TWI297294B - Method for modifying or producing materials and joints with specific properties by generating and applying adaptive impuses, a normalizing energy thereof and pauses therebetween - Google Patents

Description

1297294 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種脈衝處埋方、 料/物體上的脈衝作用，用以修:法，藉由適應性地控制材 質的材料或物體（例如熔接接^或生產具有至少一特定性 衝及暫停，也就是-種受㈣。脈_用包含正規化脈 活化週期交替，且具有其間他=通應性的材料條件脈衝 等效的衝擊作料來自料^々停的仙。脈衝能量與 衝擊來起動與輸送能量時，本…源仁疋〶藉由超首波 利，其中能量係施加於任何^明所揭示的方法會格外有 上，使得在藉由—連串控制=的材料或物體（例如接點） 可以修改或生產具有至少—性暂作用下所處理的區域中， 想要的技術效果。 为的材料或物體，以便獲得 【先前技術】 修改—或多項性質，當然會導致材料與接點的-或多項 條件及/或結構產生修改’如此能使材料與物體具有特定的 物理、機械與結構特性，以及其製造方式。已經能藉由施 加連續作用（例如以能量形式）在此材料上，或是施加此作 用的隨機轉換於此材料上’來達到上述的修改。因此，已 、工研發出不同的技術來改變或修改材料與接點的特性，且 亦提供製造具有此類特性的材料與接點之方法。許多不同 的技術均著重於產生不同結果與目的的技術效果，但是不 5 (§) 1297294 管技術的内容如何，藉由達到在材料與接點内的特定性質 與特徵之單一聯合概念，這些技術最終還是聯合起來。這 樣的概念係根據技術的嚴格處理變化，不管每個處理的操 作程序參數之控制方法為何，這些變化均基於材料上所施 加的直接非適應性作用，藉由上述方式來獲得想要的技術 效果。 根據現有傳統，這些技術可以區分成二組：（1)整體的技 術以及（2)局部的技術。整體的技術係藉由例如在火爐熱處 理、槽式鍍鋅、熱熔及其他處理中的整個產品、材料或接 點上施加一同時作用，局部技術係藉由在例如熔接、超音 波衝擊處理與其他處理中，在產品、材料或接點的一特定 區域上施加一局部作用。 先前技術係根據''嚴格〃的運算規則來實施的，也就是 並未將材料本身對於作用（能量或技術）的反應考慮在内。 在一些技術中，會監控處理參數的偏離且校正這些參數， 以便遵從一預定值。因此，處理過程中的控制並非用以在 作用期間控制材料的性質、條件或結構，而是要正常地且 嚴格地維持與這些技術有關的處理條件。 例如，火爐熱處理就是一種整體的技術。在火爐熱處理 期間，材料被緩慢加熱，保持在一相位轉變溫度，且然後 緩慢冷卻。較長的熱處理起源自在整個處理中對於火爐内 1297294 以及材料體積内的均勻溫度分佈。然而，在真正的條件下， 對於溫度梯度來說有一些必要條件，能使材料過熱而彌補 從材料表面與接近表面的體積處所移除的熱。因此，此種 整體的處理會伴隨產生過度的能量消耗、不均勻的加熱， 且伴隨形成惱人的殘留應力以及大部分來自張力的變形。 ''嚴格〃的局部技術之一範例為超音波表面鎚打（簡稱為 njp〃）。以此技術，係由於一超音波變換器與承受負載的 一硬度量測應力計（indenter)之間的輕微結合所發生之隨機 衝擊條件，藉此產生表面塑性變形而獲得想要的技術效果。 在超音波表面鎚打期間，隨機衝擊的隨機特性會導致表面 處理的不均勻，因此以視覺方式或使用參考樣本來控制上 述條件，直到材料表面完全覆蓋有處理罩為止。為達此目 的，操作人員可以藉由一工具進行額外的作用，以便產生 用於過度表面變形與可能的過度硬化之條件。因此，此種 局部技術伴隨而來的問題在於會破壞材質的内部結構，產 生不均勻的處理，其程度足以限制各種材質的特性，且在 一限制的施加區域内產生不均勻處理，此限制的施加區域 是由材料的起初強度所限定的，例如金屬與合金材質的起 初強度。 藉由處理運算規則所界定的vv嚴格〃技術一般共同的問 題就是：材質上的效果是其參數）以及預期的效果（就是材 1297294 料的輸出特性）之間的特定關係會產生一可能的混亂。如此 導致無理的能量損耗，可能的結構破裂，在欲處理材料體 積内與表面上的處理效果之不均勻分布，嚴重的結果分散， 且可能降低技術品質與可信賴度。 其他的先前技術包含（但並未限制）壓力擴散、擴散熔接、 摩擦熔接、超音波熔接、溫度擴散、超音波擴散及衝擊擴 散。壓力擴散是一種由靜態負載所導致的擴散作用，足以 在連接的材料中產生必須的塑性變形。擴散熔接是一種由 材料原子内部擴散所導致的壓力熔接，其中材料長期接觸 暴露於升高的溫度及適度的塑性變形。摩擦熔接是一種將 材料的溶接區域透過材料界面的摩擦所釋放的熱量來加熱 至一塑性狀態。超音波熔接是在超音波震盪下的壓力熔接， 其中材料在熔接區域内加熱引發的高頻機械震盪，以及垂 直於連結材料的表面所施加之擠壓壓力，藉由以上組合作 用可以產生此熔接。溫度擴散是一種藉由暴露至升高溫度 内所導致的擴散作用。超音波擴散是由在塗層時超音波震 盪所導致的擴散作用。衝擊擴散則是由一衝擊作用所導致 的擴散作用。 在先前技術中，已知的是基礎金屬結構轉變現象的一些 基本機制。這些機制包含（並未限定於）塑性變形、内部結 構變形、金屬與合金内的擴散、殘留應力與腐蝕。塑性變 1297294

形是在材料的承受負載本體之形狀或尺寸的殘餘變化，但 並未產生裂痕。内部結構的變形是其中金屬結構材料具有 相當粗糙變形的程度，以便抵抗外部作用，而其尺寸介於 〜1CT3與〜10 μιη。在金屬與合金内的擴散是一種結晶材料的 原子移動之基本作用，其移動的距離大於晶格空隙。殘餘 應力弛緩是一種逐漸的應力減少而具有一固定的總變形 量，也就是材料的彈性與塑性變形。腐蝕是金屬表面在化 學或電化學環境的侵襲之下所產生的損壞。 在先前技術中，已知超音波處理在此金屬結構轉變機制 上的影響。許多性質均與超音波衝擊處理技術有關。這些 性質包括：根據所選擇的處理變化將金屬塑性變形提高至 一較大或較小的程度；在一處理材料的表面層内引入相當 大的壓縮應力，藉此提升材料的疲勞強度；增添材料不同 的塗料與硬化處理；在一被處理材料的表面層中形成一蜂 窩狀内部結構，藉此提升其強度特性；加速金屬内的擴散 作用；釋放在金屬結構内的殘留應力；且提升材料的被處 理表面之抗腐蝕性。與材料的超音波衝擊處理有關的所有 性質均會增加被處理材料的品質與可信賴度，藉此增加了 結構與機械零件的品質與可信賴度。 在先前技術中所消耗的能量不僅用來克服自然的能量臨 限值，此臨限值是由材料結構特性以及獲得特定的技術特 1297294 性义結構性能所決定的；同時消耗的能量還用來克服阻力 的過度增加，阻力的增加是在未受控制的作用期間產生的， 且與材料對作用的反應無關，而且消耗的能量還必須克服 材料上的作用所Μ起的材料條件波動。因此，當使用、、嚴 格〃的運算規則時，為了獲得特定的技術效果，總能量消 耗比起用來克服材料結構狀態的自然能量臨限值，至少會 大於兩倍。 • 先前技術的方法包含超音波衝擊處理的方法，係侷限於 表面處理、隨機衝擊的隨機起動機制、處理結果的不均句 分佈、衝擊參數的有限控制、衝擊的複雜最佳化，以及對 - 於處理條件對於材料表面上的影響之複雜的適應。 因此，本發明著眼於先前技術的缺點，藉此提供一種適 應性脈衝處理的方法，可以最小的能量消耗獲得想要的技 術效果，最佳地分配在材料與時間中的能量，在材料預定 ^ Φ 的體積内及其表面上均勻地分配特定的處理結果。本於明 亦著眼於先前技術的缺點，而提供一種脈衝處理方去，其 具有控制的衝擊脈衝，且藉由直接考慮材科對於作用的反 應，而將脈衝參數適應至想要的技術效果。 【發明内容】 '本發_關於-種脈衝處理方法’藉由起動與適應性地 控制材料/物體上的脈衝作用，而修改材科或物體（例如熔 接接點）的至少一特定性質、條件及/或結構，或生產一材 1297294 料或物體’使其具有至少—特定的物理、機械或結構特性。 脈衝作用包含正規化脈衝及暫停，也就是—種典 、、 又¢2制且且 適應性的材料條件脈衝活化週期交替， ^ 尸 〃有其間弛緩/暫

停的週期。在本發明的—較佳實施例中，脈衝H ^7 + 、 月匕 里來源的載波能量信號。在此脈衝處理方 斤使用具適 應性控制的脈衝作用之能量來源是一系列 舨老 制的超音波衝 摯處理脈衝作用，這些作用可以被施加於任何適卷的材料 或物體上，最好是一熔接接點，使得在藉 象从 連串控制脈 術作用所處理的區域中，可以修改或產生材料戋物俨、 少—特定性質，以便獲得想要的技術效果。 然超音波衝 擎處理是本發明脈衝處理方法所利用的脈衝 处、 野1乍用又一較佳 月匕量形式，但是本發明的方法仍可以使用任何能源及任何 適當的材料/或物體。而且，要知道的是以下提到在材料中 修改或產生至少一性質，亦指著相對於此材科或物體修： 或產生一特定條件或結構。修改或產生一特性當然會影響 此材料或物體的其他方面。 本發明的脈衝處理方法可使用於修改或製造不同的 材料’以便在材料中獲得想要的技術效果，也就是至心 預定性質。雖然本發明以下的敘述是關於改變或修改材料 的—特定性質，然而，除非另有敘述，否則本發明的方法 也可以同樣地應用於製造具有一特定性質的材料。

