专利名称：用于超声波冲击处理的振荡系统和工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于超声波沖击处理(UIT)金属和合金以便加强金属 和合金并且从金属和合金移除应变的工具、i殳备和方法。工具和设备包 括具有用于处理机器和机构的构造、构造单元和部件的磁致伸缩换能器 和冲击压头的振荡系统。本发明提供受工作表面上的静态的、动态的和 /或沖击负载的同时的作用影响的磁致伸缩换能器、振荡系统和它们的部 件的高可靠性，本发明还提供在小规模、全规模和大规模生产的条件下 的其特性的高稳定性和可互换性。
背景技术：
1972年7月4日的苏联发明人证书No. 472782中描述了基于磁致 伸缩换能器的用于超声波沖击处理的第一工具。事实上，此工具已经超 过30年未改变了。今天，由于新的金属和合金的出现以及其它原因， 对于超声波工具的稳定性、技术有效性和可靠性的需求已经显著增加。
用于超声波冲击处理的基本的手工工具具有以下基本的部件具有 当结合时组成振荡系统(OS)的振荡速度的集中器、波导和压头的磁致 伸缩换能器；具有可泵送的冷却液体(水，冷却剂)的换能器壳体；锁 紧螺母，销保持件，弹簧联接器和具有把手的主体。磁致伸缩和压电陶 瓷超声波换能器都已经众所周知超过50年。全部两种类型的换能器的 形状已经许多年没有过大的改变了。传统地，换能器为由具有夹板减小 频率的压电有效的材料制造的一个或多个杆或诸如振荡速度的转换器 的谐振波导。当前在加强超声波技术的市场上，大功率的工具在处理诸 如铸铁、不锈钢、高强度钢和铝、钛、铜的合金等的材料期间具有短的 故障时间。
14磁致伸缩换能器在超声波冲击处理期间在脉冲冲击负载下使用。在 此过程期间，换能器的有效的部件遭受制造它们的材料的限制机械应 力。磁致伸缩换能器的已知的制造技术不允许振荡系统的幅度-频率和能 量特性的一致性。主要的振荡系统制造步骤为芯部制造和组装、集中器 制造、芯部退火、铜焊、和浸渍。
今天，世界上，大功率的特定用途的磁致伸缩换能器的制造是定制 并且小规模的。换能器制造技术导致达到基于那些换能器的振荡系统的 参数的30%的分散。这使得不可能在对于装备的主要的性能标准为特性 的稳定性和可重复性、振荡系统可靠性和其与电流标准的符合并且从而 其可互换性的连续的制造条件下使用这样的换能器。
压电陶资换能器广泛地用于通常在液体环境内执行的在诸如超声 波清洗、浸渍等的程序中的恒定负载下的处理。已知压电陶瓷不能承受 大的冲击效应。今天，试图使用压电陶瓷用于在达到500瓦(W)的低
功率与达到50N的静态工具压力的超声波冲击处理，诸如在美国专利 No. 6,467,321中披露的。然而，这些工具仅能够用于特定的目的，用于 处理具有低强度的材料，并且因此，这些工具不能够广泛地用于工件硬 化。基于压电陶瓷的振荡系统不能确保足够高的功率水平和对处理大多 数已知的结构材料所需要的冲击和动态负载的抵抗力。
发明内容
本发明涉及用于超声波冲击处理(UIT)金属和合金以便加强金属 和合金并且从金属和合金移除应变的工具、设备和方法。工具和设备包 括超声波振荡系统的磁致伸缩换能器。工具设计为用于超声波冲击处理 机器和机构的构造、构造单元和部件。本发明提供受工作表面上的静态 的、动态的和冲击负载的同时的作用影响的磁致伸缩换能器、振荡系统 和它们的部件、工具和零件的高可靠性，本发明还提供在小规模、全规 模和大规模生产的条件下的其特性的高稳定性和可互换性。
使用磁致伸缩换能器的UIT工具制造设置与在最近的工业和生产 中延伸工具应用领域有关的新的任务。这些任务包括
-根据换能器功率的最大使用和换能器重量和尺度的最小化标准的 磁致伸缩换能器效率；
-对于在当工具遭受大的动态的和静态的力时的冲击条件下的特定的振荡模式的振荡系统稳定性；
-确保考虑在工具操作期间通过超声波振荡导致的振动冲击负载和 属于泊松的运动的沿零轴环的可靠的防潮密封；
-确保压头和波导之间的受控的声学的耦合；
-增加在长期的工具操作期间的销保持件的引导孔的寿命；
-增加在长期的负载下的技术波导顶端的寿命；
-使用在工具回弹期间存储的弹性能量的能量储备；及
-在不同的条件下的工具通用性和人体工程学。
本发明还涉及用于生产能够承受在不同的工作条件下以及在连续
运行的制造条件下的长期的操作期间的特定的声学的和机械的负载的
新的UIT工具的工程解决方案。
参考附图
图1示出了根据本发明的工具组件的侧视图2 (a)示出了根据本发明的具有优化的尺度的O形磁致伸缩芯
部；
图2 (b)示出了对于相同频率的不同尺度类型的芯部的磁致伸缩饱
和曲线的图3 (a)示出了圆锥形-圓柱形的换能器的侧视图3 (b)示出了沿线A-A的图3 (a)所示的磁致伸缩芯部的截面
图3 (c)示出了根据本发明的技术波导的侧视图4 (a) -4 (c)示出了当相等的输入位移幅度为26微米时，具有 不同的构造的振荡速度的转换器的比较曲线；
图5 (a) -5 (d)分别示出了关于能量输出的阶梯状的和圓锥形-圓 柱形的集中器的比较特性；
图6 (a)示出了在一定弹性的工件由于冲击振荡时，等于工具质量 的集中质量的沖击的频谱；
图6(b)示出了在一定弹性的工件上的(工具的)集中质量的冲击 的图示；
图6 ( c )示出了悬挂在一定弹性的弹簧上的超声波工具的图的集中图6 ( d )示出了通过悬挂在一定弹性的弹簧上的工具施加的超声波 冲击的图示；图7 (a) -7 (f)示出了具有不同的长度的销压头的比较的结果； 图8 (a) -8 (d)示出了在超声波冲击处理期间的压头压系统； 图9 (a) -9 (b)分别示出了二半径压头的侧一见和前碎见图； 图IO示出了用和不用磁场的芯部退火的统计结果； 图11 (a) -11 (b)示出了用于集中器上的芯部的凹进处孔的两个 形状；图12 (a) -12 (e)示出了波导工作顶端构造； 图13示出了弯曲的技术波导；图14示出了磁致伸缩换能器固定到零轴环处的密封组件；图15示出了线缆密封组件；图16示出了磁致伸缩换能器冷却组件；图17 (a)示出了销固定组件的侧-〖见图；图17 (b)示出了图17 (a)所示的销固定组件的顶视图；图18 (a)和18 (b)示出了处于铜焊的区域内的磁致伸缩芯部的板规则地位移的换能器的局部剖面图；图19 (a)和19 (b)示出了磁致伸缩换能器的振荡速度的集中器的局部剖面图，其中，集中器具有在铜焊的区域内的圆形的凹进处； 图20示出了磁场内的磁致伸缩换能器的铜焊过程的图示； 图21示出了用于磁致伸缩换能器组装和铜焊的组装架； 图22示出了沿线22-22的图21所示的石兹致伸缩芯部的顶 一见截面图； 图23示出了通过优化主要在波导的低幅度部分增加的波导的质量增加机械位移的幅度的圆锥形-圓柱形波导-振荡速度的转换器。