Для преобразования электрической энергии в энергию механи­ческих колебаний ультразвуковой частоты используются извест­ные физические явления магнитострикции и пьезоэлектрического эффекта [31. Сущность этих явлений заключается в том? что не­которые материалы, например, никель, пермендюр, ферриты и другие при воздействии электромагнитного поля меняют свои линейные размеры.

Конструкция, габаритные размеры и материал преобразова­теля определяют его резонансные и энергетические свойства. Основные физико-механические свойства важнейших магнито — стрикционных материалов приведены в табл. 4.2.

Промышленное применение имеют материалы, которые не со­держат дефицитных, дорогостоящих металлов, достаточно де­шевы, доступны и обладают хорошими эксплуатационными и технологическими свойствами. В настоящее время наибольшее

Физико-механические свойства магнитострикционных материалов

Свойства

Ни­

кель

Пер­

мен­

дюр

К49Ф2

Пер­

мен­

дюр

К-65

Аль-

фер

Ю-14

Фер­

рит

Ф-21

Фер­

рит

Ф-42

Магнитострикционное удлинение, мкм

—40

+70

+90

+40

—26

—26

Магнитное насыщение

0,64

2,4

2,2

1,34

0,33

0,37

Начальная проницаемость

400

700

150

1000

44

73

Максимальная проницаемость М-шах

2500

4500

1500

2800

2000

3000

Коэрцитивная сила Яс

1,7

1,4

0,25

Удельное электрическое сопротив­ление р-10"8, Ом/см

7

26

8

12

Модуль упругости Е*10, ГПа

2,1

2,18

2,24

1,77

Плотность, г/см8

8,85

8,1

8,25

6,65

5,20

5,21

Предел прочности ат, МПа

36

50

67

75

Точка Кюри, °С

380

980

500

590

585

Коэффициент магнитомеханиче­ской связи

0,15— 0,24

0,35

0,2

0,28

0,21

0,15— 0,39

Скорость распространения про­дольных волн, м/с

4780

5180

4750

5790

5490

Подмагничивание Яс, А/м

1000

2000

1440

1280

применение находят никель, пермендюр, ферриты. Никель обла­дает сравнительно небольшой, но достаточно интенсивной магнито — стрикдией, хорошими антикоррозионными свойствами, пластич­ностью и прочностью. Очень важно, что никель хорошо паяется оловом и серебром со сталями.

Наиболее рациональным материалом для изготовления пре­образователя является пермендюр (К49Ф2). Он отличается сильно выраженным магнитострикционным эффектом, т. е. позволяет получать весьма значительные мощности при относительно не­больших размерах вибратора. Однако по сравнению, например, с никелем он обладает недостаточной механической прочностью и антикоррозионной стойкостью. При использовании железоалю­миниевых сплавов, несмотря на неплохие характеристики, соеди­нение их со сталями вызывает серьезные затруднения. (

Для максимального достижения магнитострикционного эффекта необходимо использовать рациональные значения напряженности поля подмагничивания Н0 и переменного поля #м. Величина поля подмагничивания Н0 определяет положение рабочей точки на кривой магнитострикции и, как следствие этого, значение коэффициента магнитострикции (рис. 4.4, точка /С).

Рекомендуется выбирать Н0 > 0,5#тах. Ток подмагничива­ния /0 выбирают исходя из статической характеристики кривой магнитострикции. Рабочий участок на этой кривой целесообразно выбирать с максимальной крутизной, наибольшим перепадом максимального и минимального значений магнитострикции. Уча-

Рис. 4.4. Изменение индукции В и де-
формации х в ферромагнитном мате-
риале

сток должен быть линейным. При этом Нт = Ятах — Н0, где Н max — НаПрЯЖЄННОСТЬ поля, соответствующая вы­бранному максимальному значению; б — амплитуда относительного удлинения. Практически для расчета преобразователя, например, количества ампер-витков тока подмагничивания и возбуждения используются табличные значения Н0 и Нт. При этом оконча­тельное число ампер-витков определяется экспериментально.