11 1297294 本發明的脈衝處理方包含以脈衝作用的形式施加一連串 適應性控制脈衝能量到一材料的目標區域。脈衝作用包含 正規化脈衝及暫停，也就是一種受控制且具適應性的材料 條件脈衝活化週期交替，且具有其間他緩/暫停的週期。這 些脈衝係藉由伴隨脈衝頻率來調整其振幅與長度而進行控 制（就是正規化）。因此，每個脈衝均能受到控制，致使一 規律的脈衝能提供規律的衝擊到材料上，使得—連串的控 # 會改變材料的至少一特定性質，以便藉由此脈衝處 理獲得想要的技術效果，而具有最小的材料阻力。脈衝與 暫餘材料中的反應是與具有最小阻力的脈衝作用同步， k·最〗、阻力係藉由被處理區域中的材料品質飽和所決定 • 的0 相車又於先可技術，本發明的每個脈衝均施加很小的能量 :如材料條件脈衝起動的每個脈衝均被施加直到材料的被 脈=1到達—阻力點為止。由於間斷脈衝(就是材細 所引起的阻力是最小的，如此能導致材料的^ ::當材科的被處理區域中產生-特定最小阻力時 二多除=衝作用的脈衝(就是材料條件脈衝起動 下個一=/暫停的時期。每娜緩，暫· 許材料：：::(一^ 乍用的脈衝（就是材料條件脈衝起動） 12 1297294 恢復過來，使得材料能處於—最佳條件，以便承受下— 脈衝作用的脈衝（妓材料條件脈衝起動）。㈣材料從^ 個脈衝所產生的改變很小，所以能在短時間内除去對抗Z 料不反抗狀態的阻力。因此，脈衝與暫停的合作能使：處 理材料達到想要的改變或修改，而使材料所引起的阻力達 7取小。可以使用一高頻脈衝，因為在每個脈衝之後，弛 缓^暫停所需要的週期會最小，這是由於材料對脈衝（就是 材料條件脈衝起動）的阻力在每個脈衝（就是材料條件脈衝 起動）期間施加少量能量的緣故而變成最小。 ,本發月的脈衝處理方法並未侷限於特定能源或特殊技 V因此，本發明可以與任何能源及任何適當技術一起使 用例如，可與本發明方法一起使用白勺能源包括（並未偈限 於）連串熱、電磁、光束、相干的、半靜態、聲音的、熱 動力、超骨波與其他可能的作用。可與本發明的方法一起 使用的技術包括（並未侷限於）熱能與冶金處理、機械作用、 接使用電流、在不同範圍内的形狀與頻率之任何震盪模 "脈衝作用、聲波與光束能量。此外，本發明的方法也 可以用來處理任何適當材料，例如（並未侷限於）金屬、合 多、非結晶物、陶资與粉末材料、鍍層材料與複合 物類似或不類似材料的無法拆卸接點、軟焊、硬焊與擴 散接點。 13 1297294 本發明m目的是要提供—種脈衝處理方法，具有 一控制衝擊脈衝的機制、處理結果的均句分佈、控制衝擊 參數、被處理材料上的衝擊脈衝之最佳化，以及處理條件 的適應性，以便根據前-個脈衝在材料上的影響而提供相 繼的脈衝，以便在被處理材料上獲得想要㈣㈣果。

本發明的另-主要目的是要提供一種脈衝處理方法，具 有高頻率脈衝，祕其間暫停的週期是最㈣，這是 因為材料對脈衝（就是材料條件脈衝起動）的阻力是最小的 緣故，而這又是因為在每個脈衝（就是材料條件脈衝起動） 期間，施加很小量的適應性控制能量。 本發明的另—目的是要提供-種脈衝處理方法，其中每 個脈衝的頻率、振幅與長度均”控制，致使—規律的脈 波能提充-規㈣衝擊到材料上’使得—連串適應性幹制 脈衝能改變紐轉料的至少—特定性f，以便在整個脈 衝處理中使材料所產生的阻力達到最小。 本發明的另—目的是要提供-種脈衝處理方法，其中根 據材料對於每個脈衝作用的脈衝（就是㈣條件脈衝起動） 〈反應而修改參數控制，使得材科是處於—最佳條件而承 受下一個脈衝作用的脈衝（就是材料條件脈衝起動）。 本發明的另—目的是要提供—種脈衝處理方法，其中來 自每個脈衝在材料中的改變或修改是很小的，使得能在r 14 I297294 時間内除去對抗材料不反抗狀態的阻力，•縮短在材料 的被處理區域中獲得想要的技術效果所需之時間。 本發月的另目的是要提供一種脈衝處埋方法，是一種 更有效的方法’可以修改材料或熔接接點的至少一特定性 質、條件及/或結構，或者生產具有至少―物理、機械或結 構特性的材料或接點，且比起先前技術錢，本發明使用 較短的時間、較少的能量與成本。

【實施方式】 本發明係關於—種脈衝處財法，藉^動與適應性地 控制材料/物體上的脈衝作用，而修改材科或物體(例如溶 接接點）的至少-特定性質、條件及/或結構，或生產一材 料或物h冑其具有至少_特定的物理、機械或結構特性。 乂而為方便說明’在說明書與申請專利範圍中對於、材 料的處理讀述亦包含一物體（例如炫接接接點）的處理。 本發明的万法是在操作程序期間，被處理材料的特性以及 材料對於脈衝處理的即時反應。本方法亦說明控制處理裝 置與被處理材料的輸出特性之間的操作條件。因此，本發 明的物理特性與機制乃提供—具有騎參數㈣數關係， 以便用於操作程序期_材料物理狀態。 在正個說明書中，材料對於脈衝作用的阻力可分為二種； ⑴材料對於脈衝（例如力量脈衝）的阻力，這—點在衝擊期 間藉由彈回參數來表示；及⑺在衝擊作用期間，材料對於 15 1297294

材料條件改變的阻力，這一點在衝擊期間藉由在結構高度 的内部摩擦參數來表示。材料對於脈衝（例如力量脈衝）的 阻力會減少，而同時處理系統的Q因素會隨累積增加，例 如在作用（衝擊作用）期間的塑性變形。在衝擊（例如力量脈 衝）作用期間，材料對於材料條件改變的阻力會增加，而同 時在此衝擊脈衝的作用期間，處理系統的Q因素的增加程 度會減慢下來，這就是為何其Q因素會飽和的一項原因。 在多次脈衝之間的暫停週期期間，對材料條件改變的阻力 會減少，而同時在弛緩過程中，透過内部摩擦損耗的降低， 會使材料的Q因素增加直到飽和。這一點將於以下參考圖2 作進一步的說明。 此外，在整個說明書中，要考慮到三種Q因素。第一種Q 因素是震盪系統的Q因素，係在工具從被處理表面彈回期 間就表明出來。第二種Q因素是震盪系統在負載情形下有 關的Q因素，係在衝擊期間表現出來，就是引入脈衝的震 盪本體與被處理本體的接觸，例如當超音波震盪與集中尖 端與工件表面產生接觸時。地三種Q因素是材料的Q因素， 係在衝擊期間產生改變，且會促進震盪系統在負載情形下 有關的Q因素。材料的Q因素在暫停期間會飽和，這是因 為弛缓作用於材料上的緣故。 因此，本發明用於修改性質且生產具有特定性質材料之 16 1297294 方法，包含以下步驟··（1)藉由一如適應性控制的脈衝作用 等能源來作用於一材料；（2)根據一組準則來估算材料對上 述作用的反應；（3)根據材料對此作用的反應，來調變、同 步化與適應此能源於材料上的作用，以便在此表面上以及 材料的體積内產生高品質、穩定度、一致性與均勻分佈的 效果，而材料產生的阻力卻為最小，因此時間與能量的消 耗均為最小；（4)藉由已調變、同步化與適應過的能源之作 用，對此材料施加作用；且（5)重複步騾（2)到（4)，直到在 材料中已經獲得想要的技術效果。因此，根據材料對作用 的即時反應，對於處理參數所用的撓性控制運送規則便可 以加以運用。 在修改與生產具有特定性質的材料之方法中，例如特性 順序的熱能、電磁、光束、相干的、半靜態的、聲音的、 熱動力的、超音波與其他適當能量種類均可以施加到一材 料上，來產生效果，且在產生此效果期間，會在此材料内 對應產生天然的阻力。當阻力增加時，此反應會持續直到 克服一特定的能量臨限值為止。最後，能量臨限值在結構 高度處會被克服，且達到至少一想要的技術效果。 本發明用於在材料中藉由脈衝處理而修改或產生特定性 質與條件之一較佳實施例的方法係顯示於圖1中。明確地 說，以一能源信號的形式之能源係施加於一材料（物體）上， 17 1297294

作為在材料上的起初作用（就是起初脈衝作用），其中此材 料會對此起初作用產生反應。將此反應結果加以估算。因 此，產生出一控制信號且選擇一調變形式。此調變形式係 根據此作用的振幅、頻率及脈衝寬度來決定的。根據材料 對起初作用的反應，可以修改此脈衝作用的振幅、頻率及/ 或脈衝寬度。然後，將此調變結果予以同步化，且施加一 適應性脈衝作用於此材料上。然後，此材料會對此適應性 作用產生反應，將此反應加以估算而決定作用阻力控制、 品質指示及刺激調整與材料的作用。一或更多的調變元件 可以再度被修改、同步化，且以一適應性脈衝作用的形式 施加於材料上，其中此材料再度對此適應性脈衝作用產生 反應。此一連串步騾會持續進行直到在材料中獲得想要的 技術效果為止。本發明的方法之較佳實施例的步騾以下將 會作詳細的敘述。 在本發明脈衝處理方法中，能源與對應的能量信號是一 能源脈衝，係施加於一材料的目標區域上作為一脈衝作用， 此作用可以包含在此能量信號中或與此能量信號平行。脈 衝作用包含正規化脈衝及暫停，也就是一種受控制且具適 應性的材料條件脈衝活化週期交替，且具有其間弛緩/暫停 的週期。脈衝係藉由調整其頻率、振幅及/或長度來加以控 制（就是正規化）。因此，每個脈衝均受到控制，使得一規 18 1297294 律的脈衝可以提供一規律的衝擊到材料上，如此一來， 連串適應性控制的脈衝會改變材料的至少~特定性質，、 便在整個一連申的控制脈衝（就是脈衝處理或脈衝作用）期 ，此獲彳于一想要的技術效果。這些脈衝與暫停是與材伞 對脈衝作用的反應同步，且在被處理區中具有最小阻力 此阻力是由材料品質飽和所決定的。 —相較於先前技術，本發明的每個脈衝均施加很小的能具 每個脈衝作用的每個脈衝（就是材料條件脈衝起動）均7 加直到材料的被處理區域到達一阻力 "? ^ 衝（就是材料條件脈衝起動）所引起的阻力是2於間斷贩 能導致材料的、、柔和//變化。、、柔和 "1如此 時間阻力且在材料的被處理區域中產生—特定在感覺到 之材料狀態。在此脈衝C就是材料條件脈衝起力時 時候，接著是弛緩/暫停的週期。每個他缓時期:除的 一個脈衝作用的脈衝（就是材科條件脈衝起動)之加下 材料從前—個脈衝作用的脈衝(就 Μ，允許 復過來，使得材料謝-最佳件脈衝起動）恢 衝作用的脈衝（就是材科條件脈衝冑承受下—個脈 脈衝所產生的改變很小，所以。由於材科從每個 不反抗狀態的阻力。因此，^=1内除去對抗材料 適應性交替的材料條件脈衝起 μ合作（就是控制與 動週期與_週期的合作）能 19 1297294 使被處理材科達到想要的改變或修改 阻力達到最小。可以使用起的 是材料條件脈衝起動的 因為在母個脈衝（就 期會最小，這是由於材科對脈衝(就:=:巧要的週 二力在每個脈衝（就是材料條件脈衝起動)m起動） 邊里的緣故而變成最小。最小的阻力最好是她加少量 減少與材料對脈衝作 & 細員耗 因此，在㈣上㈣取顺尼麵定的。 在材科上料何作用均會物此作用阻 就疋材料條件脈衝起動的脈衝或週期，攻動， 間的暫停中（由材料阻力所引起）的 =波動之 田欲獲件想要的技術效果時，在材料上的與其本此， 關的特性或性質均會控制材料條件波動的產生。以此有 可以發現到—特定材質的固有（個別）特性會經由—特〜式’ 用而引發出來，這一點是伴隨著克服合成的條件波動、乍 量臨限值的定義頻率，在材料或其區段：與： 内’ W結構高度所轉變成的應力波。 @ 此源在材料上的作用是與阻力波動时及/或同相位。 门步^騎暫停中的過度效果，就是脈衝（材料條件脈衝 動的週期)之間的脈衝(就是弛緩週期），且因此 阻力降至最小，以便獲得-想要的技術效果。此同步也抖可的 以產生局部（不連續的）頻率及對振幅敏感的諧振，且4降 1297294 低變形效果的阻力及類似超音波變形擴散的加速度。 有三種可能方式能使作用與材料對作用的反應達到同 步，最好能以即時阻力波動的方式來表達，就是材料挤件 脈衝起動的脈衝或週期’此方式係精由以下的信號·在戶 發生的一引導條件變化期間，傾聽材料；監控在被處理巴 域内的改變動力與材料品質飽和，且/或記錄此材料對作用 的巨觀反應。當對一材料施加作用時，這些信號可以代表 材料的特性參數以及相關參數，這些參數係包含材料特性 上的資訊及-調請過的控制處理裝置。能使作用與材 作用的反應達到同步的此 音的聲音信號；⑵力？⑯ ⑴直接測量結構噪 ()在一足以獲得技術效果的特定作用下， /貝’ I在阻力波動（就是材料條件脈 ， 間的暫停中之从… I動的脈衝或週期）之 /或同相位的作用料品質；⑺在與材料對作用的反應同步及 尼。雖然均可《間的暫^内，記錄材料的基本震蓋阻 以使用這三種方诖沾 欲修改材科的特定㈣十、種，但是最好根據 任務來決定係 4生衫有特定性質㈣科之特定 本又 厌用何種同步方式。 有關:資M X基於使用與材料對作用的即時物理反應 或生產具有資訊可用以指明修改現有材科的特定性質 科或生產材 貝的方法與處理條件。此外，在修改材 的期間，反應的結果是從被處理區域中的材

