Ультразвуковое устройство для обработки материалов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >971507

Союз Советсник

Социапистичесиик .Республик (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву

{51)М. Кл.

В 068 1/00 (22) Заявлено 08.05.83. (2 I ) 3284332/18-10 с присоединением заянки М

Гоо7Аарстеенный комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 07 11 82. Бюллетень № 41 во делам нзооретеиий и открытий (53) УДК 534. . 23 2(088.8) Дата опубликования описания 07,11.82 (72) Авторы изобретения

В. М. Колешко, А. B. Гулай и Ю. В. Мешков

Институт электроники AH Белорусской ССР (7l ) Заявитель (54} УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

1

Изобретение относится к ультразвуковой технике, в частности к устройствам для возбуждения механических колебаний, и может быть использовано в различных технологических процессах уль тразвуковой обработки материалов, например для ультразвуковой микросварки.

Известно устройство, включающее задающий генератор высокой и один или несколько генераторов низкой частоты с подключенными к ним магнитострикционньтм. преобразователем, возбуждение которого осуществляется высокочастотным электрическим колебанием на его резонансной частоте и низкочастотными электрическими колебаниями (1 3.

Применение такого устройства повышает стабильность выходных механических параметров колебательной системы. В этом устройстве спектр механических колебаний, вводимых в зону обработки материалов, представляет собой дискретный набор. с частотами, соответствующими частоте генератора высокой частоты

2 н комбинационным (суммарным и разностным} частотам генарторов высокой и низкой частот. Кроме этого, форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) механических колебаний преобразователя и ее неравномерность весьма критичны к,числу источников низкочастотных колебаний, величине их электрического нанапряжения и частоты, что наряду с дискретностью спектра создает значительные трудности при получении достаточно широкополосной АЧХ механических колебаний с минимальной неравномерностью и при работе с преобразователями, имеющими сложную форму собственной АЧХ механических колебаний.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, в котором отдельный источник магнитного . шума — ферромагнетнк помещен в изменяющееся магнитное поле намагничиваюшей обмотки, подключенной к источнику колебаний низкой частоты, и содержит обмотку регистрации, соеди3 9715 ненную со входом фильтра нижней частоты, выход которого через широкополосный предварительный усилитель подключен к усилителю мошности, нагруженному на обмотку возбужде шч ультразвуковой колебательной системы 2 ), Это устройство позволяет попучить и подать на колебательную систему электрические шумовые колебания в широком диапазоне частот, что уменьшает цеста- 10 бильность ее выходных параметров, Однако в этом устройстве не удается полностью учесть акустические и физикохимические свойства обрабатываемых (например, соединяемых) материалов и обес- 15 печнть наиболее эффективное протекание процесса обработки, так как B зависимости от. структуры материалов оптимальная величина частоты максимального поглощения ультразвуковой энергии различна. Кро-щ ме этого, применение в качестве источника магнитного шума отдельного ферромагнетика с небольшой начальной спектральной плотностью магнитного шума требует достаточ- но большого коэффициента усиления устрой- . g5 ства для получения заданной мощности шуя ма на выходе, что уменьшает стабильность его параметров. В итоге снижается качество обработки материалов.

Целью изобретения является улучшение зо качества обрабтки материалов за счет повышения стабильности колебаний и введения в зону обработки колебаний широкого спектра частот.

Поставленная цель достигается тем, 35 что в ультразвуковое устройство для обработки материалов введены ограничитель, фильтр верхних частот, усилитель-формирователь и сумматор, причем обмотка регистрации подключена к входу ограничило теля, выход которого нагружен на фильтры нижних и верхних частот, соединенные с входом усилителя-формирователя и широкополосного предварительного усилителя соответственно, выходы которых подключены к сумматору, а выход сумматора

45 соединен с входом усилителя мощности, при этом обмотка регистрации и намагничивающая обмотка расположены на магнитострикцио ином преобразова теле.

Такое выполнение устройства позволя- 50 ет внести в зону обработки материалов цшрокий спектр частот, учесть акусти- а ческие и физико-химические свойства обрабатываемых материалов и обеспечить наиболее эффективное протекание процесса обработки, а также дополнительно повысить стайитьность параметров излучателя эа.счет уменьшения требуемого коэф07 ф фициента усиления устройства для получения заданной мощности шума на выходе, Изобретение поясняется чертежом.

Устройство содержит источник магнитного шума, в качестве которого испольэу- ется ферромагнитный магнитострикционный преобразователь 1 ультразвуковой колебательной системы 2 с размещенной на нем обмоткой 3 регистрации, помещенный в изменяющееся магнитное поле намагничиваюшей обмотки 4, подключенной к генератору 5 низкой частоты, при этом обмотка 3 подключена к входу ограничителя 6, выход которого нагружен на 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 1 1, соединенного через усилитель 12 мощности с возбужда,ющей обмоткой 13, а также размещенной на преобразователе 1 системы 2. Последняя имеет рабочий (например, сварочный) инструмент 14, с помощью которого акустические колебания вводятся в зону обработки, например на соединяемые материалы 15.

Устройство работает следующим образом.

