitację w środowisku ciekłych metali przez co podwyższają żywotność falowodu kompozytowego w aplikacjach, które nie wymagają wysokiej zwilżalności powierzchni np. podczas odgazowania stopów aluminium, czy wytwarzania kompozytów ceramika-metal.

Przedmiot wynalazku został ukazany na przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ ultradźwiękowy według pierwszego przykładu wykonania, Fig. 2 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem metalicznym według drugiego przykładu wykonania, Fig. 3 przedstawia układ ultradźwiękowy z doprowadzeniem medium roboczego według trzeciego przykładu wykonania; Fig. 4 przedstawia układ ultradźwiękowy z doprowadzeniem medium roboczego poprzez falowód metaliczny według czwartego przykładu wykonania; Fig. 5 przedstawia układ ultradźwiękowy z chłodzonym cieczą falowodem metalicznym według piątego przykładu wykonania; Fig. 6 przedstawia układ ultradźwiękowy z chłodzonym cieczą falowodem metalicznym i doprowadzeniem medium roboczego przez falowód metaliczny według szóstego przykładu wykonania; Fig. 7 przedstawia układ ultradźwiękowy z doprowadzeniem medium roboczego w postaci aerozolu przez falowód metaliczny według siódmego przykładu wykonania; Fig. 8 przedstawia układ ultradźwiękowy z doprowadzeniem medium roboczego przez falowód metaliczny i z falowodem kompozytowym pokrytym warstwą o niskiej przepuszczalności według ósmego przykładu wykonania.

Fig. 1 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym 101 w postaci walca o średnicy 20 mm i długości 400 mm (co stanowi czterokrotność długości fali stojącej przy częstotliwości 20 kHz) równoległym do osi przetwornika 102 i wykonanym z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone jednokierunkowo wzdłuż osi przetwornika 102 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz. Falowód kompozytowy wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera 60% węglika krzemu i 40% węgla, a zbrojenie stanowi włókno węglowe z udziałem objętościowym 70% w objętości kompozytu. Falowód kompozytowy 101 zespojony jest z przetwornikiem 102 za pomocą kleju cyjanoakrylowego.

Fig. 2 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym 201 w postaci walca o średnicy 30 mm i długości 200 mm (co stanowi dwukrotność długości fali stojącej przy częstotliwości 20 kHz) równoległym do osi przetwornika 202 i wykonanym z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone w splocie satynowym, a kolejne warstwy tkaniny są równoległe do osi przetwornika 202 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz. Falowód kompozytowy wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera 100% węgla, a zbrojenie stanowi włókno węglowe z udziałem objętościowym 60% w objętości kom pozytu. Falowód kompozytowy 201 zespojony jest z falowodem metalicznym wykonanym z stopu tytanu Ti6A14V 203 za pomocą kleju epoksydowego. Falowód metaliczny 203 połączony jest z przetwornikiem 202 za pomocą łącznika śrubowego.

Fig. 3 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym 301 w postaci walca o średnicy 20 mm i długości 400 mm (co stanowi ośmiokrotność długości fali stojącej przy częstotliwości 40 kHz) równoległym do osi przetwornika 302 wykonanym z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone jednokierunkowo wzdłuż osi przetwornika 302 o pojemności 5,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 40 kHz. Falowód kompozytowy 301 wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera tlenek aluminium, a zbrojenie włókno szafirowe z udziałem objętościowym 60% w objętości kompozytu. Falowód kompozytowy 301 posiada porowatość otwartą 2% objętościowo i wyposażony jest centralny kanał 304 o średnicy 5 mm i długości 395 mm oraz otwór na powierzchni bocznej połączony z systemem dozowania medium roboczego 305. Falowód kompozytowy 301 zespojony jest z falowodem metalicznym wykonanym z stopu tytanu Ti6A14V 303 za pomocą aktywnego lutu cyrkonowego. Falowód metaliczny 303 połączony jest z przetwornikiem 302 za pomocą łącznika śrubowego.

Fig. 4 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym 401 w postaci walca o średnicy 30 mm i długości 400 mm (co stanowi ośmiokrotność długości fali stojącej przy częstotliwości 40 kHz) równoległym do osi przetwornika 402 i wykonanym z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone w splocie prostym, a kolejne warstwy tkaniny są równoległe do osi przetwornika 402 o pojemności 5,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 40 kHz. Falowód kompozytowy 401 wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera 100% węglika krzemu, a zbrojenie włókno węglika krzemu z udziałem objętościowym 90% w objętości kompozytu. Falowód kompozytowy 401 posiada porowatość otwartą 5% objętościowo i wyposażony jest centralny kanał 404 o średnicy 5 mm i długości 395 mm. Falowód kompozytowy 401 zespojony jest z falowodem metalicznym wykonanym z stopu tytanu Ti6A14V 403 za pomocą lutu niklowo-tytanowego. Falowód metaliczny 403 połączony jest z przetwornikiem 402 za pomocą łącznika śrubowego oraz wyposażony jest otwór na powierzchni bocznej w węźle fali stojącej, połączony z systemem dozowania medium roboczego 405.