此设计允许在对于正在被处理的材料关键并且根据工件的任务和特性选择的 动态的和准静态的力下的稳定的振荡；图24示出了设计为在以特定的振荡速度处理定位在难以到达的和 远程的区域内的表面期间将超声波振荡从换能器传输到技术波导的延 伸谐振波导；图25示出了用于处理远程的和/或难以到达的区域内的表面的弯曲 的技术波导；图26示出了通过工具主体内的换能器壳体的超声波振荡系统的独立悬架的细节；图27示出了工具主体内的换能器壳体的独立悬架和调节支撑件的 第二实施例的细节；图28示出了工具主体内的换能器壳体的独立悬架的第三实施例的 细节；图29示出了具有轴向地连接换能器壳体与工具主体的快速改变弹 簧的工具后面的部分的实施例；图30 (a)和30 (b)示出了具有磁致伸缩换能器的空气冷却的超 声波冲击工具的实施例；图31示出了在水和空气环境内操作的换能器的加热速率以及用于 换能器芯部浸渍的高温聚合物的加热速率的图；图32 ( a)示出了具有气蚀保护装置的换能器铜焊的接合处的细节， 其中，换能器集中器具有圆形的凹进处；图32 ( b)示出了具有气蚀保护装置的换能器铜焊的接合处的细节， 其中，换能器集中器具有槽；图33示出了具有气蚀保护装置的磁致伸缩换能器芯部端部的细节；图34 (a)示出了具有可更换的插入物的销保持件的顶视图；及图34 (b)示出了具有可更换的插入物的销保持件的侧视图。
具体实施方式
本发明涉及用于超声波冲击处理金属和合金以便加强金属和合金 并且从金属和合金移除应变的工具、设备和方法。图l示出了本发明的 工具组件。基本的工具30包括至少一个压头31、热弹性的保持器板32、 技术波导33、具有夹具35的销保持件34、销保持件支架36、螺紋环 37、侧面的把手夹具38、零轴环64上方的密封组件39、具有换能器冷 却壳体41的磁致伸缩换能器40、弹簧42、工具主体43、线密封组件 44、衬套45、螺母或夹具螺钉46、 47、前面的把手48、侧面的把手49 和用于软管和线缆的输出组件50。图1中，输出组件50示出了具有冷却液体的软管和换能器40的动 力线缆。输出组件50安装在衬套45上，相对于工具主体43的内部直 径定中心。中空的衬套45可以优选地通过夹具螺钉刚性地固定到换能器壳体41并且与换能器壳体41 一起沿工具30自由地运动。从而，在 超声波冲击处理期间，衬套45与换能器壳体41同步地在工具主体43 内部纵向地运动。输出组件50以优选地对于工具30的才喿作者的人体工 程学的角度在衬套45内4丑曲。衬套45的内部面平滑地进入输出组件50 的内部面。因此，输出组件50内的线缆和软管不遭受来自工具主体43 的任何机械的影响。磁致伸缩换能器40的线输出密封组件44优选地包括具有用于线的 孔的弹性的保持器，其中，衬套为分开的中空的圆锥。分开的中空的圓 锥衬套和螺紋环沿具有钻孔圆锥形孔的螺紋自由地运动。当通过相对于圆锥形衬套的轴线静止上紧时，螺紋环在径向的力的作用下压弹性的保 持器。在实施例中，其中，用作换能器40的冷却系统内的基本的元件的 换能器壳体41也可以用作工具主体。在此情况中，换能器壳体41优选 地相对于工具主体43定中心。工具主体43和换能器壳体41通过弹簧 42连接，以提供工具操作期间的振动-声学的去耦。弹簧的结构的尺度 优选地根据需要的弹簧率预先选择，需要的弹簧率足够控制冲击效率和 参数，使得频率多倍和工具的固有振荡和通过经由作为工具30的部分 的振荡系统产生的^L处理的材料上的超声波冲击初始的^f皮处理的材料 的振荡之间的能量平衡。弹簧42的参数优选地在耦合的线路的系统内的固有振荡能量平衡 的条件下限定"弹簧与附加的长途质量"和"压头的等价弹性与减小 到冲击点的工件的等价质量"。由于选^^弹簧参数的这样的方法，弹簧 4 2上的悬挂的(或压的)长途质量的沖击频率与冲击的作用下的工件的 固有振荡的频率一致。从而，提供存储在耦合的线路的系统内的弹性能 量的最大使用，导致更高的冲击效率，并且伴随其积极的影响，诸如微 硬度增加、工件表面粗糙度减小和引起的残留的压缩应力的深度和水平 的增力口。工具30的前面的4巴手48优选地通过夹具螺钉46、 47固定到工具 主体43。前面的4巴手48优选地具有至少三个自由度并且可以安装在前 面的和侧面的位置。执行超声波冲击处理的操作者可以将前面的把手4 8 安装在任何适合的位置。这是重要的，以提供高质量的处理，并且特别 是使用具有平行地、同轴地或与工具轴线成一角度定位的一个、两个或更多压头31的销保持件34，特别是当在操作期间必需时并排，以将工具30定位在空间中。侧面的4巴手49优选地具有大约二自由度并且优选地通过侧面的把 手夹具38安装在圓柱形的工具主体43上。侧面的把手49使得能够通 过操作者与被处理的表面成需要的角度稳定地保持工具30。下文中更加详细地描述工具组件30。本发明的磁致伸缩换能器40具有优选地为O形的磁致伸缩芯部61 。 图2 (a)中示出了具有优化的尺度的O形的磁致伸缩芯部61。优化技 术基于选择实现最大激励效率的芯部的横向的和纵向的尺度之间的一 定的关系。这在于选择期间以给定的和恒定的操作谐振频率和恒定的芯 部的截面积同时(在选择期间，特别是依靠实验)改变芯部的纵向的和 横向的尺度。图2(b)中示出了对于具有相等的谐振频率的数个芯部， 换能器输入处幅度依赖于电功率。本发明的O形的磁致伸缩芯部61优 选地具有如下尺度比例b/l=2/9; c/h=2/19; c/b=2/5。0形磁致伸缩芯部61具有对于芯部材料的最大限制幅度和在振荡 系统的输出处的质量和振荡位移幅度之间或质量和声学功率之间的最 小关系。通过在等于大约迭层结构宽度和高度为大约2/9,其直角的孔 宽度和高度为大约2/19及直角的孔宽度和迭层结构宽度为大约2/5之间 的比率的值的范围内优化和确定芯部迭层结构的纵向的和横向的尺度 之间的关系，实现在基于2 x 107和更多循环的芯部材料的疲劳极限的0 形磁致伸缩芯部的超声波位移的最大限制幅度。这些关系在技术频率的 全部范围内保持恒定。