Ультразвуковое устройство для обработки материалов Советский патент 1982 года по МПК B06B1/00 

Изобретение относится к ультразвуковой технике, в частности к устройствам для возбуждения механических колебаний и может быть использовано в различных технологических процессах ультраавуковой обработки материалов, например для ультразвуковой микросварки. Известно устройство, ьключакяцее задакзпий генератор высокой и один или несколько генераторов низкой частоты с подключенными к ним магнитостршсционным. преобразователем, возбуждение кото рого осуществляется высокочастотным электрическим колебанием на его резонансной частоте и низкочастотными электрическими колебаниями IJ. Применение такого устройства повышает стабильность выходных механически параметров колебательной системы. -В этом, устройстве спектр механических колебаний, вводимых в зону обработка материалов, представляет собой дискретный набор с частотами, соответствующими частоте генератора высокой частоты К комбинационным (суммарным и раэкостным) частотам генарторов высокой и низкой частот. Кроме этого, форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) механических колебаний преобразователя и ее неравномфность весьма критичны к,числу источников низкочастотньпс колебаний, величине их электрического нанапряжения и частоты, что наряду с дискретностью спектра создает значительные трудности при получениидостаточно широкополосной АЧХ механических колебаний с минимальной неравнсмерностью и при работе с щ еобразоваталями, имеющими сложную форму собственной АЧХ механических колебаний. Наиболее близким к предлагаетлому устройству является устройство, в котором отдельный источник магнитного . шума - ферромагнетик помещен в изменяющееся магнитное поле намагничивающей обмотки, подключенной к источнику колебаний низкой частоты, и содержит обмотку регистрации, соединенн то со входом фильтра нижней частоты, выход которого через 1Шфокополосный предваритаггьш-чй усилитель подключен к усилителю мощности, нагруженному на обмотку возбуждешш ультразвуковой колебательной системы Г2 , Это устройство нозволяот получить и подать на колебательную систему электрические шумовые колебания в широком диапазоне частот, что уменьшает нестабильность ее выходных параметров. Однако в этом устройстве не удается полностью учесть акустические и физикохимические свойства обрабатываемых (на пример, соединяемых) материалов и обес печить наиболее эффективное протекание процесса обработки, так как в зависимос ти от, стру1стуры материалов оптимальная величина частоты максимального поглоще . ния ультразвуковой энергии различна, Kp ме этого, применение в качестве источни лагнитного шума отдельного ферромагнет с небольшой начальной спектральной плот ностью магнитного шума требует достато но большого коэффициента усиленияустройсгва для получения заданной мощности ш ма на выходе, что уменьшает стабильнос его параметров, В итоге снижается качес во обработки материалов, Целью изобретения является улучше ш качесгва обрабтки материалов за счет повышения стабильности колебаний и введения в зону обработки колебаний широко спектра частот. Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковое устройство для обработ1си материалов введены ограничитель фильтр верхних частот, усилитель-формирователь и сумматор, причем обмотка ре гистрации подключена к входу ограничителя, выход которого нагружен на фильтр нижних и верхшх частот, соединенные с входом усилителя-формирователя и широкополосного предварительного усилителя соогветственно, выходы которых подключены к сумматору, а выход сумматора, соединен с входом усилителя мощности, при этом обмотка регистрации и намагничивающая обмотка расположены на магнитосгршсционном преобразователе, Такое выполне1ше устройства позволяег внести взону обработки материалов широкий спектр частотГ учесть акустические и физико-химические свойства обрабатываемых материалов и обеспе шть наиболее эффективное проте5сание процесса обработки, а также дополнительно повысить стабильность параметров излучате ля за .счет уменьшения требуемого коэффициента усиления устройства для получения заданной мсщностк шума на выходе. Изобретение поясняется чертежом. Устройство содержит источ шк магнитного шума, в качестве которого используется ферромапштный мaг штocтpикциoнный преобразователь I ультразвуковой колебательной системы 2-е размещенной на нем обмоткой 3 регистрации, помещенный в изменявшееся магнитное поле намагничивающей обмотки 4, подключенной к генератору 5 низкой частоты, при этом обмотка 3 подключена к входу ограничителя 6, выход которого нагружен на i фильтры 7 и 8 соответственно нижних и верхних частот, соединенные в свою очередь с входом усилителя-формирователя 9 и широкополосного предварительного усилителя 1О соответственно, а выходы последних подключены к первому и второму входам сумматора 11, соединенного через усилитель 12 мощности с возбунсда- ющей обмоткой 13, а также размещенной на преобразователе I системы 2, Последняя имеет рабочий (например, сварочный) инструмент 14, с помощью которого акустические колебания вводятся в зону офаботки, например на соединяемые материалы 15, Устройствоработает следующим образом. Под действием электрического напряжения генератора 5, подключенного к . обмотке 4, преобразователь 1 системы 2 перемагничивается периодически изменяющимся магнитньпу полем, что приводит к появлению в обмотке 3 флуктуации ЭДС, Эги флуктуации ЭДС обусловлены эффектом Баркгаузена, связанным со скачкообразным смещением доменных границ в ферромагнетике, и необратимостью процесса смещения доменных границ на отдельных циклах перемагничиванйя. Таким образом, в обмотке 3 возникает магнитный шум |со спектральной плотностью мощности, постоянной в