В работах [6 и др. ] приведены результаты исследований и методики расчета электрических и механических параметров одно-, двух — и многостержневых магнитострикционных преобразователей (рис. 4.5). Например, расчет резонансной частоты вибратора построен из предположения, что при резонансе его входное сопро­тивление ZBX = оо, активные потери крайне малы. Опуская элементы преобразования, получаем

tg (ая/2) tg [ -<?] = 0.

Уравнение позволяет определить резонансную частоту пре­образователя при заданных его размерах а, б, с, d и др.

Аналогичные результаты можно получить, используя урав­нение

ctg kd ctg k — g — = Si/S2,

где k — волновое число; — площадь накладки; S2 — площадь поперечного сечения стержня.

Длина стержня без накладок может быть предварительно определена так:

где / — заданная частота колебаний преобразователя.

Для определения резо­нансной частоты трех­стержневого преобразова­теля (рис. 4.5) можно вое-

Рис. 4.5. Общий вид и основные
размеры магнитострикционных пре-
образователей

пользоваться весьма простой формулой, которая дает вполне удовлетворительные результаты,

f = JL ]/,. в………….. …

1 2h V (1 + b)/(2h) 9

где 6 — толщина пакета; А — полная высота пакета с наклад­ками; толщина боковых стержней равна 6/8, а толщина централь­ного стержня 6/4.

Для оценки энергетических показателей преобразователя можно использовать экспериментально-расчетные величины и, в частности, скорость, волновое сопротивление, относительное удлинение и добротность.

Уравнение, по которому рекомендовано определять удельную механическую мощность одностержневого преобразователя, имеет вид

Р = 0,063V2pcS6LQ,

где V — скорость распространения продольной волны в мате­риале преобразователя; pcS — волновые сопротивления; 6ТО — амплитуда относительного удлинения.

Добротность Q может быть определена экспериментально из резонансной кривой, получаемой при возбуждении продольных колебаний преобразователя,

Q = /3/o/Af; Af = ft— fv

где /о — резонансная частота; Д/ — полоса частот, где крайние значения обеспечивают величину смещения торца преобразова­теля на уровне I = 0,бітах.

Приведенные соотношения могут дать сугубо приближенные значения удельной мощности МСП. Автор для одностержневого преобразователя дает значения Р — 19Q Вт/см2. Принимая, что Q находится в пределах от 1 до 20, Р w 19-г380 Вт/см2. (Но так как Q > 1, то использование предложенного уравнения всегда дает завышенное значение.)

Как правило, конструкция МСП доводится экспериментально. В МСП основными видами потерь являются потери на гистерезис и вихревые токи. Потери от вихревых токов растут пропорцио­нально квадрату частоты, а от гистерезиса — пропорционально частоте. Потери на гистерезис можно уменьшить только соответ­ствующим выбором материала. Потери на вихревые токи можно уменьшить повышением электрического сопротивления материала преобразователя, изготовлением его из возможно более тонких пластин (целесообразно использовать пластины не толще 0,2 мм).

Электрический расчет преобразователя производится после того, как определены его резонансная частота, размеры, прибли­женное значение механической мощности и, принимая табличное значение его КПД, электрическая мощность.

По установленным значениям Я0 и Нт (см. табл. 4.2) опре­деляется число ампер-витков тока подмагничивания ап0 и воз­буждения апт

ап0 = Я0/1,25; апт = Я/1,25,

где 1Ср — средняя длина пути магнитного потока в отдельной магнитной цепи.

Число витков на каждом стержне равно т = апт/(2 ■/21) у

где / — переменная составляющая тока, которая задается.

Учитывая, что механическая мощность преобразователя пред­варительно определена, и принимая ті9а = 0,5, определяем при­ближенное значение его электрической мощности

^0 = Р/тізл*

Тогда полное активное сопротивление, эквивалентное всем поте­рям в преобразователе, равно

Яэкв == Policy

подмагничивающий постоянный ток /0 в обмотке

/0 = ап0/(2т);

эффективное значение полного тока /п

/„ = У^Ч/о;

магнитное сопротивление отдельной магнитной цепи R» = /ср/(0.5|а95),

где iQ — эффективное значение магнитной проницаемости ма- гнитопровода; 5 — площадь поперечного сечения магнитопро — вода среднего стержня (в случае трехстержневого МСП).