可允许的尺度的分散优选地为大约5%。当磁致伸缩芯部被安装在直径等于芯部顶端对角线的圆形的凹进 处内的振荡速度的集中器的端部处时，磁致伸缩芯部相对于换能器轴线 定中心，其中，圆形的凹进处与集中器轴线同轴线并且垂直。替代地， 通过将芯部安装在具有容纳芯部顶端的形状的矩形的座内来定中心磁 致伸缩芯部。凹进处或槽的深度为O.lmm并且小于芯部腹板高度。参考图3 (a) -3 (c),换能器40包括集中器，集中器用作振荡速 度的转换器并且具有旋转的主体的形式的特定的形状。集中器的表面包 括具有零轴环64的圆锥形的部分65、沟槽过渡半径66和圓柱形的部分 67。圆锥形的部分65优选地为低幅度的零件并且圆柱形的部分67优选地为高幅度的零件。圆柱形的部分67的长度为从来自换能器40的谐振 频率波长的大约1/8到1/5。沟槽过渡半径66的中心处于圆柱形的部分 67和沟槽过渡半径66之间的联接的切割平面内。联接半径为从来自圆 柱形的部分67长度的大约1/2到1/3。与集中器轴线共轴线并且垂直的 集中器背部侧上的凹进处孔63制造为用于磁致伸缩芯部安装。铜焊的 芯部-集中器接合处优选地在那里形成。工作顶端上的孔68优选地形成 为用于快速更换不同构造的技术波导33。在优选的实施例中，销保持件 34 (没有示出)优选地通过夹具35直接固定在经由振荡速度的转换器 (集中器)的零轴环连接到换能器40的支架36内。高幅度的圆柱形的 部分67具有平面以当安装技术波导33时用扳手固定换能器40。在处理 高强度钢和合金期间的机械位移的高幅度需要加强波导33的工作顶端 70。石兹致伸缩芯部61具有厚度为大约0.2-0.25mm的迭层结构，并且具 有斜面的夹具板62优选地由厚度优选地为大约2mm的钛合金制造。迭 层结构优选地由优选地包含49%的铁、49%的钴和2%的钒并且以需要 的厚度的带或板的形式供应的软磁磁致伸缩Fe-Co合金制造。切断迭层 结构，使得较长的侧沿滚动方向。磁致伸缩芯部61将芯部绕组内的电 磁振荡转换为沿芯部61的机械振荡。当组装磁致伸缩换能器40时，使 用夹具板62并且防止使用中的绕组线的密封的故障。通过螺紋环确保在沖击的作用下的换能器壳体41内的磁致伸缩换 能器40的可靠的固定，螺紋环具有七个或更多螺紋，具有在距螺紋环 的顶端等于l到2个螺紋节距的距离处的具有一个螺紋节距或更大的宽 度的径向的槽，和在径向的槽的侧上的顶端上的内部的圆锥形的凹槽。 通过在凹槽的侧上搁靠螺紋环提供固定，由此当通过具有七个或更多螺 紋的锁定螺母进行锁定时，产生附加的弹性。在本发明的磁致伸缩换能器40中，"重现性"需求一方面适用于 换能器特性并且另一方面适用于被处理的表面材料的特性。需要具有重 现性的换能器特性包括谐振频率、Q因数、在谐振频率的振荡幅度、 无负载和有负载的条件下的上述特性、以及振荡速度转换系数和可变负 载下的振荡系统的上述特性的稳定性。需要具有重现性的被处理的表面 材料的特性包括残留应力、微硬度、其分布的性质和深度、表面粗糙 度、沖击强度、耐磨能力和通过UIT处理的区域内的材料的其它物理-机械性质。圆锥形-圓柱形的集中器，即，振荡速度的转换器(集中器)， 优选地具有两种形式，该两种形式提供其原型的最佳的质量阶梯状的集中器和圆锥形的集中器。图4 (a) -4 (c)示出了沿振荡速度的转换器(集中器)的机械位移幅度的分布和周期的机械应力分布的图。更特别地，图4 (a)示出了阶梯状的振荡速度的转换器内的机械位移幅度和 机械应力的分布。图4 (b)示出了圆锥形的振荡速度的转换器内的机械 位移幅度和机械应力的分布。图4 (c)示出了圆锥形-圆柱形的振荡速 度的转换器内的机械位移幅度和机械应力的分布。如图4 (c)所示的圆 锥形-圆柱形的集中器具有接下来的好处-与如图4 (a)所示的阶梯状的集中器比较_零轴环64相对于最大机械应力位移，由此增加强度，减小导致其 损失的减小的换能器固定的区域内的泊松位移的影响，并且沿零轴环的 换能器故障是不可能的。振荡系统操作更加稳定。-集中器构造不具有沿轴线的突然的过渡；在多于50微米的幅度， 纵向的振荡的不可控的故障和其转换到工作端部的横向的振荡不会发 生。_与如图4 (b)所示的圆锥形的集中器比较-机械位移的幅度增加。圆锥形的集中器具有与具有1.8的转换因 数的圆锥形的集中器相反的2.6的转换因数。具有圓锥形-圆柱形的集中器的换能器具有比阶梯状的集中器更高 的能量输出。图5 (a) -5 (d)内的图示出了幅度-频率特性的测量的统 计结果。特定地，图5 (a)示出了对于如图5 (b)所示的阶梯状的集 中器的幅度机械位移和频率的有效功率，而图5 (c)示出了对于如图5 (d)所示的圓锥形-圆柱形的集中器(CCC)的幅度机械位移和频率的 有效功率。从而，其幅度在无负载下较低并且在沖击期间较高，并且因 此，处理效率更高。图6 (a) -6 (d)示出了通过冲击激活的振荡系统的基本的部件的频率特性。更特别地，图6 (b)示出了在沖击期间的具有弹性ksurf的工件。具有弹性ksurf的工件部分具有减小到沖击区的平均局部质量msurf。 来自k,f和msurf之间的关系的平方根表征系统内的第一振荡模式。图6 (a)中示出了工件的频语，其中，第二、第三和接下来的振荡模式能 够用第一模式除尽。图6 (d)示出了具有弹簧弹性k^的超声波工具。超声波工具具有 有效质量mt。。i。来自kspr和mt。。i之间的关系的平方根也表征系统"工具 -弹簧"的第一振荡才莫式。图6 (C)的图中示出了此系统的频谱，其中， 第二、第三和接下来的振荡模式能够用第一模式除尽。因此，弹簧参数规定为满足以下等式其中，N,f和Nt。。!分别为被处理的表面和工具的振荡模式的序号。图7(a)-7(f)示出了确定为提供处理的最大效率的本发明的压头 31长度。范围1为来自被处理的表面下面的压电迭层结构的信号，并且 范围2为来自接触传感器的信号。"范围1"信号的水平和持续时间与 引入工件的塑性变形直接成比例。"范围2"信号确证冲击影响。通过 以每时间单位凹入尺度表达的表面塑性变形评价处理的效率。图(图7 (a)-7(e))和表格(图7(f))中给出的数据示出了通过具有不小 于来自作为工具的部分的换能器的谐振频率下的波长的1/12并且不大 于其1/4的长度的压头31实现的最大的处理效率。图8 (a)示出了到波导33的压头31的压系统。