определенной полосе частот спектра и спадающей на ее границах, причем спектральная плотность шума и верхняя и нижняя характерные частоты, соответственно выше и ниже которых наблюдается спад кривой спектральной плотности, определяются режимом пероу1агничивания ( частотой и величиной тока в обмотке 4) и магнитными свойствами преобразователя I, Уровень ограничения ограничителя 6 выбирается таким образом, что исходный магнитный шум, поступающий на вход последнего с обмотки 3, проходит на его выход без ограничения по амппитуде-и подается на фильтры 7 и 8, где происходит выделение диапазонов спектра частот магнитного шума в соответственн низкочастотной и высокочастотной областях. Низкочастотный магнитный шум со сформированной в усилителе-формировател 9 {представляющей собой, например, резонансный усилитель) частотной зависимостью спектральной плотности складывается в сумматоре 11с усиленным в усилителе Ю высокочастотным магнитны шумом. Результирующий широкополосный магнитный щум дополнительно усиливается в усилителе 12 и поступает на обмот ку 13 преобразователя 1, в результате чего в последнем возбуждаются механиче кие колебания. ЭДС шума, индуцируемая в обмотке 3, увеличивается и шум ограничивается по амплитуде в ограничителе 6, при этом спектральная плотность мощ ности шума в области низких частот возрастает. Далее, как и раньше, происходит окончательное формирование в усилителеформирователе 9 необходимого распреде- ления спектральной плотности шума в области низких частот, сложение его с усиленным высокочастотным магнитным шумом и усиление шума до заданного уровня в усилителе 12 во всем рабочем диапазоне частот. В установившемся режиме в обмотке 13 возбуждаются высокочастотный шум с равномерной спектральной плотностью в определенной области и низкочастотный шум со сформи- рованной по определенному закону частот ной зависимостью спектральной плотносги В системе.2 имеет место эффект нели- нейного смешивания низкочастотного и высокочастотного спектров с образованием комбинационных (суммарных и разностных) частот для каждой из составляющих спектров. В итоге формируется широкополосная АЧХ механических колебаний излучателя, причем непрерывность спектров шумовых колебаний в низкочастотном и высокочастотном диапазонах дает возможность сни зить неравномерность этой характернстаЕк в рабочей области до минимальной величины и полностью избежать образования горбов и впадин в ней. Для получения максимального расщирейия полосы пропускания АЧХ механических колебаний излучателя при ее минимальной неравномерности спектральная плотность мощности шума в области низких частот.должна изменяться по определенному закону, зависяшо 1у от формы АЧХ механических колебаний исходной колебательной системы 2, но во всех случаях увеличивается с ростом частоты. Такое распределение спектральной плотности происходит за счет нарастающего характера в области низких частот магнитного шума преобразователя 1, ограничения спектра по амплитуде в ограничителе 6, окончательного формирования в усилителе-формирователе 9 и выбора режима возбуждения обмотки 4 величин тока и частоты) генератором 5 и легко регулируется их изменениетл. Величина необходимой спектральной плотности Шума в области высоких частот устанавливается выбором уровня ограничения ограничителя 6 и коэффициентов усиления усилителей Ю и 12. Спектральная мощность магнитного шума ферромагнетика увеличивается с ростом коэффициента магнитострикиии. Кроме этого, под действием ультразвуковых механических колебаний в ферромагнетике уменьшается значение напряженности магнитного поля (поля старта) при котором начинаются скачки, Баркгаузена, увеличиваются их число в единицу времени и амплитуда. В итоге применение в качестве источника магнитного щума магнитострикционного ферромагнитного преобразователя самой колебательной системы, совершающего ультразвуковые колебания, повышает исходную ЭДС магнитного щума, индуцируемую в обмотке регистрации. Таким обарзом, предлагаемое устройство обладает широкополосной АЧХ механических колебаний с минимальной иеравномерностью в рабочем диапазоне как в области резонансных частот, так и всех IX гармоник, позволяет ввести в область обработки мат иалов механические колебания широкого (шумового) спектра часгот и тем самым учесть акустические и ф;изико-химичесие свойства обрабатываемых материалов, обеспечивая наиболее эффективное протекание гфоцесса обработки, а также меньщить требуемый коэффициент, усиления излучателя для получения заданной мощности на выходе и повысить ет-о стабильность. В результате досгигае с я повышение качества обработки материалов. Фор,мула изобретения Ульграавуковое устройство для обработки материалов, содержащее магнитострикционный преобразователь с воабуж-.

даюшей обмоткой, обмогку р гистрации, намагничивающую обмогку, фильгр нижних частот, широкополосный усилитель, генератор низкой частоты и усилитель мощности, отличающееся ген, что с целью улучшения качества обработки за счет повышения стабильности колебаний, в него введены ограничитель, фильтр верхних частот, усилитель-формирователь и суг«матор, причем обмотка регистрации подключена к )iy ограничителя, выход которого нагружен на фильтры 1шжних к верхних частот, соединен, ные с входом усилителя-формирователя

и широкополосного предварительного усилителя соответственно, выходы которых подключены к сумматору, а выход сумматора соединен с входом усилителя мсяцности, при этом обмотка регисграции и намагничивающая обмотка расположены на магнитострикционном преобразователе.

Источники информации, принявые во внимание при экспертгазе

1.Автррское свидетельство СССР

№ 763ОО4, кл. eoeev t/oo, 1930.

2.Авторское свидетельство СССР М 733741, кл. 6 ОеВ 1/00, 198О (прототип).