Индуктивность преобразователя при последовательной на­мотке на стержни

L= 1,26 (2m)2NR~1,

где N — число независимых магнитных путей.

При параллельном соединении всех обмоток L = Li/N

L = 1,26

где Lx — индуктивность одной обмотки на крайнем стержне.

Номинальное напряжение на преобразователе U выби­рается исходя из его электрической мощности и требований ГОСТ 9865—76 и 13952—83.

Исходя из полученных значений I, L, R3, получаем

Up = / У (шТв)2 + R.

При условии U Ф i/p необходимо возвратиться к исходным зна­чениям ампер-витков и переменной составляющей тока. Реаль­ность выбора переменной составляющей проверяется условием

Р > UVI cos ф,

где ф = arctg (<*LB/RB).

Если это условие не соблюдается, необходимо увеличить Р или уменьшить /.

При выборе сечения провода обмоток исходят из мощности потерь и условий охлаждения. Для охлаждения преобразователей из никеля и пермендюра, используемых в сварочных машинах, используется, как правило, проточная вода технического назначе­ния.

При условии, что определено сечение провода, его марка (обычно используется БПВЛ), т. е. его полный диаметр, и известно число витков на стержне, рассчитывается заполнение окна пре­образователя. Если оказывается, что окно по своим размерам недостаточно для размещения обмоток, необходимо снова произ­вести перерасчет ампер-витков, т. е. принять большее значение тока,’уменьшить число витков, а может быть, учитывая интен­сивное охлаждение обмоток, взять меньшее сечение провода. При слишком большом окне становится очевидной нерациональ­ность размеров преобразователя (лучше увеличить сечение стерж­ней), т. е. необходимо пересчитать геометрические размеры пре­образователя, его резонансную частоту и элементы электрической цепи.

Практически для изготовления преобразователя используется, например, листовой никель или пермендюр толщиной 0,05— 0,15 мм, которые штампуются в размер, подвергаются термооб­работке и собираются в пакеты по специальной технологии.

В качестве магнитострикционных материалов можно исполь­зовать специально разработанную керамику, обладающую сильно выраженными магнитострикционными свойствами, — ферриты. По своим механическим свойствам и технологии изготовления они близки к пьезокерамике, но не требуют дефицитных исходных материалов. Основным преимуществом ферритов по сравнению с магнитострикционными металлами является отсутствие потерь на токи Фуко. Электрическое сопротивление ферритов в 108— 10“ раз больше, чем в металлах. Ферриты обладают высоким электроакустическим КПД — до 87 %, который сохраняется в ши­роком диапазоне частот. Они не требуют высокого напряжения, не чувствительны к воздействию внешней среды, могут работать даже в агрессивных средах. Технология их изготовления позво­ляет получать необходимые формы преобразователей. Однако ферриты имеют и существенные недостатки. Амплитуда колебаний. и интенсивность излучения у преобразователей, изготовленных из ферритов, ограничиваются нелинейными свойствами и низкой механической прочностью ферритов. Экспериментальные работы

показали, что предельная интенсивность ферритовых преобразова­телей составляет 5—3,5 Вт/см2.

Вместе с тем применение преобразователей из ферритов, осо­бенно в маломощных установках (5—50 Вт), для сварки микро­толщин металлов и полимеров при условии серийного выпуска преобразователей возможно.

Для расчета преобразователей из ферритов используются ве­личины, характеризующие свойства магнитострикционных ма­териалов (см. табл. 4.2). Для оценки КПД излучателя надо знать величину электромеханической связи и потери в материале. Электроакустический КПД ферритов достигает 74 %. Амплитуда колебаний и интенсивность излучения ферритовых преобразова­телей ограничиваются их нелинейными свойствами и механической прочностью.