波导33具有在机 械位移的最小幅度的区域内的零轴环64a,零轴环64a为用于弹簧42a 的停止器。谐振半波支架80通过搁靠在零轴环64a和用作支架80的内 部止推凸缘的具有锁定螺母90的内部的环螺母88上的弹簧42a将压头 31压靠在波导33的顶端上。支架谐振尺度提供与波导33同步的可能的 振荡。压头31压在波导33和谐振支架80之间，并且根据明确的过程 任务可以为不同的形状，包括但不限于，球形31，、圆锥形31"或杆形 31，"，如分别在图8 (b) -8 (d)中示出的。压头31到波导33的上紧 水平通过螺母88和锁定螺母90确保。压的程度确定等价质量值以及冲 击值和持续时间。这样的系统提供压头31和波导33之间的受控的声学 耦合，并且能够在没有远离伴随回弹的超声波沖击处理的从其的工具回 弹的情况下通过表面的超声波处理提供接触。更特别地，压头31优选 地包括至少一个圓柱形、圆锥形或球形的压头，其提供为可能沿振荡速 率集中器的轴线自由运动并且用振荡系统频率的谐振支架接附到集中器的输出顶端并且通过在用锁定螺母固定时被螺母的受控的力压的弹 簧接附到集中器的零轴环。螺母和锁定螺母优选地在谐振支架的位移的 波腹内配合到谐振支架的内部螺紋上。本发明的压头31具有改进的形状。压头31的工作顶端优选地为楔形并且具有两个半径，优选地具有较小的半径R1和4支大的半径R2。如 图9 (a)和9 (b)所示，半径R2可以优选地从10mm和更大变化，提 供在处理期间需要的粗糙度。粗糙度优选地为100微米和更小。半径 Rl可以优选地从0.5mm和更大变化，提供凹槽和母体金属之间的界面 的需要的质量。较小的半径R1还提供特定的界面半径的凹槽。此压头 形状允许有效地超声波处理具有特定的表面粗糙度、微硬度、和引起的 压缩应力的幅度和深度的热影响区上的凹槽。压头31优选地实现超声 波沖击初始的残余应力的水平和分布，其足够用于补偿产生在通过应力的作^ 。局部的和复现冲击接触的区域内二高能l密度^销保持件内的 销的数量的增加不干扰振荡系统操作的稳定性，诸如当使用单半径压头时。磁致伸缩芯部61的磁致伸缩系数和电声特性的稳定性的增加通过 将其在真空、惰性气体或它们的结合中用磁场并且在适合在全部两个方 向经过居里点的温度退火实现，该磁场在与芯部的长的侧垂直的迭层结 构平面影响，并且磁力适用于限制磁畴沿磁致伸缩芯部极化。优选的磁 力为大约1000A/m。退火程序包括在氩气或真空环境内加热到850摄氏 度，残留压力不超过l(T3Pa;浸泡5小时；并且以100摄氏度每小时的 速率冷却到400摄氏度。磁场优选地在冷却开始前大约1小时施加。磁 感应向量优选地定向为垂直于芯部迭层结构长度并且平行于芯部迭层 结构平面。图10示出了测量用和不用磁场退火的芯部的磁致伸缩系数 的平均统计结果。由于用磁场退火，磁致伸缩系数从平均统计值的位移 减小到大约5%。比较地，不用磁场退火的传统的技术造成来自不同批 的芯部的磁致伸缩参数分散达到15%。换能器的磁致伸缩芯部在达到l(T4Pa的真空内通过以17摄氏度每 分钟的速率短期加热和冷却铜焊到集中器(振荡速度的转换器)，使用 厚度为大约O.lmm的含银的或任何其它带铜焊合金和用作焊剂的精细 地散布的钛粉，导致通过铜焊合金湿润铁钴磁性合金到大约O.lmm的高24度并且小于腹板高度，铜焊后的批内的工作过程和振荡系统的分散为 5%和更少。铜焊过程优选地通过导致可能的铜焊合金向上渗透迭层结构 大的高度的长时间加热和浸泡实现。因此，铜焊合金渗透的高度可以变 化。此情况有害地影响芯部的电声特性。此外，长时间的加热增加芯部 磁致伸缩参数的分散并且减小磁致伸缩系数。远离上面参考的特征，本 发明的特点在于短期加热，短期加热与钛粉一起使得可能标准化铜焊合 金渗透的高度。精确地确定的铜焊时间使得可能标准化铜焊材料渗透或 其接合处的高度并且更重要地最小化芯部磁致伸缩特性的分散。用于将磁致伸缩芯部61安装到集中器端部上的凹进处孔92的形状 可以变化。将芯部61定位在凹进处孔92内消除铜焊后的加工，凹进处 孔92形成为沿直径等于芯部对角线的凹槽的形式，或形成为芯部顶端 的形式的芯部座，如图11 (a)和11 (b)所示。图12 (a) -12 (e)示出了波导33工作顶端的不同的构造，包括但 不限于，诸如用于正常的表面处理的直的顶端(图12 (a));诸如用 于以在焊接的金属片之间的小角度处理热影响的凹槽的短的侧上的斜 的顶端(图12 (b));诸如用于处理内部的直角的长的侧上的斜的顶 端(图12 (c));诸如用于处理右面的内部的锐角的左方向的长的和 短的侧上的斜的顶端(图12 (d));和诸如用于处理左面的内部的锐 角的右方向的长的和短的侧上的斜的顶端(图12 (e))。具有不同的 构造的技术波导33提供工作顶端的机械位移的相同的幅度。波导工作 顶端对冲击下的故障的抵抗力的增加优选地通过用氧化的钛来氩弧表 面硬化到大约2mm到6mm的高度并且随后强化其实现。在另一个实施例中，本发明的波导33可以为曲线的。图13示出了 用于处理难以到达的区域和狭窄的场所的曲线的波导33'。曲线的波导 33，优选地具有在垂直于形成波导主体的分布的质量的中心的区段内的 相等的相位的表面的旋转。此旋转优选地为30度或更小。曲线的波导 33，包括低幅度的零件101和高幅度的零件102、 103。曲线的波导33， 的这些零件可以具有在轴向的截面内的任何形状。低幅度的零件101优 选地为直线的并且经由高幅度的零件102平滑地通过优选地曲线的高幅 度的零件103。高幅度的零件103优选地具有沿波导轴线的长度，使得 通过其的轴线和限制它的半径R，形成的圆的扇形的角度优选地不超过 30度。特定地，在任何特定的方向的波导斜的顶端上的超声波位移的均一的分布以达到30度的负角度实现。在此实施例中，超声波振荡沿波 导轴线以对横向的振荡初始的高阻力传播。参考图14，键110优选地焊接或牢固地固定在换能器壳体41的键 槽内。还在图1和3 (a)中示出的换能器40的零轴环64具有用于键 110的槽。此槽也形成在支架36上。从而，振荡系统安全地相对于换能 器壳体41定向，并且在工具操作期间防止振荡系统在换能器壳体41内 的自发的转动。通过使用安装在换能器壳体41内的特殊的锁定螺钉139 或通过使用以人体工程学地设置的角度安装的输出组件50，例如，通过 将输出组件50螺紋连接到刚性地接附到换能器壳体41的衬套45内， 防止换能器壳体41的转动和限制其相对于工具主体的轴向运动。