Fig. 5 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym 501 w postaci walca o średnicy 20 mm i długości 200 mm (co stanowi dwukrotność długości fali stojącej przy częstotliwości 20 kHz) równoległym do osi przetwornika 502 wykonany z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone jednokierunkowo wzdłuż osi przetwornika 502 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz. Falowód kompozytowy 501 wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera 100% węgla, a zbrojenie włókno węglowe z udziałem objętościowym 90% w objętości kompozytu. Falowód kompozytowy 501 zespojony jest z falowodem metalicznym wykonanym z stopu miedzi CuCrZr 503 za pomocą lutu srebrnego. Falowód metaliczny 503 połączony jest z przetwornikiem 502 za pomocą łącznika śrubowego oraz wyposażony jest w uszczelnioną w węzłach fali stojącej komorę 506, przez którą przepływa woda chłodząca o wydatku 20 l/min.

Fig. 6 przedstawia układ ultradźwiękowy z falowodem kompozytowym 601 w postaci walca o średnicy 30 mm i długości 600 mm równoległy do osi przetwornika 602 wykonanym z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone jednokierunkowo wzdłuż osi przetwornika 602 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz. Falowód kompozytowy 601 wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera 100% węgla, a zbrojenie włókno węglowe z udziałem objętościowym 90% w objętości kompozytu. Falowód kompozytowy 601 wyposażony jest w kanał nieprzelotowy 604 o średnicy 10 mm i długości 550 mm. Falowód kompozytowy 601 zespojony jest z falowodem metalicznym wykonanym z stopu miedzi CuCrZr 603 za pomocą lutu srebrnego i falowodów metaliczny 603 wyposażony jest w otwór podłączony do systemu dozowania medium procesowego 605. Falowód metaliczny 603 połączony jest z przetwornikiem 602 za pomocą łącznika śrubowego oraz wyposażony jest w uszczelnioną w węzłach fali stojącej komorę 606, przez którą przepływa woda chłodząca o wydatku 20 l/min oraz otwór podłączony do systemu dozowania medium procesowego.

Fig. 7 przedstawia układ ultradźwiękowy wyposażony w falowód kompozytowy 701 w postaci walca o średnicy 30 mm i długości 600 mm równoległy do osi przetwornika 702 wykonany z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone warstwowo, przy czym kolejne warstwy są równoległe do osi przetwornika 702 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz. Falowód kompozytowy 701 wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera 100% węgla, a zbrojenie włókno węglowe z udziałem objętościowym 90% w objętości kompozytu. Falowód kompozytowy 701 wyposażony jest w kanał przelotowy 707. Falowód kompozytowy 701 zespojony jest z falowodem metalicznym wykonanym z stopu miedzi CuCrZr 703 za pomocą lutu srebrnego i falowodów metalicznym 703 wyposażony jest w otwór podłączony do systemu dozowania medium procesowego 705. Medium procesowe stanowi aerozol topnika i argonu. Falowód metaliczny 703 połączony jest z przetwornikiem 702 za pomocą łącznika śrubowego.

Fig. 8 przedstawia układ ultradźwiękowy wyposażony w falowód kompozytowy 801 w postaci walca o średnicy 30 mm i długości 600 mm równoległy do osi przetwornika 802 wykonany z kompozytu włóknistego z zaznaczonym rozkładem włókien, przy czym włókna są ułożone jednokierunkowo wzdłuż osi przetwornika 802 o pojemności 11,9 nF z ceramiką PZT 8 i nominalną częstotliwością pracy 20 kHz. Falowód kompozytowy 801 wykonany jest z kompozytu, którego osnowa zawiera 100% węgla, a zbrojenie włókno węglowe z udziałem objętościowym 80% w objętości kompozytu i 10% porowatości otwartej w objętości kompozytu. Falowód kompozytowy 801 wyposażony jest w kanał nieprzelotowy 804 o średnicy 5 mm i długości 595 mm oraz pokryty jest warstwą diborku tytanu o grubości 2 um otrzymanego metodą CVD na długości 500 mm licząc od łączenia z falowodem metalicznym 803. Falowód kompozytowy 801 zespojony jest z falowodem metalicznym wykonanym z stopu miedzi CuCrZr 803 za pomocą lutu srebrnego i falowód metalicznym 803 wyposażony jest w otwór podłączony do systemu dozowania medium procesowego 805. Falowód metaliczny 803 połączony jest z przetwornikiem 802 za pomocą łącznika śrubowego. Układ umieszczony jest w tyglu 808, w którym znajduje się ciekłe aluminium serii 7075 809 podgrzane do temperatury 1073 K w taki sposób, że falowód kompozytowy 801 zanurzony jest 150 mm poniżej lustro ciekłego stopu 810, jednocześnie dozując 5 l/min argonu.