21 1297294 料阻力準則估算得來的。 處顯示本發明根據最小阻力準則的 條件脈衝起動的二:個_用(')包含-脈衝或材料 的材料阻力切㈣Γ 獲料定制效果⑹ … 間，以及弛緩/暫停的-段週期，就是 ㈣用阻力的特性時間（T1_tl)。由圖2所示，在脈

衝或::條件脈衝起動(tl)的週期期間，施加到材料上的能 源（此夏U功率w(1)會增加。在此相同週期期間，所產 生的材料品質Q⑺亦朝向想要的技術效果程度增加，而同 時衝擊作用阻力Μ就是阻力起動）會朝向想要的技術效果 程度減少。材料對㈣用的阻力RGH⑷是很低的，且在材料 ’、个衝（動（ti)的週期開始時接近想要的技術效果程度， 朝向脈衝或材料條件脈衝起動（、）的週期末端大 幅增加。 在脈衝作用（Tl)的他緩/暫停（Τι—心）之_期間，能量信 唬功率W(l)會從材料移除，所導致的材料品質Q(2)仍然會 增加’且在接近技術效果程度處維持固定，而同時衝擊作 用阻力Ri(3)(就是阻力起動）仍然維持很低，且接近想要的 技術效果程度時會下降。而且，在每個脈衝作用（Tj的弛緩 /暫停（ΊΟ之整個週期當中，材料對於作用的阻力Rch(4) 在朝向想要的技術效果程度時會大幅減少。材料的阻力是 22 I297294 根據被處理區域中的材料^ 作a碰 、而即時地估算出來& 乍為獲得的結果準狀最 Μ ’同時 的飽和估算得來的。村抖”是根據材料損耗特性 間，藉由對此 $乍用於㈣的万式可以根據材料對於作用的 轉參數來選擇，同時此反應的表示方式，Μ <性質 的—特定性質或生產具特定性質的-材料期、、、在修改材料 作用的阻力來表示。

根Γ，可以指明錄衝作用施加在材料上的條件，此係 根據用於在-賴巾獲得特定修改絲或生產具有此特定 性質的材料，且對此作用具有最小阻力的條件。同時，選 擇在每個脈衝動作的每個脈衝（就是材料條件衝擊起動的週 期）之間的暫停’使得它心道緩在被處理區域内的材料條 件’藉此降低材料祕作用的阻力，使得材料係處於最佳 條件中而能承受下-龍衝作用的_(就是材料條件衝擊 起動）。 然後，決定載波能量信號的參數（就是載波能量信號的脈 衝作用、包含頻率、振幅與長度）。明確地說，載波能量信 號的頻率隸據當獲得想要㈣術效果時御至材料上的 最佳能量條件，而設定成脈衝重複速率的倍數。指明並決 定此振幅，使得它足以提供用於在一材科或物體内修改或 產生特定性質的任務所界定之脈衝能量。在一指定的振幅 23 1297294 下，長度（就是脈衝寬度）會被指明並確定，使得與單一脈 衝有關的一想要技術效果，可以藉由材料對此單一作用的 最小阻力來獲得。 一旦載波能量信號參數（就是脈衝作用參數）被決定之 後，則可以選擇適當的方法，藉由調變其頻率、振幅、脈 衝寬度或其組合來產生信號脈衝。為了產生這樣的結果， 必須採用基本的調變參數，這些參數是在獲得想要的技術 效果時分析材料特性性質所設定的。 圖3顯示一概略代表圖，顯示根據本發明的材料品質飽 和準則（就是所產生的材料品質Q)而決定的能量載波信號形 狀改變。在一較佳實施例中，載波能量信號的波形在應力 比例從A-l〃到大於0的範圍中變化，以致於維持此波形， 且根據在作用區域内的材料品質飽和而符合一想要的技術 效果，且具有最小的阻力。應力比例的最大值是1。然而， 此最大範圍就實際與物理的觀念來說是沒有意義的，這是 因為在這樣的程度下不會產生任何震盪，且波形必定是靜 止的。參考圖3，應力比例可以下列方式表示： K = A，min/A’max 且-1SK-1 此外，材料對於作用的特性阻力係類似於所產生的材料 品質。這些均間接地與材料在週期（TftD末端的最小損耗 成正比。可以下列的方程式來表示：

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Rnrin 〜Qmax 二 l/Pm i n 材料對於作用的反應也可以從載波能量信號的電流來決 足’當使用一電流來獲得想要的技術效果時，可以控制載 波能量信號的電流與調變脈衝。圖4是一概略代表圖，顯 不根據載波能量信號的電流所作之材料反應測量。如圖4 所示，為了獲得想要的技術效果（tl)，就是脈衝或材料條件 脈衝起動的週期，在用於材料阻力的特性時間期間，電流 強度1(1)會增加，但同時所產生的材料品質q(2)會朝向想 要的技術效果程度增加，且材料對於作用的阻力υ3)是很 低的，且在材料條件脈衝起動（tl)的週期開始時接近想要的 技術效果程度，但然後就會朝向脈衝或材料條件脈衝起動（tj 的週期末端大幅增加。在脈衝作用（Τι)的弛緩/暫停（Trt ) 之週期期間，去除電流強度工（1)，所導致的材料品質q(2) 仍然會增加，且在接近技術效果程度處維持固定，且材料 對於作用的阻力在朝向想要的技術效果程度時會大幅 減少。 根據材料在特定條件下的特性性質來達到想要的技術效 果，脈衝（就是材料條件脈衝起動）的能量與長度，以及脈 衝之間的暫停長度，均受控制於參數的整個範圍内··由任 務所定義之從隨機到受控制的參數，藉由改變振幅、備用 因素（就是脈衝與暫停之間的比例，就是材料條件脈衝起動 25 1297294 長度與衝擊之間的暫停週期）、及重複比例（就是頻率）。雖 然藉由修改一材料獲得特定結構、條件或性質，來達到想 要的技術效果，在材料上的脈衝作用之控制順序可以藉由 考慮材料對此作用的阻力之動力來決定。圖5顯示相較於 一隨機參數（隨機地反映且未受到本發明申請專利範圍的特 徵來控制），在整個受控制參數範圍内的整個參數之間的脈 衝能量、脈衝長度與暫停的控制。 在一較佳實施例中，與材料對於超音波的反應同步及/或 同相位的超音波衝擊控制參數，係根據一準則，就是在材 料被處理區域中的材料品質飽和所確認的至少一技術效 果，為了獲得此效果，超音波在材料上有最小阻力。這些 受控制的參數最好包括一或更多以下的參數：超音波衝擊 長度，其中當硬度量測應力計同時接觸材料與超音波變換 器尖端時，以及在材料與超音波變換器尖端之間的間隙内 之度量測應力計的超音波震盪時，此長度是一累積時間； 超音波衝擊之間的暫停持續時間；在一特定衝擊長度或衝 擊之間的暫停處，衝擊的重複比例或備用因素；藉由超音 波衝擊的一被處理表面之單位面積或處理的單位時間有關 之衝擊密度；衝擊效率，係包含單一壓痕的面積或體積， 或是將塑性變形引入材料内的材料體積；載波超音波震盪 的振幅與頻率；由超音波頻率的載波震盪所導致的衝擊彈

26 1297294 回振幅；施加於材料表面上的靜態壓力，且伴隨產生超音 波衝擊起動的處理；在超音波機械震盪的一系統源中之連 接程度；一等效質量，在衝擊點内的該等效質量之自然頻 率與等效彈性，及一衝擊元件的聲音彈性、質量與結構。 參考圖6，根據本發明的方法，材料上的脈衝作用之控制 參數的運算準則是機率控制因素，此因素係根據材料在想 要的技術效果的條件下之特性性質分析結果，而反映出阻 力參數的分散。於是，機率控制係數（h)是一沒有尺寸的函 數，可下列方式表示：對於脈衝作用的反應之參數數目（就 是復發參數的數目（Π))，以及脈衝總數目（就是衝擊數目 (ni))，兩者之間的比例足以獲得想要的技術效果。根據此 基礎，用於實施及界定本發明方法的基本條件能控制在材 料上的作用參數，使其位於0到1的控制機率因素之變化 範圍，相反地，當欲獲得想要的技術效果時，同時此係數 是由材料對作用的阻力之特性參數來決定的。 當欲獲得想要的技術效果時，本發明的方法提供在整個 作用過程中的控制所有必須的條件。在本發明的一較佳實 施例中，在整個作用材料的過程中之控制的所有必須條件 可藉由使用超音波作為能源來達成。參考圖7(a)與7(b)， 以下為一較佳的過程控制： (1)定義且預先決定實驗性的參數資料，此乃藉由測量在

27 1297294 超音波衝擊激發期間，在負載條件下的超音波震盪振幅、 衝擊頻率與長度，及電流參數，以及在系統中的電流參數 與自然震盪的阻尼因素，此包括在超音波衝擊之間的暫停 内之超音波諧振本體、衝擊元件與被處理材料（UIM)，這些 均能將材料對於作用的反應以及在獲得想要的物理及/或技 術效果時期相關品質的變化，或是其相互依賴的組合等特 徵表現出來；

(2) 測量在超音波衝擊激發期間，在負載條件下的超音 波震盪振幅、衝擊頻率與長度，及電流參數，以及在超音 波衝擊之間的暫停内之UIM系統中的自然或基本震盪的電 流與阻尼因素，這些均能將材料對於作用的反應以及在施 加超音波衝擊處理的真正操作過程期間之相關品質的變 化； (3) 將真正處理期間的UIM系統之震盪參數與實驗參考 資料作一比較； (4) 根據想要的技術效果，在實驗參考資料與藉由比較 與校正所獲得的真正現有資料之間決定（計算）出一致性； (5) 將資料轉換成控制碼； (6) 根據材料對作用的反應以及在作用區域中的相關品 質飽和的動力，來產生一控制運算規則與控制信號；及 (7) 自動控制UIM中的超音波衝擊參數，這些參數能適