从而， 在特定的情况中，相对于工具主体43,换能器和振荡系统总体的角度固 定的位置通过沿换能器40的零轴环64的换能器壳体41内的导键110 并且通过锁定螺钉139和/或输出组件50实现。此工程解决方案通过在 处理伸长的和展开的表面期间使用多组压头31保证工具30的稳定的操 作。图14还示出了在零轴环64上方的密封组件39。密封组件39包括 橡胶或弹性体的环114和包括在组装条件中相对于其间的轴向的平面反 射对称的两个半环的拼合环116。分开的锁定垫圏115保持组装的半环 并且相对于换能器40的低幅度的部分自由地运动。在压之前，橡胶或 弹性体的环114自由地布置在零轴环和拼合环116之间的座内，没有任 何紧度或初始变形。这确保(1 )橡胶或弹性体的环114的自由的安装，(2) 当被压时橡胶或弹性体的环114的自由地、均一地分布的变形，(3) 通过压可靠地填充间隙，及(4)在移除其时，在释放压后，在未 施加力和没有一象;咬环114的变形的情况下自由地拆卸，例如，如果必要 的话，用于工具的预防性的维护或维修。橡胶或弹性体的环114的截面 积优选地等于通过拼合环116和零轴环(凸缘)64形成的座的截面积。 橡胶或弹性体的环114优选地悬突拼合环116的边缘大约l-2mm或更 小。因此，将橡胶或弹性体的环114紧(但不过度变形)压到磁致伸缩 换能器40的振荡速度的集中器的零轴环64使得橡胶环114的变形最小 并且均匀地填充可以泄露的全部间隙。这是此关4建的接合处如何可靠地 密封。图14还示出了具有在工具上的超声波振荡、沖击和振荡的作用下高度可靠的停止的螺紋接合处。主螺母113具有形成在主螺母113的主体内的弹性的环内的凹槽。弹'l"生的环顶端优选地具有圆锥形的凹进处孔。在上紧主螺母113之后，优选地通过锁定螺母112锁定主螺母113。 锁定螺母112压在主螺母113的圆锥形的顶端上，由此通过其弹性的环 确保主螺母113的停止。图15示出了靠近线输入-输出的换能器壳体41的后面的顶端。换能 器壳体41优选地具有用于线120的孔。孔的上面的部分优选地扩大并 且具有柠在其中的螺母123。螺母123优选地具有轴向的圆锥形的通孔。 螺母123搁靠在保持弹性的保持器121的圆锥形的槽垫圈124上。弹性 的保持器121牢固地固定在圓锥形的槽垫圈124内。在上紧期间，螺母 123压圆锥形的槽垫圏124,圆锥形的槽垫圈124在径向的方向压弹性 的保持器121,由此在不产生用于破坏密封的沿密封的轴线的变形摩擦 力的情况下提供紧的接合处和好的密封。图16示出了磁致伸缩换能器40的冷却组件130。冷却组件130包 括管131、管接头133和弹性的保持器132。管131牢固地固定或铜焊 到管接头133的内部的孔或与管接头整体地制造。通过弹性的保持器 132将管131和优选地为管的形式的管接头133压到换能器壳体41。管 接头133在换能器壳体41内在磁致伸缩芯部和换能器壳体41的内部的 壁之间。保持器132确保管131和换能器壳体41之间的防潮密封。管 131延伸超过磁致伸缩芯部61,但是不搁靠在集中器顶端上。当安装时， 管接头出口 134不在内部延伸超过换能器壳体41的端部。通过管131 到达的冷却液体提供磁致伸缩芯部冷却。更特别地，磁致伸缩换能器40 的冷却组件130包括弹性的密封件，诸如例如弹性的保持器132;入口 管接头133,具有管131在磁致伸缩芯部61和换能器壳体41的内部的 壁之间插入换能器壳体41,其中，管131的长度延伸超过^f兹致伸缩换能 器的磁致伸缩芯部61;和出口管接头134,当安装时，出口管接头134 不在内部延伸超过换能器壳体41的端部。图17 (a) -17 (b)示出了同样在图1中示出的固定在销保持件34 内的压头31的组件。槽136优选地切割通过并且在销保持件34的头内。 具有用于压头31的孔的热弹性的保持器板32优选地安装在槽136内。 孔的直径的范围优选地为比压头31的直径小大约0.5-lmm,并且厚度为 0.8-1.0mm。在优选的实施例中，压头31通过热弹性的保持器板32内的孔的弹性的紧度可靠地安装在引导通道内。特定地，保持器板插入销保
持件34的工作零件内的宽度为大约0.8-1.5mm的坤黄向的槽内，至少一个 压头通过垂直于其平面的槽。
本发明的附加的实施例包括能够优选地用于受限制的空间和/或不 能使用水冷却工具的换能器的场合的UIT工具。优选的实施例包括提供 在临界的动态和准静态的负载下的磁致伸缩芯部和集中器之间的可靠 的结合的用于磁致伸缩芯部的组装和铜焊技术。此技术的独特之处在 于，用于铜焊的组件的质量和一致性，铜焊的接合处的增加的总面积， 和畴的才及化和分别在升高的温度和在冷却之后它们的结构在;兹场内的 稳定性。
工具的优选的实施例提供在临界的动态的和准静态的负载下集中 振荡速度的装置。此条件的"临界条件"通过被处理的区域的空间朝向 和在正在被处理的材料的限制的特性的水平的残留应力的幅度限定。集 中装置同时为打算形成这样的应力的波导。
本发明的另 一 个优选的实施例为用于在难以到达的区域和受限制 的空间内进行超声波处理的工具。工具的此实施例的独特的特征为，在 技术波导的输出处的振荡速度向量可以相对于换能器轴线旋转至少90 度的角度。工具还可以具有悬架以确保来自工具主体上的振动和冲击的 声学的去耦。其独特的特征包括可能补偿通过全部两个方向(沿和垂直 于换能器轴线)内的振荡初始的振动，对以通过以载波频率的超声波换 能器的谐振振荡初始的超声波冲击的频率的同步的激励的更高的敏感 度，以及适合使用条件，简单的组装/拆卸和工具主体的内部构造的人体 工程学位置。
工具的另 一 个实施例具有磁致伸缩换能器的空气冷却。其独特的特 征优选地包括在场条件内使用轴向的风扇；在静态的制造条件内使用压 缩空气(压缩)；和使用耐热的粘合剂浸渍的化合物以电绝缘磁致伸缩 芯部板和改进磁致伸缩芯部的声硬度。
本发明的工具被保护以在铜焊的区域和在^f兹致伸缩芯部端部处防 止气蚀损伤。独特的特征分别包括使用将气蚀区域从对于振荡系统关键 的区域移动的效应，由于边界效应对气蚀的局部抑制和冷却介质的改进 的相对气蚀纟氐抗力。
在一个实施例中，可更换的？I导插入物可以优选地被安装在销保持件内以延长销保持件的寿命，减小当其需要维修时的制造成本，并且促 进长期的领域和静态条件中的工具操作。