Экспериментальные исследования показывают, что промыш­ленное использование керамики возможно только при интенсив­ностях 2,5—3 Вт/см2 и амплитуде колебаний до 3 мкм. В мало­мощных установках для УЗС, например до 50 Вт, использование магнитострикционных преобразователей из ферритов вполне оправ­дано.

Преобразование электрических колебаний в механические связано также с использованием пьезоэлектрического эффекта. Установлено, что при растяжении и сжатии некоторых кристаллов (кварца, титаната бария, цирконата свинца и других материалов) на их поверхностях возникают электрические заряды. Внесение пьезоэлектрического кристалла в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением его пьезоэлектрической оси, вызывает растяжение или сжатие кристалла (обратный пьезоэффект). Условие резонанса пьезоэлектрического преобра­зователя определяется уравнением

tg kl = 2/(ВД,

где Dx — приведенная к обкладкам толщина пластины; / — тол­щина пластины. На основной частоте /0 в полуволновом преобра­зователе толщина пластины / = с/(2/), где с — скорость звука в материале преобразователя.

Практически чаще используются преобразователи, состоящие из пластин пьезоэлемента, пьезоэлемента и металла, многослой­ных пластин (рис. 4.6). В многослойном преобразователе размеры отдельных элементов с накладками одинаковой толщины связаны с частотой собственных колебаний соотношением

MlJL — Рісі$і tr 2nfo / с 2 pcS ^ c Ll

где p и Pi — плотность соответственно керамики и накладок; с и сг — скорость распространения звука соответственно в кера­мике и накладках; 5 и 5Х — площадь пластин керамики и на­кладок.

ПЗ

Рис. 4.6. Общий вид пьезоэлементов (а) и конструкция пьезопреобразователей (<Г):

1 — единичная пластина; 2,3 — пластины в сочетании с одно — и двусторонней металли­ческими накладками; 4 — фланцевое крепление; 5 — крепление с центральным болтом

В более сложном варианте многослойного преобразователя с частотопонижающими накладками, толщины которых неоди­наковы, его размеры связаны, как следует из работы [11], урав­нением

Щ = Iщ tg (kl/2) + Wi tg kxl{ [wq tg (kll2) + w2 tg k2l2] sin kl 2 tg (ki/2) + wtg kxl + w2 tg k2l2 9

где l — толщина пьезокерамики; 1г и /2 — толщины излучающей и отражающей накладок; q = S/Sa, 5И — площадь излучающей поверхности керамики; кг и &2 — волновые числа керамики и накладок; до, wl9 до2 — волновые сопротивления пьезокерамики, излучающей и отражающей накладок.

Выражение для определения излучаемой удельной механиче­ской мощности ультразвуковых колебаний четверть — и полувол­нового преобразователя в режиме одностороннего излучения имеет вид

р ^‘^эфф^ЗЗ^Чам

^УД рс/^ ’

где kt — коэффициент (kt = 1 для четвертьволнового И ki = 4 — для полуволнового преобразователя); /УЭфф— электрическое на­пряжение на преобразователе, эффективное; d33 — пьезомодуль по толщине преобразователя; г)ам — механико-акустический КПД преобразователя (г)ам = 0,75-1-0,8); рс — волновое сопротивление среды.

Для многослойного преобразователя 2я24з (Plcl)2

уд Р С l+[Ji/o^PiCi5i/(pc2S)]2’

где Еэ — напряженность электрического поля.

Для изготовления преобразователей применительно к механи­ческим колебательным системам для УЗС используются в настоя­

щее время ЦТС. Пьезокерамика обладает высоким пьезомодулем (табл. 4.3), значительной диэлектрической проницаемостью, сравни­тельно большой механической прочностью, невысоким входным электрическим сопротивлением и относительно небольшой стои­мостью.