28 1297294 用於獲得想要的技術效果。 本發明的方法之以下的應用範例是用以說明本發明，但 並非用以侷限本發明。 金屬切削

金屬切削是伴隨著一連串彈性與塑性變形、硬化、過度 硬化、在切屑根部以金屬撕裂被處理表面，且在切削期間 於切割工具之前固定形成的朝前裂痕。使用本發明的方法， 在變形中心導致高強度應力波動的重複過程，在藉由系統 ''工件一工具一機器〃的系統之元件的聲音調諧之特定條件 下，可以輕易地與切割工具的諧振移位與相位内交換產生 令人滿意的同步，這一點將於以下作進一步的說明。 明確地說，測量在變形中心内的應力波動，建立一調諧 聲音震動系統，測量此系統對於工具工件負載的反應，產 生與反應參數同步及/或暫停的超音波脈衝，且起動程序内 控制。如此導致包含高強度鋼與合金等的鋼鐵切削阻力之 多重減少，增進切削精確度與工具壽命，且擴大機器的能 力。在此範例中，根據本發明的方法，可藉由來自外部能 源的超音波脈衝來提升在變形中心的調變、自然應力波動 的效率與調整過的切割阻力降低，而具有最小的能量消耗。 參考圖8，顯示聲音起動切削過程的一概略示意圖。就其 本身而言，圖8表現出本發明與一切削過程一起使用時的 29 1297294 變形、在變形中心的應力脈衝頻率測量（作用阻力）、激發 調整與作用吻合，以及產生超音波脈衝。 電弧熔接

電弧熔接是伴隨著熔融金屬與基礎金屬的強烈加熱、從 一熔接區去除的熱量，以及形成溫度梯度。這些互相依賴 的過程需要引進額外的能量到熔融池内，以便獲得適當的 溫度，且在較冷的區域中提供可熔接性；同時一過度的熱 量（熱輸入）會導致一些區域產生變形，並具有惱人的殘留 應力，且在溶融池與溶接金屬的冷卻時也會產生變形。因 此，藉由上述情況所表示的溶融金屬之特性阻力在熔接處 理的效率上產生了一些限制。 本發明的方法藉由在每個個別的脈衝中將其程度縮到最 小，且藉由在下一個脈衝之前的暫停内弛緩熔接條件，如 此可以將引入熔融金屬内的能量之阻力縮到最小。於是， 熱輸入最小化以及在脈衝之間的暫停内之熔融金屬與熔接 金屬條件之弛緩，在熔接接點與其變形模式上具有不錯的 效果。本發明的方法所指定的效率之提供方式乃是藉由選 擇任務所界定之熔接電流能量脈衝的重複速率、或熔接電 極或熔接材料（填充材料）的震盪。明確地說，電弧熔接是 根據本發明的方法藉由使用藉由正規化脈衝所調變的超音 波頻率來執行的，其中這些正規化脈衝具有根據熱輸入最

30 1297294 小化的相關準則而設定的振幅、長度與重複速率；熔接金 屬與接近熔接區域的指定品質、殘留應力與變形最小化， 且可以提供指定的處理效率。

圖9是一概略代表圖，顯示以具有超音波頻率的電流進 行之電弧熔接。如圖所示，單一液滴形成週期會對應於每 個脈衝作用的脈衝（就是材料條件脈衝起動的週期）。而且， 單一液滴轉移到熔融池内的週期，會對應於每個脈衝（就是 材料條件脈衝起動的週期）之間的遲緩/暫停的週期。 超音波衝擊處理（UIT) 習知的超音波衝擊處理（UIT)伴隨著隨機的衝擊情況，這 些衝擊情況除了處理過程的所有正面特性之外，還會導致 可能的不均勻處理結果，由於使用太多次的動作導致金屬 的被處理區域上產生過度硬化，内部結構的可能破裂，過 度的能量消耗，以及將超音波引入被處理材料内的間隔之 不均勻特性。本發明的方法能解決習知UU的這些問題。 明確地說，當使用UIT時，本發明的方法能提供控制好的 衝擊、材料的均勻處理、材料的被處理區域之可能過度硬 化機率的降低、強化内部結構、縮小能量消耗，以及將超 音波引入被處理材料内的間隔之均勻特性。 本發明的方法亦能將此先進的UIT技術在工業條件下延 伸其應用範圍，且在可互換性、正規化與處理過程的一致

31 1297294 性上具有嚴格的要求，如此能允許在機械、飛機、船舶、 太空、汽車與軌道運輸業等廣大範圍内生產製造。如圖10 所示，當相較於隨機衝擊U3T所產生的特性時，根據本發 明的方法所使用的UIT(就是UIT適應）能產生較窄、更加明 確定義、更加均勻範圍的想要性質。 引進超 際ί上迷的内容之外 巧貫及衝拏愿理（urr)伴隨有超音 波衝擊’其中其長度根本與在超音波鎚打期間起動的單一 衝擊完全不同。超音波衝擊是—種很有效的方法，能夠將 超晋波運送至金屬等材料内。根據本發明的方法，町能將 超骨波引入-材料的情形達到最佳化 且&制引入參數盘

作用的持續時間。就其本身而言，超 W 性變形的區域而轉移到π 波塑 J枓内，且與引進任何表 I關，如圖⑽到收)。明確 以件 顯示藉由超音波衝擊產生 "a)到11(C) 變形⑺（就是脈衝或材科條件脈衝在心波塑性 在衝擊區域内的應力（0)及所產生 勺週期）之區域内， 且然後再超音波他緩的區域期=枓品質⑻會減少， 持固定。 $疋他緩週期）大致上維 有效地將超音㈣進—材㈣ 有塑性變形的超音波街 料’伴隨著在具 域中《金屬飽和，能夠提升(直 32 1297294

到飽和）工具一物體，震盪系統的品質。明確地說，磁致 伸縮反饋信號是一與換能器以及被聲音附著的質量之損耗 有關的資訊之目標源。在此處理過程中，物理狀態與所附 著的質量均會改變。因此，''工具一物體〃震盪系統的整個 (所產生的）Q因素也會跟著改變。當認為累積有塑性變形 時，物體表面的反射功率在作用的區域内會增加（直到飽 和）。然後，由於作用的緣故，對於物體震盪所產生的阻力 會減少，而同時Q因素（顯然在此固定轉變的震盪系統中的 損耗會減少）會固定地增加直到某一值（稱為飽和）為止，此 值會對應於一想要的技術效果。 根據本發明方法的超音波衝擊處理現在要被運用來對付 逐漸遞增的工程問題，例如(但未侷限於）疲勞；應力腐蝕； 接觸與腐蝕破裂；老化；腐蝕與熱機械疲勞；負載承受能 力的增加；在大氣與侵略性環境中之材料強度程度下，對 於動力、可變與半靜態負載的阻力；殘留應力與變形效果 的補償；弛緩；藉由此作用所決定條件的處理過程中之擴 散速率的增加、鑄造、溶接金屬、粉末、複合與鍍層材料 的品質與結構之增進；在一無法拆卸的接點與保護性塗層 中增進材料結構的品質與黏著效率。 整體的超音波處理（VUT) 整體的超音波處理（VUT)是藉由將超音波衝擊工具牢牢地

33 1297294 固定在適當位置上，以超音波衝擊進行的超音波處理。材 料在其基本頻率上受到超音波的衝擊作用。根據本發明的 方法，材料條件、性質或結構的修改係在此處理過程期間 中受到控制。 VUT是在以下情形中執行，材料上分佈（或沒有分佈）有靜 態壓力；分佈的動力負載；分佈的加熱；這些是發生在一 真空或惰性氣體或具有特定環境的一室内，可以在處理槽 中或是在開放的空氣下執行。VUT應用的一範例為具有複雜 幾何形狀的大型結構之弛緩處理。根據本發明的方法，整 體的超音波處理能減少殘留應力與變形，且能允許省略熱 處理。在此處理過程中，由於VUT在材料中伴隨有超音波 與應力脈衝的均勻分佈，且直接作用於材料的體積，所以 能量的消耗會減少強度的幾次方，這一點並不像抽入周圍 空氣内的熱量所伴隨發生的熱處理。 圖12(a)到12(e)顯示在材料上整體超音波處理的範例， 以及在弛緩期間所需要的超音波應力振幅與殘留應力程度 之間的關係。明確地說，許多熔接結構在接近臨界程度（接 近或大於0·7倍材料降服點）具有一殘留應力輪廓，用於疲 勞的範例。在此情形中，殘留應力越大，對於改變結構的 應力輪廓具有正面效果之所需的超音波應力則越小。在其 他殘留應力較小且在使用時需要弛緩（接近或小於〇_ 5倍材

34 1297294 料降服點）來達到幾何穩定性的情形中，在殘留應力越小的 情形中，所用於正面改變應力輪廓所需要的超音波應力就 會越大。 超音波消除結構缺陷

本發明的方法能藉由在被處理材料上的局部或整體作用 而消除結構缺陷。這些缺陷可以包含表面孔、微裂缝、有 害的空穴與差排雲斑、大型晶粒、樹模石、擴散氫、隱藏 的結構應力集中、内部結構的缺陷，以及疊層。超音波缺 陷消除的效果是根據在材料内增強擴散、塑性變形、再結 晶與弛緩等處理過程。此效果是由以下各種作用的組合或 單獨作用來加以控制，這些作用包含超音波、在材料表面 或體積上的震盪、在材料上具有（或沒有）分佈的靜態壓力 之超音波衝擊所導致的彈性與塑性變形、分佈的動力負載、 分佈的加熱，這些作用可以在一真空或惰性氣體中，在具 有特定環境的一室内、一處理槽中、或在開放空氣内實施。 圖3顯示根據本發明的方法之超音波衝擊作用來消除結 構缺陷之情形。藉由本發明方法的超音波衝擊，可以減少 在材料的被處理區域中之結構缺陷。明確地說，比起單獨 受到力量擴散的一材料，在相對變形期間，受到具有超音 波變形的力量擴散之一材料會具有較少的應力。此外，相 較於藉由單獨超音波擴散或熱機械擴散，藉由衝擊所導致

35 1297294 的超音波擴散，可以較短的時間完成降低擴散阻力，如圖13 所示。 熱處理（HT) 熱處理的一些特點已經敘述如上。在一熱處理過程期間 所運用的本發明方法，可以增加效率，且在材料中所能允 許的特定相位轉變中，延伸可容許的溫度間隔之範圍。此 效果是藉由以下方式獲得，藉由考慮材料對於熱作用的特 _ 性阻力，以及伴隨此作用具有足以弛緩材料結構擾亂的調 諧超音波脈衝之脈衝，其中材料結構擾亂是由單一超音波 脈衝所引起的。明確地說，根據本發明的方法，使用一超 音波衝擊工具作為偵測材料對於作用的反應之偵測裝置， 將一材料進行熱處理，且作為正規化超音波脈衝與其間暫 停之來源，這些脈衝與暫停足以起動根據過程内控制的運 算規則由任務所界定的擴散與結構改變。 熱處理控制與起動之概略示意圖係如圖14(a)到14(c)所 示。參考圖14(a)到14(c)，每個脈衝作用（1^)(就是單一作 用的週期）包含材料對於獲得一特定技術效果的特性時間 (ti)，就是脈衝或材料條件脈衝起動的週期，且包含用於弛 緩作用阻力的特性時間（Tfti)，就是弛緩/暫停週期。如圖 14(a)所示，在脈衝（就是材料條件脈衝起動的週期）（h)， 震盪系統對於電流（4)引起的超音波衝擊之反應會增加。在