在下文中更加详细地描述了本发明的不同的实施例和方面。
图18 (a)和18 (b)示出了具有铜焊的磁致伸缩芯部61的换能器 40。在磁致伸缩芯部61中，规则地交错板160的端部使得其间的位移 的范围/人大约0.05mm到0.5mm,以增加铜焊的接合处内的4妾触面积。 此工程解决方案提供铜焊的接合处的高强度特性和整个换能器的长寿命。
图19(a)和19(b)示出了本发明的磁致伸缩换能器40的集中器， 具有圓形的凹进处92以在铜焊期间保持熔化的铜焊合金的多余的设计 的体积并且在铜焊的接合处内形成焊脚并且防止铜焊合金流到集中器
的侧表面上。
图20示出了磁场内的铜焊的过程。安装在组装架141内的换能器 40在大约820摄氏度到大约850摄氏度的铜焊温度的真空炉140内。为 了稳定换能器特性，获得高磁致伸缩系数和批内的换能器特性的最小分 散，使用在铜焊区域和在磁致伸缩芯部61内产生恒定的磁场的磁系统 142 。本发明的恒定的磁场沿磁致伸缩芯部板的平面并且垂直于磁致伸 缩芯部61的较长的侧定向。磁场的强度足够提供在全部两个方向穿过 居里点的温度以及在根据铁钴磁性合金的条件和成分为大约400摄氏度 的形成芯部材料的畴结构的温度范围内冷却磁致伸缩芯部61期间沿磁 致伸缩芯部61的磁畴的最大极化。在图20中，"N，，表示北，并且"S，， 表示南。
图21和22示出了用于磁致伸缩换能器组装和铜焊的组装架，换能 器40安装在其内。架包括优选地由耐热钢制造的架壳体143,具有座以 定中心换能器集中器的钛环144,和在架壳体143内轴向地自由地运动， 并且在换能器铜焊期间在磁致伸缩芯部61上提供靠着集中器的标准化 的压力的负载145。
在另一个实施例中，本发明的波导33可以为圆锥形-圆柱形。图23 示出了接附到换能器40的圓锥形-圓柱形的技术波导33a。接附到换能 器40的圓锥形-圓柱形的波导33a的端部的直径大于接附到圆锥形-圆柱 形的波导33a的换能器顶端的直径。这样的波导构造使得整个振荡系统 的性能更加稳定，并且增加在振荡系统的输出端部处的机械位移的幅度。从而，特别是在其低幅度部分的圆锥形-圆柱形的波导33a的附加的 质量得到优化，通过限制通过波导使用条件导致的动态的和准静态的力 考虑施加在圆锥形-圆柱形的波导33a上的影响。圓锥形-圓柱形的波导 33a在接附点Al处接附到换能器40。压头31 (没有示出)在动态的接 触点A2处与圓锥形-圆柱形的波导33a工作接触/声学的动态的耦合。图24示出了设计为以特定的振荡速度将超声波振荡从换能器40传 输到技术波导33的延伸谐振波导146。延伸谐振波导146优选地诸如通 过螺钉机构接附到换能器40和波导33。延伸谐振波导146可以具有调 谐振荡系统所需要的任何形状，诸如圓形，和换能器的载波频率的半波 长的倍数的长度。在图24中，延伸谐振波导146的长度为波长X。延伸 谐振波导146能够处理狭窄的空间、难以到达的区域和/或远程的区域内 的任何构造的表面。在另一个实施例中，本发明的波导33可以为弯曲的波导。图25示 出了用于在难以到达的区域、远程的区域和/或狭窄的场所内处理的弯曲 的技术波导33"的示例。弯曲的波导33"由垂直于形成波导主体的分布 的质量的中心的线的区段内的相等的相位的表面区段形成，其中，线因 为设计预先确定或计算。基于实验数据，弯曲的波导33"的旋转角度可 以达到120度。特别地，弯曲的波导33"在垂直于其轴线的方向具有矩 形的截面。当波导工作端部的平面旋转通过达到120度的角度时，实现 弯曲的波导33，，内的静态的应力波的标准化的传播。在此实施例中，弯 曲的波导33，，内的正常的应力波将保持正常的(相对于相等的相位和初 级的应力的平面)高度地稳定的振荡，具有对弯曲的波导33"内的横向 的振荡的发生的高抵抗力。图26示出了工具主体43，内的换能器壳体41的独立的悬架的细节。 换能器40在其中的换能器壳体41优选地通过沿工具主体43，可运动的 枢轴接头安装在工具主体43，内，并且优选地通过在枢轴接头内在换能 器壳体的旋转方向上的片弹簧147与工具主体43，连接，使得包括换能 器40、换能器壳体41、弯曲的波导33"、压头31和被处理的材料的振 荡系统在操作期间以可以与换能器激励脉沖的频率同步的固有频率振 荡。在操作期间，操作者通过前面的把手48和侧面的把手49保持工具 主体43，，根据要处理的表面的位置，该两个把手可以从两个侧定位。 至少一个压头31垂直地安装到通过偏心夹具157接附到支撑销保持件支架36，的弯曲的销保持件34，的引导孔内的弯曲的波导33"的顶端。图27示出了工具主体43，内的换能器壳体41的独立悬架和调节支 撑件的细节的第二实施例。换能器40在其中的换能器壳体41优选地通 过枢轴接头安装在工具主体43，内并且优选地通过在枢轴接头内在换能 器壳体的旋转的方向上的片弹簧147与工具主体43'连接，使得在操作 期间，包括换能器40、换能器壳体41、弯曲的波导33"、至少一个压 头31和被处理的材料的振荡系统以可以与换能器激励脉冲的频率同步 的固有频率振荡。工具主体43，安装在调节支撑件148上，在处理期间 通过调节支撑件148的高度、沿支撑件148运动工具主体43，和朝向枢 轴接头倾^f工具定位工具主体43'。图28示出了工具主体43内的换能器壳体41的独立悬架的细节的 第三实施例。换能器40安装在其中的换能器壳体41通过定位在换能器 壳体41的前面的和后面的部分内的两个弹簧42和42，在换能器轴线的 方向内在两侧上与工具主体43轴向地连接，使得在操作期间，包括换 能器40、换能器壳体41、波导33、压头31和被处理的材料的振荡系统 以可以与换能器激励脉冲的频率同步的固有频率振荡。图29示出了具有轴向地连接换能器壳体41与工具主体43的快速 改变弹簧的工具部分的实施例。换能器壳体41和刚性地接附到其的衬 套45通过定位在衬套45的端部和具有前面的把手48的工具主体43的 内部的端部表面之间的弹簧42，，与工具主体43轴向地连接。从而，在 工具组装或弹簧更换期间快速地获取弹簧42"并且消除弹簧42"、工具 主体43和换能器壳体41之间的摩擦，由此增强整个工具的可靠性。图30 (a)和30 (b)示出了具有磁致伸缩换能器40的空气冷却的 超声波沖击工具。磁致伸缩换能器40经由通过工具主体43的后面的端 部处的管149的空气流冷却，例如图30 (a)所示。