Znawca zapoznawszy się z przedmiotowym opisem jest w stanie zaproponować rutynowo inne kształty falowodów i konfiguracje przetworników np. falowód o zmiennym kształcie lub grubości, różne metody połączenia falowodu z przetwornikiem, kompozyty o włóknie dostosowanym do kształtu falowodu oraz powłoki i warstwy dyfuzyjne dostosowane do pracy w określonym medium, jak również inne rozwiązania w zakresie konkretnych materiałów osnowy i zbrojenia, oraz adekwatne długości włókien w zależności od geometrii falowodu i zastosowania. W szczególności znawca zapoznany z metodami wytwarzania i łączenia kompozytów z metalami jest w stanie zaproponować różne metody nanoszenia powłok w tym natryskiwanie cieplne, metalizacja próżniowa, zgrzewanie dyfuzyjne i reaktywna infiltracja. Znawca jest w stanie dobrać częstotliwość drgań do zastosowania.

Omówione przykłady mają za zadanie ilustrować wynalazek określony zastrzeżeniami i nie powinny być traktowane jako ograniczające. Znawca zauważy, że sonotroda nadająca się do obróbki ciekłych metali i ich stopów może znaleźć różne inne zastosowania, a zastrzeżenie wskazuje jedynie, że musi nadawać się w szczególności do obróbki metali i ich stopów. Przykładowo wynalazek znajduje zastosowanie również w obróbce ceramiki i szkła, a także materiałów organicznych. Mimo podziału na przykłady rozwiązania techniczne stosowane w przykładach mogą być stosowane łącznie, zamiennie lub w kombinacjach.

Claims (7)

1. Układ ultradźwiękowy do obróbki ciekłych metali oraz ich stopów, zawierający przynajmniej jeden przetwornik ultradźwiękowy, oraz przynajmniej jeden falowód kompozytowy (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) wykonany z materiału kompozytowego zawierającego zbrojenie i osnowę, przy czym przetwornik ultradźwiękowy (102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 802) jest sprzężony z falowodem kompozytowym (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) tak, że w trakcie pracy wzbudza w falowodzie kompozytowym (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) falę stojącą drgań mechanicznych, znamienny tym, że osnowa zawiera materiał ceramiczny i zbrojenie zawiera włókna z materiału ceramicznego przy czym przetwornik ultradźwiękowy (102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 802) jest sprzężony z falowodem kompozytowym (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) tak, że wzbudza w falowodzie kompozytowym (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) drgania mechaniczne podłużne względem włókien materiału zbrojenia, a falowód kompozytowy (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) zespojony jest resztą układu ultradźwiękowego.

2. Układ wg. zastrzeżenia 1, znamienny tym, że falowód kompozytowy (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) zespojony jest z falowodem metalicznym (203, 303, 403, 503, 603, 703, 803), który sprzężony jest z przetwornikiem (102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 802) za pomocą łącznika śrubowego.

3. Układ wg. zastrzeżenia 1, znamienny tym, że wyposażony jest w układ chłodzenia cieczą (506, 606).

4. Układ wg. zastrzeżenia 1, znamienny tym, że falowód kompozytowy (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) zespojony jest z resztą układu za pomocą połączenia klejonego lub lutowanego.

5. Układ wg. zastrzeżenia 1, znamienny tym, że osnowa zawiera materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu i ich mieszaniny, a zbrojenie zawiera włóknisty materiał wybrany z grupy obejmującej węgiel i węglik krzemu oraz ich mieszaniny.

6. Układ wg. zastrzeżenia 1, znamienny tym, że falowód kompozytowy (101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801) posiada porowatość otwartą powyżej 1% oraz nieprzelotowy otwór (304, 404, 604, 704, 804) podłączony do wlotu medium roboczego (305, 405, 605, 705, 805).

7. Układ ultradźwiękowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że falowód kompozytowy (101, 201, 301,401, 501, 601, 701, 801) jest pokryty warstwą lub powłoką o niższej przepuszczalności w stosunku do medium procesowej niż materiał falowodu kompozytowego.