Уход собственной частоты пьезоэлемента в диапазоне от О до 50 °С примерно в 10—15 раз меньше, чем у титаната бария и т. д. Титанат бария имеет существенные недостатки: малую тепло­проводность, низкое значение точки Кюри (120 °С, потеря пьезо­эффекта), значительные диэлектрические потери, зависимость физических свойств керамики от температуры. Это вызывает большое изменение собственной частоты преобразователя.

Исходной величиной для расчета пьезоэлектрического преоб­разователя является мощность, которую необходимо ввести в зону сварки. Зная основные свойства (табл. 4.2) и удельную мощность излучения пьезоматериала, находим суммарную площадь излуче­ния S. Эффективное напряжение возбуждения для полуволнового преобразователя

= 24,3£эт|ам }/ГРизл- УДрС-

Амплитуда колебаний пьезоэлемента находится в зависимости от пьезомодуля и приложенного напряжения:

I = с133иэфф/300;

сопротивление потерь в пьезокерамике

Яд = 2/(5/0е tg б);

сопротивление излучения

^изл ~ t/эффДРИЗЛ. УД^)’

Полное активное сопротивление преобразователя при условии параллельного включения Ra и Дизл равно

= Дд^ипл/(^д ^?изл)>

емкостное сопротивление

хв = 1/(2л/0с),

где с — емкость преобразователя.

Полное сопротивление преобразователя

Z = Rxcy R2 + хЬ,

эффективное значение силы тока

■^эфф “ иэфф/г.

Весьма важно определить эффективное переменное напряже­ние U, фф.

Основные физико-механические свойства пьезоэлектрических материалов

Свойства

ЦТС-19

ЦТС-21

ЦТС-22

ЦТС-23

ЦТС-24

ЦТБС-1

Пьезомодули, d-1012 Кл/Н

^31

100

26,6

50,0

100

100

220

^33

200

66,6

100,0

200

200

470

Относительное отклонение частоты в интерва­ле температур, (°С), %:

(-10)-(+50)

0,9

1,2

0,18

(-60) — (+85)

2,174

2,9

0,435

Диэлектрическая проницаемость, Ф/м

1525±325

550±150

800±200

1075±225

1075±225

3200±400

Диэлектрические потери tg 6, не более, %: при Е ^ 25 кВ/м

0,035

0,025

0,025

0,0075

0,0075

0,05

при Е = 300 кВ/м

0,04

0,04

0,2

Удельное объемное электрическое сопротив­

ЫО8

МО9

МО7

МО8

ЫО8

Ы08

ление ро (Ом-м) при (100 ± 5) °С, не менее Электрическая прочность £дР-10-6, В/м, не

3,0

4,0

3,0

3,0

^,0

менее

Температура точки Кюри, °С, не менее

290

400

320

275

270

250

Коэффициент электромеханической связи, не

0,4

0,2

0,2

0,43

0,45

0,5

менее

Модуль Юнга Е, ГПа

55—85

85—95

85—100

65—85

65—85

65—75

Плотность р-10~3, кг/м3

7,0

7,0

7,0

7,4

7,4

7,1

Скорость звука с-10“3, м/с

3,0—3,6

3,5—3,8

3,6—4,0

3,0—3,35

3,0—3,35

3,2

Эффективное значение переменного напряжения на резонанс­ной частоте

£/эфф =

где Rmjl = Spc/(cos2 kl); а — коэффициент, равный примерно уд­военному механико-акустическому КПД преобразователя; <рп = = dS3EQ (SH) — коэффициент преобразования.

Механическое сопротивление преобразователя на резонансной частоте

Ruo = ^изл/(4Цамфп)*

Полное активное сопротивление преобразователя, приведенное к параллельной схеме,

R — ^мо^эп/(^?мо + ^?эп)»

где Rqu = 1/(2я/ ctg б) — сопротивление электрических потерь.

При расчете многослойного преобразователя толщину излуча­ющей накладки целесообразно делать много меньше четверти длины волны 1г < У 4, Где X = c/f0 (с — скорость распростране­ния плоской продольной волны в материале накладки; /0 — ча­стота колебаний при резонансе).