管149通过柔性的 软管连接到压缩机、瓶或压缩空气管线。在另一个实施例中，换能器40 可以通过建立在工具主体43内的轴向的或离心的风扇150空气冷却， 例如图30 (b)所示。在全部两个实施例中，空气流沿整个振荡系统经 过工具主体43和换能器壳体41并且冷却振荡系统。图31示出了在水和空气环境内操作的换能器的加热速率以及用于 换能器芯部浸渍的高温聚合物的加热速率的图。在一个实施例中，有机 硅聚合物用作用于浸渍磁致伸缩换能器40的液体聚合物。聚合后的聚合物的操作温度为至少200摄氏度，并且例如图31所图形显示，其有 效范围位于例如由Co49V2制造的磁致伸缩换能器芯部的加热的临界速 率的曲线上方。图32 (a)和32 (b)示出了具有气蚀保护装置的换能器40,气蚀 保护装置安装在铜焊的接合处上并且在铜焊的接合处表面上形成防止 气蚀形成和发展以及铜焊的接合处表面的气蚀损伤的边界条件，由此延 长整个换能器的寿命。在图32 (a)中，换能器集中器具有圆形的凹进 处；并且在图32 (b)中，换能器集中器具有槽。具有保护铜焊的接合 处防止气蚀的保护装置的铜焊的接合处优选地包括具有陶资填充物的 化合物153、氟塑料板152、和收缩管151。具有陶瓷填充物的化合物 153以液态施加到铜焊的接合处上并且填充在与^兹致伸缩芯部61铜焊 的区域内的集中器端部处形成的圆形的凹进处。氟塑料板152优选地具 有大约2-4mm的厚度和等于铜焊区域内的集中器端部的直径的直径。氟 塑料板152在聚合化合物153之前安装在集中器端部上。收缩管151安 装在铜焊的接合处上并且确保对于集中器端部、铜焊的接合处、氟塑料 板和磁致伸缩芯部61的底部端的随后的热收缩。图33示出了具有用于保护芯部端部防止气蚀的装置的换能器。气 蚀保护装置安装在磁致伸缩芯部61的自由的端部上并且在芯部61的端:长整个换能器40的寿命。磁致伸缩换能器芯部端部的保护装置保护 防止气蚀并且包括具有对应磁致伸缩芯部61的端部的尺寸的长度和宽 度的厚度为大约2-4mm的氟塑料板155和安装在换能器芯部61的端部 上的收缩管154。通过收缩管154的热收缩将收缩管154和换能器芯部 61的端部联合在一起并且将氟塑料板155固定在换能器芯部61的端部 上。图34 ( a)和34 ( b )示出了具有插入物156的销保持件34,插入 物156可以为定位在销保持件34的头端部内的可更换的插入物。可更 换的插入物156由硬的或抗摩擦的金属或非金属材料制造，并且具有用 于至少一个压头31的至少一个引导孔。插入物156通过插入物156的 侧表面和销保持件弹性夹子的表面之间在由此施加的弹性的力作用下 的摩擦力保持在销保持件34内。热塑性的保持器板32也可以如上所述 定位在销保持件34内。通过使用非常硬的抗磨的金属和非金属材料，可更换的插入物156延长销保持件34的寿命并且减小销保持件制造成本。本发明包括通过在加工之后通过氧化的钛来表面硬化(用回火)和通过超声波冲击处理来加强的二阶段加强波导顶端70的技术。氧化的 钛表面硬化的高度优选地不超过6mm，以防止由于过热导致的表面硬化 的区域内的波导钛合金的结构改变，并且提供一致的声学性质。表面硬 化的顶端的超声波冲击加强提供附加的表面硬化修改并且将有利的压 缩应力引入表面硬化到达不小于1.5mm的深度。在大约200-250N的轴 向负载在超声波位移和初始的沖击的限制的幅度的实现室试验已经显 示，使用达到9mm的直径的压头持续操作不小于100小时的工作顶端 持续时间。这比当前已知的工程解决方案大超过5倍。本发明的振荡系统和工具可以小批量或大批量地生产并且可以在 用于长期的装备操作的连续运行的制造条件下使用。其输出参数和技术 结果的特征为高稳定性。那些参数不依赖批内的若干工具或工作过程中 的每个工具的应用时间。使用磁致伸缩换能器的UIT工具制造设置与在最近的工业和生产 中延伸工具应用领域有关的新的任务。这些任务包括-根据换能器功率的最大使用和换能器重量和尺度的最小化标准的 换能器效率；-对于在当工具遭受大的动态的和静态的力时的冲击条件下的特定的振荡模式的振荡系统稳定性；-确保压头和波导之间的受控的声学的耦合；-在工具回弹期间存储的弹性能量储备的完全使用；-确保功能系统内的能量平衡激励-弹簧-附加质量-超声波冲击；执行系统内的低频沖击的自激励；-考虑到分别通过工具的常规操作和在静态的力的同时作用下换能器的超声波振荡导致的振动冲击负载和泊松运动，确保在零轴环处的可靠的防潮密封；-增加在长期的工具操作期间的销保持件的引导孔的寿命；-增加在长期的负载下的技术波导顶端的寿命；和/或画在不同的条件下的工具通用性和人体工程学。对用于在集中器和由铁钴磁性合金制造的迭层结构的芯部之间产生坚固的焊接的对接接合处的方法的分析使得可能发现通过用高真空 使用诸如形式为箔的薄板的含银的铜焊合金的铜焊合金铜焊在这样的 不同种类的材料之间的接合方法。根据铜焊合金成分开发出两种联合铜 焊的接合处的方法(1)高温铜焊合金，继之以退火磁致伸缩芯部并
且恢复其机电性质；及(2)低温铜焊合金，而没有任何改变芯部的机 电性质。全部两个情况中的铜焊质量优选地在高真空中实现。
接下来例示的是用非常短的铜焊时间的低温方法，该方法通过实现 铜焊合金的充分的流动性以可靠地湿润铜焊表面和在铜焊合金结晶化 期间铜焊合金的附着来控制。此示例为说明性的并且不限制本发明。
示例
接下来的材料用于形成永久的连接 -包含68。/oAg、 27%Cu、 5。/oSn的铜焊合金， -激活铜焊过程并且标准化铜焊合金渗透的高度的钛粉。 铜焊优选地在SGV2.4-2/15型真空炉内进行，整体加热换能器。厚 度为大约O.lmm的AgCuSn 68-27-5含银的带铜焊合金布置在铁钴磁性 合金芯部和钛集中器之间的界面处。具有小于40微米的颗粒尺寸的PTS 等级的钛粉的薄层施加在铁钴磁性合金芯部顶端上。为此，芯部浸入钛 粉悬浮液2mm的深度。钛悬浮液也可以通过用钬悬浮液湿润的刷子施 加。接下来的条件用于此示例 铜焊温度-丁=840-850摄氏度； 浸泡-0.5分钟；
加热/冷却速率-17 4聂氏度/分钟； 真空-2.10-2-5. l(T4Pa;及 压力-0.1-0.2Kg/mm2。
生产的换能器已经作为工具的零件在Northen Scientific and Technology Company ( NSTC )实验室在超声波冲击处理不同的材4牛期 间测试。换能器能够承受长时间的密集的测试并且在UIT实际结构期间 长期测试。