36 1297294 ”加週期期間，所造成的材料品質⑴會朝向技術效果程 二：時衝擊作用阻力(2)(就是阻力起動)在週期開始 的特:阻广向技術效果程度大幅減少1料對於作用⑶ 期）^低的，且在脈衝c就是材科條件脈衝起動的週 時缺技M絲程度，但㈣在 是材料條件脈衝起動的週期）⑹末端大幅增加。 ，在脈衝作用（Tl)㈣緩作用（Ά)之綱間，就 緩/暫停的週期m崎於電 應會從材料去除，所產生的材料品質⑴二= =想要的技術效果程度處嫩的，同時衝擊作用阻力 二=阻，起動)仍保持很低，且在接近想要的一 脈衝作用Γ °而且’材料對於作用（3)的特性阻力在每個 •用㈤的整個弛緩/暫停的週期(Ti_ti)，會朝向想要 '街放果減少。圖I4(b)顯示出溫度如何影響技術效果區 域且圖14(c)顯示時間如何影響技術效果區域。 β雖然上述範例已經說明了本發明的方法之應用方式，但 疋本發明的方法之較佳實施例還可以應用至（不偈限於）· =接:鎖、阻力炫接、摩擦炫接、織心 '子先束㈣、雷射溶接、熱處理、熱機械處理 電子火花處理、超音波處理、超音波衝擊處理、錢Γ塗 上具有特定物理與機械特性的塗層、表面拋光、軟焊、在

37 1297294 = = 間製造黏著性接點、塗上黏著性的金屬塗 /以合金與具有特定性㈣鑄件之魏方法、切 '、形成金屬與合金，以及其他適合的應用方法。 明=:明的方法可應用於其他不同的方式，但是本發 ^万/匕應用的範圍仍與想要的技術效果有關，這些效 單―出現或集體出現，且係根據欲藉由脈衝處理（就 =一作用）在材料的結構、條件、或特性上所獲得的效果。 -較佳實_中’本發明的方法是利用超音波衝擊處理。 圖15-27顯示用於在超音波衝擊處理中獲得想要的技術效 果《-些物理效果與條件。這些超音波衝擊作用的技術效 果包含.產生最佳的條件，以便將超音波傳送到一材料或 物體（接點）内；擴散阻力的減少；材料的馬赛克方塊尺寸 中《減少’在超音波衝擊期間變形阻力的減少；空穴、差 排與剪力平面的起動；材科内深度與其分佈的正^化；第 二種應力的分体；在材料内部結構内形成的殘留應力；材 料内部結構的正規化，卫保護對抗衝擊帶來的動力破裂. 在材料深度上的微硬度與分佈之正規化；材料的再結晶； 除氣；對於結構及溶融缺陷形成的阻力增加；再結晶停件 與鱗Γ金㈣接接點的晶粒尺寸之正規化；材科結構的 非結晶’就是將一材斜i 4 村枓或物m轉變成非結晶狀態；廡 緩；補償導引分你及變形的再分体；消除結構缺陷^以及 38 1297294 製造一白層。 圖15-27顯π上述本發明方法的超音波衝擊作用之不同 技術效果。例如，圖15顯示將超音波轉移到一材料内的情 形。圖16顯示擴散阻力減少的技術效果。明確地說，在以 超音波處理過㈣料巾擴散崎度會大於在未經超音波處 理的材料。圖17(a)與17(b)顯示在材料以超音波（脈衝）處 理之後，在此材料中的馬赛克方塊尺寸與其緻密性 (dens彳ficat彳οη)之減少，就是想要的技術效果。明確地說， 以超音波處理能夠減少材料的馬賽克方塊尺寸。圖18顯示 在超音波衝擊期間，在差排阻力中的減少之技術效果。明 確地說，相較於並未施加超音波的材料内之應力，當根據 本發明方法施加超音波到一材料上時，材料内的應力會大 幅地減少。 圖19(a)到19(b)說明起動凹穴、差排與剪力平面之技術 政果。明確地說，比起沒有超音波的作用，在超音波的作 用下，材料的相對變形會大幅地増加。此外，比起沒有超 音波的作用，在超音波的作用τ，相對變形的可動差排之 平均速度亦會增加。_ 2G顯示在施加與未施加超音波之情 形中，在整個材料的深度中，壓縮應力分佈的正規化之技 術效果。明確地說’比起沒有超音波的作用，在超音波的 作用下’在整個材料的隸中，㈣應力分伟的正規化較

39 1297294 鬲。 圖21顯示在施加與未施加超音波之情形中，在整個材料 的深度中，第二應力分佈的技術效果。明確地說，比起沒 有超音波的作用，當材料在超音波的作用下，材料具有較 高的第二應力量（就是細微區域内形成的殘留應力）。圖22 顯示根據本發明方法施加超晋波於材料上’對於材料的内 部結構、再結晶以及晶粒尺寸的正規化。圖2 3顯TF在施加 與未施加超音波之情形中，在材料内的微硬度分佈之正規 化的技術效果。明確地說，比起沒有超音波的作用，當材 料在超音波的作用下，材料在整個深度上具有較高的微硬 度。 在說明書中提到的''白層〃意思指當材料受到蝕刻作為 金相結構辨識時之條件，此材料並不會被蝕刻，且因此會 在縮影照片中會顯示出一白層。換句話說，材料的此條件 並未具有金屬的典型結構，且根據其特定性質可以稱為非 結晶形。在白層區域内的金屬其特徵在於均勻的服務性能， 其降服與最終強度會大於未處理材料；對於摩擦、接觸動 力與靜態負載的阻力較大；且對於一般腐蝕、應力腐蝕與 腐蝕疲勞之阻力很大。 在脈衝作用的局部區域内，在超音波衝擊期間，在材料 上的組合與同時效果成為脈衝作用期間在許多金屬合金内 1297294

形成白層之主要原因：由於在一 '點〃的多重脈衝，在處 理的局部化區域之高溫（達到相位轉變的程度）；從脈衝作 用在被處理材料上的局部化 '點〃處之快速熱量散逸；以 及在脈衝作用區域内且在超音波衝擊期間，具有高程度的 操作機械應力之 '點〃塑性變形之大成形速率；由於超音 波衝擊動力的緣故，具有高程度機械應力的 '點〃超音波 塑性變形之大成形速率。圖24顯示藉由本發明的方法以超 音波處理的材料之結構非結晶與形成白層之技術效果。白 層是在施加超音波期間，材料會發生變化或轉變的一層。 圖25顯示在超音波處理期間的應力弛緩之技術效果，其 中藉由冷卻的金屬收縮所導致的有害殘留應力，則由壓縮 應力取代。圖26顯示藉由本發明的方法以超音波處理的材 料之補償、導向分佈與變形的再分佈等之技術效果。圖27 顯示藉由本發明的方法以超音波處理，所導致除去結構缺 陷的技術效果。 本發明的超音波衝擊方法可用於在材料的被處理區域中 達到各種想要的技術效果。可直接影響材料的被處理表面 之超音波衝擊的想要技術效果，不管是單一效果或是集合 效果，最好包含：在材料的表面上或體積内達到均勻分佈 的效果；增進下列材料限制物理機械特性，包括降服點與 最終強度、在某一方向上的相對可變形性、延展性，以及 41 1297294

在平面施壓狀態與整體施壓狀態中，由於拉伸、壓縮、扭 曲、彎曲與剪力的正向與剪力應力對於變形的抵抗性；穩 定且增進延展性與衝擊強度；增進疲勞阻力與裂痕阻力； 增進接觸應力阻力；增進熱機械應力阻力；增進熱機械疲 勞與老化阻力；增進應力腐蝕破裂阻力；增進腐蝕疲勞破 裂阻力；增進材料、熔接金屬與鑄造合金的結構之品質與 均同；藉由壓縮應力來取代冷卻時金屬收縮所導致的有害 殘留張力應力；增進材料的延展性，將材料在轉變溫度的 範圍内加熱之後，以淬火方式形成的結構；在熱產生過程 與生產材料與接點的期間，增進穩定的相位狀態，以及穩 定的結構形成速率；減少材料或接點的固態溶液中的擴散 氫成分；提供材料與接點的應變硬化；提供材料的應變（動 力）形成合金；根據將超微細粉末引進到延展矩陣内，提供 材料的擴散形成合金；形成高強度複合物；提供材料特性 的熱機械修改；增進機械零件的使用壽命與操作可依賴性， 包括機械強度、提勞強度與接觸強度，這是由於在金屬表 面上藉由硬化金屬而形成的一層結構以及更具延展性的基 材，因此省略機械零件的熱處理；將切削加工所引起的機 械零件表面上之殘留拉伸應力取代成壓縮應力；藉由提供 最小的粗糙度來增加機械零件的表面品質，產生愿縮應力 且獲得非常均勻的分佈；藉由在表面上產生規律與均勻分

42 1297294 佈的微觀與巨觀釋放，而提供機械零件的品質與壽命控制 以及摩擦連接；降低且再度分佈處理過程引起的有害殘留 應力；在製造與維修期間，增加攜帶負載產品以及具有過 程引起的殘留應力之結構的尺寸與扭曲穩定度；降低且補 償殘留應力與變形，這些應力與變形是藉由零件、結構與 接點之製造、保養與維修時的熱處理與溫度梯度所引起的； 藉由在應力集中區域使轉變幾何形狀最佳化且引入殘留應 力，可以去除有害的應力集中；在塗敷期間增加黏著接合 強度；增加表面塗層的強度、黏性與品質；電鍍與連接不 相似的材料；以及在製造、保養、更新與維修新製品、材 料、結構與接點之條件下，獲得上述任何結果。 圖28是一概略示意圖，顯示本發明的方法所使用的超音 波衝擊參數。明確地說，衝擊密度（D)與衝擊頻率（fim)、工 件速度（V)、處理效率（E)與衝擊能量（W)有直接的關係。處 理效率（E)又與壓痕面積（Sind)、壓痕體積（Vind)及衝擊能量 (W)有直接的關係。 使用本發明的超音波衝擊方法在一材料或物體上的作用 之運算規則顯示於圖29的方塊圖中。一起初作用施加於一 材料或物體上，其中此材料/物體會對應於此起初作用。根 據此反應，可以選擇用於材料/物體所獲得的想要技術效果 之衝擊參數。可以重複此一系列的步騾，直到材料/物體獲

43 1297294 得想要的技術效果為止。此想要的技術效果與材料對作用 的最小阻力（Rmin)與所產生的材料品質（Q)有直接關係。 圖30(a)到30(d)是概略示意圖，顯示由於本發明的超音 波衝擊方法所導致在應力與疲勞性能增進上的技術效果。 圖30(a)顯示S-N曲線，就是施加與未施加超音波的應力-週期曲線。明確地說，對於未施加超音波的材質來說，施 加有超音波的材質之S-N曲線較高。圖30(b)顯示應力集中 因數成為超音波衝擊處理（UIT)溝紋的函數。明確地說，應 力集中因數（Kt)會大幅增加，但是當半徑（R)增加時仍會超 過1。圖30(c)顯示最終應力圖，此最終應力可以下列方程 式來定義：