Под действием электрического напряжения генератора 5, подключенного к обмотке 4, преобразователь 1 системы 2 перемагничивается периодически изменяющимся магнитным полем, что приводит к появлению в обмотке 3 флуктуации ЭДС, Эти флуктуации ЭДС обусловлены эффектом

Баркгауэена, связанным со скачкообразным смещением доменных границ в ферромагнетике, и необратимостью процесса смещения доменных границ на отдельных циклах перемагничивания. Таким образом, в обмотке 3 возникает магнитный шум со спектральной плотностью мощности,, постоянной в определенной полосе частот спектра и спадаюшей 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 перемагничивания (частотой и величиной тока в обмотке 4) и магнитными свойствами преобразователя 1. Уровень ограничения ограничителя 6 выбирается таким образом, что исходный магнитный шум, поступающий на вход последнего с обмотки 3, проходит

5 9715 на его выход без ограничения по ампли-, туде и подается на фильтры 7 и 8, где происходит выделение диапазонов спектра частот магнитного шума в соответственно низкочастотной и высокочастотной облас- S тях. Низкочастотный магнитный шум со сформированной в усилителе-формирователе

9 (представляющей собой, например, резонансный усилитель) частотной зависимостью спектральной плотности складывается в сумматоре 11 с усиленным в усилителе 10 высокочастотным магнитным шумом. Результирующий широкополосный магнитный шум дополнительно усиливается в усилителе 12 и поступает на обмот- S ку 13 преобразователя 1, в результате чего в последнем возбуждаются механические колебания. ЭДС шума, индуцируемая в обмотке 3, увеличивается и шум ограничивается по амплитуде в ограничителе 20

6, при этом спектральная плотность мощности 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 36 диапазоне частот. B установившемся режиме в обмотке 13 возбуждаются высокочастотный шум с равномерной спектральной плотностью в определенной области и низкочастотный шум со сформированной IIo определенному закону частот- ной зависимостью спектральной плотности.

В системе. 2 имеет место эффект нели- я 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 высокочас тотном диапазонах дает воэможность снизить неравномерность этой характеристики в рабочей области до минимальной величины и полностью избежать образования горбов и впадин в ней.

Для получения максимального расширения полосы пропускания АЧХ механических колебаний излучателя при ее миSS нимальной неравномерности спектральная плотность мощности шума в области низких частот должна изменяться по опре» деленному закону, зависящему от формы

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для обработки материалов, содержащее магнитострикционный преобразователь с возбуж-.

07 6

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 l, 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 изменением.

Величина необходимой спектральной плотности шума в области высоких частот устанавливается выбором уровня ограничения ограничителя 6 и коэффициентов усиления усилителей 10 и 12, Спектральная мощность магнитного шума ферромагнетика увеличивается с ростом коэффициента магнитострикцни. Кроме этого, под действием ультразвуковых механических колебаний в ферромагнетике умень« шается значение напряженности магнитного поля (поля старта), при котором начийаются скачки, Баркгаузена, увелИчиваются их число в единицу времени и амплитуда. В итоге применение в качестве источника магнитного шума магнитострикционного ферромагнитного преобразователя самой колебательной системы, совершающего ультразвуковые колебания, повышает исходную ЭДС магнитного шума, индуцируемую в обмотке регистрации.

Таким обарзом, предлагаемое устройство обладает широкополосной АЧХ механических колебаний с минимальной нерав- номерностью в рабочем диапазоне как в области резонансных частот, так и всех хх гармоник, позволяет ввести в область обработки материалов механические колебания широкого (шумового) спектра часгот и тем самым учесть акустические и физико-химичесие свойства обрабатываемых материалов, обеспечивая наиболее эффективное протекание процесса обработки, а также уменьшить требуемый коэффициент усиления излучателя для получения заданной M08lHQGTH на выходе и повысить его стабильность. B результате достигаем-. ся повышение качества обработки материа7 971507 8 дающей обмоткой, обмотку регистрации, и широкополосного предварительного усинамагничивакипую обмотку, фильтр ниж- лителя соответственно, выходы которых них частот, широкополосный усилитель, подключены к сумматору, а выход сумгенератор низкой частоты и усилитель матора соединен с входом усилителя мощмощности, о т л и ч а ю щ е е с я тем, s носж, при этом обмотка регистрации и что с целью улучшения качества обработ- намагничивающая обмотка расположены ки за счет повышения стабильности ко- на магнитострикционном преобразоватэле лебаний, в него введены ограничитель, . Источники информации, фильтр верхних частот, усилитель-форми- приняаые во внимание при экспертизе рователь и сумматор, причем обмотка 10 1. Аварское свидетельство СССР. регистрации подключена к входу ограни- % 763004, кл, 6 065 l/00, 1980, чителя, выход которого нагружен на фи- 2. Авторское свидетельство ССС .Р льтры нижних и верхних частот, соединен- % 733741., кл. 9 066 1/00, 1980 ные с входом усилителя-формирователя (прототип).

Составитель В. Кудрявцев

Редактор 3. Бородкина Техред Л.Пекарь > (, Корректор Н. урии

Н Б як

Заказ 8802/20 Тираж 495 Подписное

ВНИИПИ Государственног комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 2К-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4