Tan(o〇 = amax/am = 2/(ί^+1)，其中 a ，％ax是最大應力，是中間應力，且h 是應力比例。在圖30(c)，曲線1與曲線2界定出材料在不 同的應力比例之疲勞極限，其中曲線1並未施加超音波處 理，而曲線2則是經過超音波處理。比較曲線1與曲線2 之後，在超音波處理之後在對稱負載週期的忍耐極限（σ-12) 會高於未施加超音波處理在對稱負載週期的忍耐極限（σ-1D。經由超音波處理過的降服點（στ2)會大於未處理材料的 降服點（στ1)。而且，經由超音波處理過的最終阻力（σΒ2) 會大於未處理材料最終阻力（σΒ1)。此外，R σ2是對應於 44 1297294 經過超音波處理材料的之應力比例，iToi是對應於未 經超音波處理材料的〆之應力比例。這些能證明經過超音 波處理的結構之遞增負載攜帶能力的區域，會正比於曲線 1(未經過超音波處理）以及曲線2(經過超音波處理）所界定 的區域之間的比例。

圖30(d)顯示在超音波處理之前與超音波處理之後的應力 集中分佈圖。如圖所示，在超音波衝擊處理之後，大致上 去除了應力集中。 可以與本發明的方法一起使用的各種裝置與設備包含（並 不侷限於）溶接裝置、超音波衝擊工具、金屬加工、冶金、 鑄造、滾軋、模鍛造、鍍鋅、電子光束、電子脈衝、熱機 械、磁脈衝、真空與雷射裝置。任何適當的裝置或設備均 可以連同本發明的方法一起使用。 說明書中所提到的實施例並非用來侷限本發明的範圍。 所選擇的實施例係用以說明本發明的原理，使得熟知此項 技術者可以據以實施本發明。對於熟知此項技術者來說， 顯然仍可以在不背離本發明的範圍之前提下產生一些修 改。這樣修改仍應包含在以下申請專利範圍所界定的範圍 内。 【圖式簡單說明】 圖1是一方塊圖，顯示本發明用於修改材料與物體（例如 接點）的特定性質與條件或在材料與物體内產生特定性質之 45 1297294 方法； 圖2是一概略代表圖，顯示本發明根據最小阻力準則的 處理方法； 圖3是一概略代表圖，顯示本發明根據材料品質飽和準 則的能量載波信號形狀改變； 圖4是一概略代表圖，顯示本發明來自能量載波信號的 電流之材料反應測量；

圖5是一概略代表圖，顯示本發明在整個參數範圍内對 脈衝能量、脈衝長度與暫停的控制； 圖6是一概略代表圖，顯示本發明在一材料上的脈衝作 用之參數的運算控制準則； 圖7(a)與7(b)是概略代表圖，顯示本發明在一真正脈衝 處理過程期間的參考資料與參數之測量以及過程中的控制 運算； 圖8是一概略代表圖，顯示本發明一機器加工過程聲音 起動； 圖9是一概略代表圖，顯示本發明藉由超音波頻率的電 流之篆溶接； 圖10是一概略代表圖，顯示本發明的超音波衝擊處理（UIT) 適應性； 圖11(a)到11(c)是概略代表圖，顯示本發明藉由超音波 46 1297294 衝擊來產生一超音波； 圖12(a)到12(e)是概略代表圖，顯示本發明的整體性超 音波處理； 圖13是一概略代表圖，顯示本發明藉由超音波衝擊的作 用來除去結構上的缺陷； 圖14(a)到14(c)是概略圖形，顯示本發明的熱處理控制 與起動；

圖15是一概略代表圖，顯示將超音波轉移到一材料内， 此乃根據本發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖16是一概略代表圖，顯示擴散阻力減少，此乃根據本 發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖17(a)到17(b)是概略代表圖，顯示一材料的馬賽克方 塊尺寸之轉移減少，此乃根據本發明超音波衝擊作用的一 可能技術效果； 圖18是一概略代表圖，顯示在超音波衝擊期間在移位阻 力中的減少，此乃根據本發明超音波衝擊作用的一可能技 術效果； 圖19(a)到19(b)是概略代表圖，顯示空洞、移位與剪力 平面的起動，此乃根據本發明超音波衝擊作用的一可能技 術效果； 圖20是一概略代表圖，顯示壓縮應力分佈的正規化，此 47 1297294 乃根據本發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖21是一概略代表圖，顯示第二種應力的分佈，此乃根 據本發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖22是一概略代表圖，顯示一材料的内部結構、再結晶 與晶粒尺寸之正規化，此乃根據本發明超音波衝擊作用的 一可能技術效果；

圖23是一概略代表圖，顯示微硬度分佈的正規化，此乃 根據本發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖24是一概略代表圖，顯示一材料的白層與非結晶結構， 此乃根據本發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖25是一概略代表圖，顯示在拉伸應力與壓縮應力之間 的應力弛緩，此乃根據本發明超音波衝擊作用的一可能技 術效果； 圖26是一概略代表圖，顯示變形的補償、直接分佈與再 分佈，此乃根據本發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖27是一概略代表圖，顯示結構缺陷的去除，此乃根據 本發明超音波衝擊作用的一可能技術效果； 圖28是一概略代表圖，顯示根據本發明的超音波衝擊參 數； 圖29是一方塊圖，顯示本發明在一物體/材料上的作用 之運算規則；及 1297294 圖30(a)到30(d)是概略代表圖，顯示由於根據本發明的 超音波衝擊處理，而在最終應力與疲勞性能上的增進。 【主要元件符號說明】

1 - •電源開關 2 -熱電致冷晶片 3 -冷循環器 4 -散熱循環設備 5 -溫控is 31 -冷導板 32 -冷水管 33 一籍片 34 -怪溫控制按鍵 35 -循環液體 41 -熱導板 42 -散熱管 43 一籍片 44 -風扇 45 -排熱 51 -十亙溫按鍵 52 -升降溫按鍵 49

Claims (1)

1297294 力的反應同步，該最小阻力是由被處理區域中的材料品質 飽合而決定的。

4·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該方法可與 電弧熔接、熱熔接、阻力熔接、摩擦熔接、摩擦攪拌熔接、 超音波熔接、擴散熔接、壓力熔接、電子光束熔接、雷射 溶接、熱處理、熱機械處理、電子火花處理、超音波處理、 超音波衝擊處理、鍍鋅、塗層、表面拋光、軟焊、製造金 屬與非金屬之間的黏著性接點、黏著性金屬塗層、電弧製 造鑄造合金與塗層，或形成金屬與合金等之一處理方式一 起使用。 5·如申請專利範圍第4項之方法，其中該脈衝的脈衝能 量作用之波形與參數是位於機械聲音與電磁頻譜的頻率範 圍内。 6·如申請專利範圍第5項之方法，其中該脈衝能量作用 包括一載波能量信號，且該載波能量信號的該波形是從(-1) 到大於0的應力比例範圍之間作變化，使得能維持該能量 信號的波形，且根據藉由具最小阻力的脈衝所處理的材料 區域内之材料品質飽和，該波形符合該至少一技術效果。 7·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該脈衝能量 作用係藉由調整該作用的個別脈衝之振幅與長度而正規 化0

51 1297294 8·如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝的個別脈 衝在材料上的最小阻力是單一脈衝能量正規化的準則，同 時在該材料内獲得該至少一技術效果。 9·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在獲得該至 少一技術效果之前，該暫停的個別暫停之時間長度在該材 料内會產生改變，且其中用於弛緩來自脈衝在該材料内的 改變所需之時間是該暫停的時間長度之準則。 10·如申請專利範圍第1項之方法，其中該作用在該材 料上的能量之完整程度，係用以在材料中獲得至少一技術 效果，乃為正規化該脈衝與暫停的一準則，以及決定該脈 衝作用的重複比例之準則，且該最小阻力是藉由在該暫停 期間一漸近線損耗減少與材料對該脈衝的反應之個別正比 阻尼所決定的。 11_如申請專利範圍第1項之方法，其中該材料對該脈 衝作用的反應係藉由 控制能量的電流而局部地決定，其中該電流信號係用以 控制該控制能量的能量信號之參數，以及在該作用期間調 變該能量信號。 12.如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝的個別 脈衝與該暫停的個別暫停之能量與長度可以藉由在振幅、 脈衝長度與暫停長度之間的比例，及重複比例中的改變， 52 1297294 而從隨機到受控制的範圍内加以調整。 13·如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝能量的 作用包括一能量信號，該能量信號包含熱、電磁、光束、 相干性、半靜態、聲音、熱動力或超音波能量，且該脈衝 作用與該暫停可以包括在該能量信號或與之平行。 14.如申請專利範圍第1項之方法，其中在該材料中作 用與該反應的同步係根據以下方式獲得的信號而決定的， 在材料内發生一引導的性質改變期間傾聽材質，監控在材 料的被處理區域内之改變動力與材料品質飽和，及/或記錄 材料對作用的巨觀反應。 15·如申請專利範圍第14項之方法，其中該信號代表該 材料的性能，當材料受到作用時，該等信號可以藉由一調 諧控制處理裝置來讀取。 16·如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝作用與 該材料對作用的反應之間的同步係藉由以下任一方式產 生：（1)直接測量該材料的結構噪音之聲音信號；（2)在該 暫停期間測量材料品質；或（3)在與材料對作用的反應同步 及/或同相位的該暫停之個別暫停期間，記錄該材料的基本 震盪阻尼。 17·如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝能量作 用的一控制載波是超音波衝擊，且其中該至少一技術效果

53 1297294 的獲得方式係藉由控制多數超音波衝擊參數，在〇與1的 範圍内之參數，在用於該等參數的一控制機率因數之控制 範圍内，將該材料對超音波衝擊的反應施以程序内控制， 以及相反的程序。

18.如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝能量作 用的一控制載波是超音波，且其中用於產生該至少一技術 效果的條件包括引發的及/或殘留變形與應力、脈衝、交替 與重複應力、塑性變形、再結晶、弛緩或超音波衝擊所產 生的擴散，且其中該至少一技術效果係藉由控制多數超音 波衝擊參數，在0與1的範圍内之參數，在用於該等參數 的一控制機率因數之控制範圍内，將該材料對超音波衝擊 的反應施以程序内控制，以及相反的程序。 19·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該超音 波衝擊在材料上的物理效果能單一或集體地決定用以獲得 該至少一技術效果的至少一條件，該至少一條件包括下列 至少之一： 產生將超音波傳送到材料内的最佳條件； 減少擴散阻力； 減少材料的馬赛克方塊尺寸； 在超音波衝擊期間，減少變形阻力； 起動空穴、差排與剪力平面； 54 1297294 在該材料内的深度的正規化，塑性變形與所產生的 應力分佈； 第二應力的分佈； 該材料内部結構的正規化，且保護此内部結構對抗 衝擊引起的動力破裂； 在整個材料深度中，微硬度的正規化，以及微硬度 的分佈；

材料的再結晶、去除氣體，且增加對於結構與熔融 態缺陷形成的抵抗力； 結晶條件之正規化，以及鑄造合金與熔接接點内的 晶粒尺寸； 該材料的結構非結晶化； 應力弛緩； 補償與引導分佈，以及變形的再分佈； 消除結構缺陷；及 產生一白層。 20·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該超音 波衝擊的至少一技術效果是下列效果的至少之一： 在材料表面上或體積内提供作用的均勻分佈； 增加材料限制物理機械特性，這些特性係藉由降服 點、最終強度、特定方向上的相對變形、延展性及對於張 55 1297294 力、擠壓、扭曲、彎曲及平面受力狀態與整體受力狀態的 正向與剪力應力所產生之抵抗性； 穩定與增加延展性與衝擊強度； 增加疲勞抵抗性與裂痕抵抗性； 增加接觸應力抵抗性； 增加熱機械應力抵抗性； 增加熱機械疲勞與老化抵抗性； 增加應力腐蝕疲勞抵抗性； 增加腐蝕疲勞破裂抵抗性； 增加熔接金屬與鑄造合金的結構之品質與均質 性； 以壓縮應力取代冷卻時金屬收縮所產生的有害殘 留拉伸應力； 增加材料的延展性，材料的結構係在轉變溫度的 範圍内加熱之後以洋火形成的； 在熱製造處理及材料與接點的處理過程期間，增 加一穩定的相位狀態與穩定的結構形成速率； 減少在材料的固態溶液内之擴散氫成分； 提供材料的應變硬化； 提供材料的應變形成合金； 根據將超細粉末引入一延展矩陣内，而提供材料 56 1297294 的擴散形成合金； 形成高強度複合物； 提供材料性質的熱機械修改方式； 增加機械零件的壽命與操作可信賴度，包含機械 強度、疲勞強度，與金屬表面上的硬化金屬與一更易延展 的基材形成的一層結構之接觸強度； 消除機械零件的熱處理； I 以壓縮應力取代切削完工時在機械零件的表面上 所產生的殘留拉伸應力； 藉由提供最小粗糙度，產生壓縮應力及獲得其均 勻分佈，而增加機械零件的表面品質； 藉由在零件表面上產生規律均勻分佈的微觀釋放 與巨觀釋放，而提供機械零件的品質與壽命控制及摩擦連 接， p 減少並再分佈因處理引起的有害殘留應力； 在製造與保養期間，增加負載攜帶產品的尺寸與 扭曲穩定性，以及具有因處理而引起的殘留應力之結構； 減少並補償殘留應力與變形，這些係藉由熱處理 零件、結構與接點的製造、保養與維修所導致的溫度梯度 所導致的； 藉由在一應力集中區域内使轉變幾何形狀最佳 57 1297294 化，且引起殘留應力，來去除有害應力的集中； 在塗層期間增加黏著性結合強度； 增進表面塗層的強度、黏性與品質； 電鍍與連接不相似的材料， 以及上述效果之任一組合。 21.如申請專利範圍第20項之方法，其中該超音波衝擊 的該至少一技術效果是在材料、製品、結構或接點的製造、 保養、更新與維修的條件下獲得的。 22·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該超音 波衝擊的一系列控制參數，係與材料對於該超音波衝擊的 反應同步及/或同相位，該等參數係根據在獲得該至少一技 術效果時超音波衝擊在該材料上的最小阻力之準則，該技 術效果係藉由在該材料的被處理區域中之材料品質飽和而 確認的，其中該一系列控制參數包含以下參數的至少之一 ·· 超音波衝擊長度，其中當硬度量測應力計同時接觸 材料與超音波變換器尖端時，以及在材料與超音波變換器 尖端之間的間隙内之度量測應力計的超音波震盪時，此長 度是一累積時間； 超音波衝擊之間的暫停持續時間； 在一特定衝擊長度或衝擊之間的暫停處，衝擊的重複比 例或備用因素； 58 1297294 藉由與超音波衝擊的一被處理表面之單位面積或處 理的單位時間有關之衝擊密度； 衝擊效率，係包含單一壓痕的面積或體積，或是將 塑性變形引入材料内的材料體積； 載波超音波震盪的振幅與頻率； 由超音波頻率的載波震盪所導致的衝擊彈回振幅； 施加於材料表面上的靜態壓力，且伴隨產生超音波 衝擊起動的處理； 在超音波機械震盪的一系統源中之連接程度； 一等效質量，在衝擊點内的該等效質量之自然頻率 與等效彈性，及 一衝擊元件的聲音彈性、質量與結構。 23·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該程序 内控制包含以下一連串步驟順序： 預先決定實驗性的參數資料，此乃藉由測量在超音波 衝擊激發期間，在負載條件下的超音波震盪振幅、衝擊頻 率與長度，及電流參數，以及在一 UIM系統中的電流參數 與基本震盪的阻尼因素，該系統包括在超音波衝擊之間的 暫停内之超音波諧振本體、衝擊元件與被處理材料（UIM)， 這些衝擊均能將材料對於作用的反應以及在獲得想要的物 理及/或技術效果期間材料品質的任何變化等特徵表現出 59 1297294 來；

測量UIM的震盪參數，這些包括在超音波衝擊激發 期間，在負載條件下的震盪振幅、衝擊頻率與長度，及電 流參數，以及在超音波衝擊之間的暫停内之UIM系統中的 基本震盪的電流與阻尼因素，這些衝擊均能將材料對於作 用的反應以及在施加超音波衝擊處理的真正操作過程期間 之相關品質的任何變化等特徵表現出來，以便獲得真正的 現有資料； 將UIM之震盪參數與實驗參考資料作一比較； 根據該至少一技術效果，在實驗參考資料與該真正 現有資料之間計算出一致性，且校正該一致性，其中該真 正現有資料係藉由比較參考資料與真正電流資料而獲得 的； 將該一致性資料轉換成控制碼； 根據材料對作用的反應以及在材料的被處理區域中 之品質飽和的動力，來產生一控制運算規則與控制信號； 及 自動控制UIM中的超音波衝擊參數，這些參數能適 用於獲得想要的技術效果。 24·如申請專利範圍第23項之方法，其中該超音波衝擊 係與材料對於超音波衝擊作用的反應產生同步及/或同相位 1297294 的作用，其中該超音波衝擊參數係根據申請專利範圍第23 項所述之順序來選擇，且遭受該脈衝能量作用的最小阻力， 該能量足以在材料的體積内獲得該至少一技術效果，且該 最小阻力是藉由在材料的被處理區域中之材料品質飽和所 確認的。 25·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該超音 波係藉由一超音波塑性變形的區域而傳送到該材料内，其 中該超音波塑性變形的區域是由在材料上一連串控制脈衝 作用而形成的，直到在該區域内獲得該材料品質飽和為止。 26.如申請專利範圍第23項之方法，其中足以在材料的 被處理區域之表面及體積内獲得該至少一技術效果的材料 特性之均勻分佈，係依處理結果的準則，同時該等材料特 性係根據申請專利範圍第23項所述之順序的主動程序内控 制而獲得的。 27·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該脈衝 處理是整體的脈衝處理，其中該材料的該整體脈衝處理是 藉由相對於該材料形成固定的一超音波衝擊工具來執行 的，其中該超音波衝擊工具能在材料的基本震盪頻率處起 動脈充能量的作用，這些頻率係藉由具其間暫停的脈衝及 主動程序内控制而產生的，同時該材料暴露或未暴露於一 分佈的靜態壓力、分佈的動力負載、分饰的加熱下，且在

61

1297294 一真空或惰性氣體、具有特定環境的室内，在一處理槽中 或開放空氣内。 28·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中超音波 衝擊在該材料上的物理效果可決定獲得該至少一技術效果 的至少一條件且包括消除結構上的缺陷，包含表面下的孔、 微裂缝、大型晶粒、樹模石、擴散氫、隱藏的結構應力集 中、内部結構缺陷及疊層，其中該結構缺陷可以藉由在材 料上的局部或整體效應來消除，時該缺陷消除是由在材料 中的擴散起動、塑性變形、再結晶、弛緩及/或有害空穴與 差排條件的最佳化而造成的，且該效果係藉由在材料的表 面或體積上的脈衝能量作用之組合或單獨效果而控制的， 該脈衝能量作用包含超音波衝擊、在材料上的超音波衝擊 波與震動、彈性或塑性變形，同時材料暴露或未暴露於一 分佈的靜態壓力、分佈的動力負載、分佈的加熱下，且在 一真空或惰性氣體、具有特定環境的室内，在一處理槽中 或開放空氣内。 29.如申請專利範圍第17或18項之方法，其中應力集 中、具有低疲勞抵抗性與低破裂形成抵抗性的區域，係藉 由以下方式來減少或消除，包含藉由超音波衝擊與材料的 合成塑性變形、幾何應力去除集中、產生一殘留壓縮應力 場、以壓縮應力取代有害的拉伸應力、弛緩殘留拉伸應力、

62 1297294 消除表面下的缺陷、修改材質結構、增加在半靜態、動態、 週期性與交替性負載的條件下之材質的延展性，如此可增 進材料的抗疲勞性、抗腐蝕疲勞性，及/或抗應力腐蝕性。 30·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該控制 機率因數是一無尺寸的函數，係藉由超音波衝擊參數的重 複數目與超音波衝擊的數目之間的比例來表示的，此足以 且必須能在脈衝能量作用所處理的區域中獲得該至少一技 術效果。 31·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該脈衝 能量的脈衝作用可切削金屬與合金，其中首先測量在變形 中心内的應力波動，建立一調諧過的聲音震動系統，測量 系統到工具一工件的反應，產生與反應參數同步及/或同相 位的超音波脈衝，以及起動程序内控制。 32·如申請專利範圍第17或18項之方法，其中該材料 係使用一超音波衝擊工具作為被處理材料對於作用的反應 之偵測裝置來進行加熱處理，且作為正規化超音波脈衝與 其間暫停的來源，這些係根據程序内處理的運算規則足以 起♦在材料内岛緣散與結構變化。 33·如申請專利範圍第1項之方法，其中該能量是電弧 熔接，其中該電弧熔接是藉由使用藉由正規化脈衝所調變 的超音波頻率電流來執行的，其中這些正規化脈衝具有根 63 1297294 停產生同步鱼適處 有最小的-二材料對於該超音波脈衝作用具 處理的區域中之F且力是由該超音波脈衝作用所 '斗口口質飽和而確認的；及 -技術：為重:步驟(a)到(心^^ 36_如申請專利範圍第35項 料條件脈衝_ 3賴衝包含材 該超立、* 的週期，且該暫停包含轉的週期，其中 °脈衝作用之一規律脈衝可在該材料條件脈衝^杂 的週，供™材料上，且其中:連= 的超目波脈_作用可獲得該至少—技術效果。 到=材Γ請專利範圍第35項之方法，其中該脈衝係施加 x ''上，直到該材料在該暫停開始時對該脈衝達到最 J的阻力，且其中該脈衝與該暫停係與該材料中具有最小 阻力的反應同步，該最小阻力是由被處理區域中的材料品 質飽合而決定的。 38 4 如申請專利範圍第35或36項之方法，其中具有控 制超音波衝擊的超音波脈衝作用之能量，係藉由調整該超 曰波脈衝作用的個別脈衝之振幅與長度來進行正規化。 39_如申請專利範圍第 35項之方法，其中該脈衝的個別 脈衝在材料上的最小阻力是單一脈衝能量正規化之準則， 同時可以在材科内獲得該至少一技術效果。 (S) 65 1297294 40·如申請專利範圍第36項之方法，其中在獲得該至少 一技術效果之前，該暫停的個別暫停之時間長度在該材料 内會產生改變，且其中用於弛緩來自脈衝在該材料内的改 變所需之時間是該暫停的時間長度之準則。 41·如申請專利範圍第35項之方法，其中該作用在該材 料上的超音波脈衝作用的能量之完整程度，係用以在材料 中獲得至少一技術效果，乃為正規化該超音波脈衝與暫停 的一準則，以及決定該超音波脈衝作用的重複比例之準則， 且該最小阻力是藉由在該暫停期間一漸近線損耗減少與材 料對該超音波脈衝的反應之個別正比阻尼所決定的。 42·如申請專利範圍第35項之方法，其中該材料對該超 音波脈衝作用的反應係藉由超音波衝擊能量的控制來源之 電流而局部地決定，其中該電流信號係用以控制該超音波 脈衝能量的控制來源之能量信號之參數，以及在該脈衝作 用期間調變該能量信號。 43·如申請專利範圍第35項之方法，其中該脈衝的個別 脈衝與該暫停的個別暫停之能量與長度可以藉由在振幅、 脈衝長度與暫停長度之間的比例，及重複比例中的改變， 而從隨機到受控制的範圍内加以調整。 44·如申請專利範圍第35項之方法，其中該至少一技術 效果的獲得方式係藉由控制多數超音波衝擊參數，在0與1

66 1297294 的範圍内之參數，在用於該等參數的一控制機率因數之控 制範圍内，將該材料對超音波衝擊作用的一脈衝的反應施 以程序内控制，以及相反的程序。 45·如申請專利範圍第35項之方法，其中用於產生該至 少一技術效果的條件包括引發的及/或殘留變形與應力、脈 衝、交替與重複應力、塑性變形、再結晶、弛緩或超音波 衝擊所產生的擴散，且其中該至少一技術效果之獲得方式 係藉由控制多數超音波衝擊參數，在0與1的範圍内之參 數，在用於該等參數的一控制機率因數之控制範圍内，將 該材料對超音波衝擊的反應施以程序内控制，以及相反的 程序。

46.如申請專利範圍第35項之方法，其中該超音波衝擊 的能量在材料上的至少一技術效果能單一或集體地決定用 以獲得該至少一技術效果的至少一條件，該至少一條件包 括下列至少之一： 產生將超音波傳送到材料内的最佳條件； 減少擴散阻力； 減少材料的馬赛克方塊尺寸； 在超音波衝擊期間，減少變形阻力； 起動空穴、差排與剪力平面； 在該材料内的深度的正規化，塑性變形與所產生的

67 1297294 應力分佈； 第二應力的分佈； 該材料内部結構的正規化，且保護此内部結構對抗 衝擊引起的動力破裂； 在整個材料深度中，微硬度的正規化，以及微硬度 的分佈； 材料的再結晶、去除氣體，且增加對於結構與熔融 態缺陷形成的抵抗力； 結晶條件之正規化，以及鑄造合金與熔接接點内的 晶粒尺寸， 該材料的結構非結晶化； 應力弛緩； 補償與引導分佈，以及變形的再分佈； 消除結構缺陷；及 產生一白層。 47·如申請專利範圍第35項之方法，其中該超音波脈衝 作用的至少一技術效果是下列效果的至少之一： 在材料表面上或體積内提供作用的均勻分佈； 增加材料限制物理機械特性，這些特性係藉由降服 點、最終強度、特定方向上的相對變形、延展性及對於張 力、擦壓、扭曲、彎曲及平面受力狀態與整體受力狀態的 68 1297294 正向與剪力應力所產生之抵抗性； 穩定與增加延展性與衝擊強度； 增加疲勞抵抗性與裂痕抵抗性； 增加接觸應力抵抗性； 增加熱機械應力抵抗性； 增加熱機械疲勞與老化抵抗性； 增加應力腐姓疲勞抵抗性；

增加腐#疲勞破裂抵抗性； 增加熔接金屬與鑄造合金的結構之品質與均質性； 以壓縮應力取代冷卻時金屬收縮所產生的有害殘留 拉伸應力； 增加材料的延展性，材料的結構係在轉變溫度的範 圍内加熱之後以淬火形成的； 在熱製造處理及材料與接點的處理過程期間，增加 一穩定的相位狀態與穩定的結構形成速率； 減少在材料的固態溶液内之擴散氫成分； 提供材料的應變硬化； 提供材料的應變形成合金； 根據將超細粉末引入一延展矩陣内，而提供材料的 擴散形成合金； 形成高強度複合物； 69 1297294 提供材料性質的熱機械修改方式； 增加機械零件的壽命與操作可信賴度，包含機械強 度、疲勞強度，與金屬表面上的硬化金屬與一更易延展的 基材形成的一層結構之接觸強度； 消除機械零件的熱處理； 以壓縮應力取代切削完工時在機械零件的表面上所 產生的殘留拉伸應力； 藉由提供最小粗糙度，產生壓縮應力及獲得其均勻 分佈，而增加機械零件的表面品質； 藉由在零件表面上產生規律均勻分佈的微觀釋放與 巨觀釋放，而提供機械零件的品質與壽命控制及摩擦連接； 減少並再分佈因處理引起的有害殘留應力； 在製造與保養期間，增加負載攜帶產品的尺寸與扭 曲穩定性，以及具有因處理而引起的殘留應力之結構； 減少並補償殘留應力與變形，這些係藉由熱處理零 件、結構與接點的製造、保養與維修所導致的溫度梯度所 導致的； 藉由在一應力集中區域内使轉變幾何形狀最佳化， 且引起殘留應力，來去除有害應力的集中； 在塗層期間增加黏著性結合強度； 增進表面塗層的強度、黏性與品質； 1297294 電鍍與連接不相似的材料， 以及上述效果之任一組合。 48·如申請專利範圍第47項之方法，其中該超音波脈衝 作用的該至少一技術效果是在材料、製品、結構或接點的 製造、保養、更新與維修的條件下獲得的。

49.如申請專利範圍第35項之方法，其中該超音波衝擊 的一系列控制參數，係與材料對於該超音波衝擊的反應同 步及/或同相位，該等參數係根據在獲得該至少一技術效果 時超音波衝擊在該材料上的最小阻力之準則，該技術效果 係藉由在該材料的被處理區域中之材料品質飽和而確認 的，其中該一系列控制參數包含以下參數的至少之一： 超音波衝擊長度，其中當硬度量測應力計同時接觸 材料與超音波變換器尖端時，以及在材料與超音波變換器 尖端之間的間隙内之度量測應力計的超音波震盪時，此長 度是一累積時間； 超音波衝擊之間的暫停持續時間； 在一特定衝擊長度或衝擊之間的暫停處，衝擊的重 複比例或備用因素； 藉由與超音波衝擊的一被處理表面之單位面積或處 理的單位時間有關之衝擊密度； 衝擊效率，係包含單一壓:痕的面積或體積，或是將 71 1297294 塑性變形引入材料内的材料體積； 載波超音波震盪的振幅與頻率； 由超音波頻率的載波震盪所導致的衝擊彈回振幅； 施加於材料表面上的靜態壓力，且伴隨產生超音波 衝擊起動的處理； 在超音波機械震盪的一系統源中之連接程度；

一等效質量，在衝擊點内的該等效質量之自然頻率 與等效彈性，及 一衝擊元件的聲音彈性、質量與結構。 50·如申請專利範圍第35項之方法，其中該程序内控制 包含以下一連串步驟順序： 預先決定實驗性的參數資料，此乃藉由測量在超音 波衝擊激發期間，在負載條件下的超音波震盪振幅、衝擊 頻率與長度，及電流參數，以及在一 UIM系統中的電流參 數與基本震犟的阻尼因素，該系統包括在超音波衝擊之間 的暫停内之超音波諧振本體、衝擊元件與被處理材料 (UIM)，這些衝擊均能將材料對於作用的反應以及在獲得想 要的物理及/或技術效果期間材料品質的任何變化等特徵表 現出來； 測量UIM系統震盪參數，這些包括在超音波衝擊激 發期間，在負載條件下的震盪振幅、衝擊頻率與長度，及

72 1297294 電流參數，以及在超音波衝擊之間的暫停内之UIM系統中 的基本震盪的電流與阻尼因素，這些衝擊均能將材料對於 作用的反應以及在施加超音波衝擊處理的真正操作過程期 間之相關品質的任何變化等特徵表現出來，以便獲得真正 的現有資料； 將UIM系統之震盪參數與實驗參考資料作一比較； 根據該至少一技術效果，在實驗參考資料與該真正 現有資料之間計算出一致性，且校正該一致性，其中該真 正現有資料係藉由比較參考資料與真正電流資料而獲得 的； 將該一致性資料轉換成控制碼； 根據材料對作用的反應以及在材料的被處理區域中 之品質飽和的動力，來產生一控制運算規則與控制信號； 及 自動控制UIM中的超音波衝擊參數，這些參數能適 用於獲得想要的技術效果。 51·如申請專利範圍第50項之方法，其中該超音波衝擊 係與材料對於超音波衝擊作用的反應產生同步及/或同相位 的作用，其中該超音波衝擊參數係根據申請專利範圍第50 項所述之順序來選擇，且遭受該脈衝能量作用的最小阻力， 該能量足以在材料的體積内獲得該至少一技術效果，且該 73 1297294 最小阻力是藉由在材料的被處理區域中之材料品質飽和所 確認的。 52. 如申請專利範圍第35項之方法，其中該超音波係藉 由一超音波塑性變形的區域而傳送到該材料内，其中該超 音波塑性變形的區域是由在材料上一連_控制脈衝作用而 形成的’直到在該區域内獲得該材料品質飽和為止。 53. 如申請專利範圍第50項之方法，其中足以在材料的 被處理區域之表面及體積内獲得該至少一技術效果的材料 特性之均勻分佈，係依處理結果的準則，同時該等材料特 性係根據申請專利範圍第50項所述之順序的主動程序内控 制而獲得的。 54·如申請專利範圍第35項之方法，其中在該超音波脈 衝作用與該材料的反應之同步係根據以下方式獲得的信號 而決定的，在材料内發生一引導的性質改變期間傾聽材質， 監控在材料的被處理區域内之改變動力與材料品質飽和， 及/或記錄材料對作用的巨觀反應。 55.如申請專利範圍第54項之方法，其中該信號代表該 材料的性能，當材料受到作用時，該等信號可以藉由一調 諧控制處理裝置來讀取。 56·如申請專利範圍第35項之方法，其中該超音波脈衝 作用與該材料對該超音波脈衝作用的反應之間的同步係藉 74 1297294 增加熱機械應力抵抗性； 增加熱機械疲勞與老化抵抗性； 增加應力腐蝕疲勞抵抗性； 增加腐蝕疲勞破裂抵抗性； 增加熔接金屬與鑄造合金的結構之品質與均質性； 以壓縮應力取代卻時金屬收縮所產生的有害殘留拉 伸應力； 增加材料的延展性，材料的結構係在轉變溫度的範 圍内加熱之後以淬火形成的； 在熱製造處理及材料與接點的處理過程期間，增加 一穩定的相位狀態與穩定的結構形成速率； 減少在材料的固態溶液内之擴散氫成分； 提供材料的應變硬化； 提供材料的應變形成合金； 根據將超細粉末引入一延展矩陣内，而提供材料的 擴散形成合金； 形成高強度複合物； 提供材料性質的熱機械修改方式； 增加機械零件的壽命與操作可信賴度，包含機械強 度、疲勞強度，與金屬表面上的硬化金屬與一更易延展的 基材形成的一層結構之接觸強度； 76