最近，超声波变形技术的特性为苛刻的和有时临界的操作条件。传 统的芯部的表面胶粘不能提供足够的声硬度(或稳定性)。这导致在新 的条件下的短的换能器使用寿命。芯部迭层结构的电绝缘性应该制造为减小涡流损失。这些情况已经导致寻找用于迭层结构浸泡的新的材术+并 且由此增加芯部声硬度。在优选的实施例中，无源的换能器的芯部通过 浸入填充有液体聚合物的浴器浸泡，通过在谐振频率的有源的换能器的 超声波振荡激励达到迭层结构之中的完全的聚合物芯吸，由此初始超声 波场内并且加热到90摄氏度的材料化合物内的自聚合。芯部优选地通
过功率达到大约200W的以浸泡在被激活的芯部浸入(通过传统的4支术，
无源的芯部浸入超声波浴器)的具有聚合物化合物的容器内的换能器的 谐振频率的超声波发生器浸泡。通过本发明的方法浸泡具有很大的好
处，提供高的浸泡速率，并且施加由于超声波吸收发射的热量(8(H聂氏 度-150摄氏度)，以获得化合物聚合的高质量和速率。在整个使用寿命 期间，通过此方法浸泡的换能器为单块的。从而，换能器的磁致伸缩和 电磁特性在整个使用寿命期间不改变。
本发明还涉及用于能够在连续运行的制造条件下在长期操作期间 承受特定的声学和机械负载的新的UIT工具创造的工程解决方案。工程 解决方案优选地包括以下至少一个
-在振荡系统上的声学负载在短的时间间隔期间并且在工具上大的 动态和静态负载下在宽范围的阻抗和Q因数内改变期间，提供对特定的 振荡模式和条件的振荡系统稳定性；
-提供振荡系统的特性的稳定性、可互换性并且使其适合连续运行 的制造条件；
-在特定的分散范围内提供可重复的换能器性能，但不大于10%;
-提供长寿命换能器并且限制用于活性的材料的操作条件，根据这 些需要开发换能器制造程序，优化磁致伸缩器尺度之间的关系，其最小 化电》兹和电声损失；
-根据以下标准优化振荡速度转换器限制负载下的超声波位移幅 度，良好地匹配发生器，在稳定的大规模连续制造条件下并且在场条件 下长期处理具有高的和低的强度、高的和低的塑性、高的和低的热传导 '性的不同的材料期间的稳定的振荡和长的寿命；
-对于给定的材料提供在其限制值的水平的芯部磁致伸缩特性的稳 定性，显示换能器激励效率，换能器制造质量和当换能器用于超声波冲 击处理时结果的一致性；
-寻找材料成分和铜焊的接合处，使得故障的时间不小于在材料或
35铜焊的接合处的限制的特性的水平在冲击动态的、超声波循环的和静态
';-设计声学波导，制造程^提供工作顶端的使^寿命，使得直到临 界条件的其连续操作的持续时间不小于通过过程程序指定的时间，其
中，工作顶端在对于被处理的材料限制的力的冲击脉冲下操作；形成工 作顶端加强-技术以实现此目的；
-形成压头到波导压系统，改进波导-压头对的声学耦合，同时增加 振荡系统等价质量并且从而增加冲击值；
-形成振荡系统和工具之间的声学耦合，使得以下成为可能在超 声波冲击期间存储的能量的优化的应用和能量转换到被处理的表面上 的力脉沖，到被处理的材料内的有效的能量传递，通过弹性部件以最小 的反冲(逆反应)在压头和振荡系统在激励频率的振荡之间的自同步；
-开发具有需要并且足够用于超声波冲击处理难以到达的区域的尺 度、构造和形状的工作顶端的技术波导；
-开发具有根据功能地关于冲击时间、长度和孔隙率的最大冲击效 率匹配超声波换能器频率和冲击频率的尺度的压头；
-修改具有根据材料的被处理的表面或接合处的给定的构造选择的 尺度和形状的压头工作顶端，特别是凹槽和对于凹槽质量和特定的粗糙 度的需求；
-设计换能器冷却壳体内的可靠的换能器固定以防止在冲击和振荡 下变松并且容易组装和维护；
-开发沿零轴环的可靠的密封，具有容易安装和移除的热塑性的保 持器板，防止其变形，利用在冲击和振荡的作用下的保持器的弹性和塑 性；
-开发沿换能器绕组的线的输入/输出的可靠的密封组件，具有容易 安装和移除的热塑性的保持器板，防止密封故障，利用在沖击和振荡的 作用下遭受径向压的保持器的弹性和塑性；
-设计用于在不同的空间位置的可能的工具应用的把手； -消除当工具用于不同的空间位置时软管和线缆的输出纽结； -设计销保持件内的容易和可靠的销固定组件，其的保持器保护在 沖击期间不受压头和波导之间的接触区内的高温影响；
-确保当在冲击和振荡的作用下在不同的空间位置内操作时可靠的换能器冷却；
-确保当在冲击和振荡的作用下在不同的空间位置内操作时可靠的 销保持件固定；和/或
-确保当在沖击和振荡的作用下在不同的空间位置内操作时可靠的 换能器安装，并且防止换能器在工具主体内和在换能器壳体内围绕其轴 线旋转。
本发明的用于超声波冲击处理的工具还提供在宽范围的准静态的 和动态的负载变化内的高度稳定的振荡条件和振荡模式，以及在被处理 的材料的限制的性质的水平的表面的有效的塑性变形期间工具的振荡 系统的可靠的和稳定的操作。此工具提供没有通过之前的工具提供的至 少一个工程解决方案，包括以下至少一个
-通过优化迭层结构和换能器的芯部内的直角的孔的纵向的和横向 的尺度之间的关系，并且还具有通过以下改变的集中器构造，(1)负
载阻抗从大约3到大约500欧姆，(2)Q因数从大约5到大约400, ( 3 ) 机械位移幅度达到大约IOO微米，(4)静态的负载达到屈服强度，(5) 动态的负载达到最终强度和/或(6)可变的应力达到任何振荡系统部件 的材料的疲劳极限，实现在短的时段期间在振荡系统"磁致伸缩换能器 -振荡速度转换器-被处理的单元"的负载阻抗和Q因数的改变的范围内 对特定的振荡模式的振荡系统稳定性，
-通过根据被处理的材料的性质选择至少 一个压头的长度和直径， 和工作表面的一个或多个半径，以对于根据通过完全表面覆盖的浮皮处理 的单元的预先确定的处理能力设定的时间单元提供直径或至少一个尺 度改变达到接近压头直径的值的具有最大体积的凹入的塑性变形，实现 在超声波冲击期间包括作为与材料表面上的塑性变形工作成比例的标 准并且在一定的深度的通过从和不从被处理的材料的撤回的至少一个 压头的超声波冲击的超声波冲击的有效时间长度的增加，
-由于对集中器-压头耦合的控制实现对减小到冲击点的质量的增 加，并且由于不受控的压头回弹的最小化实现对于^L处理的细节的表面 条件的高要求的表面处理条件的优化，
-确保当在负载下操作时工具内部和出口处的软管和线缆的防纽结 位置，
-通过具有工作的二半径楔形表面的至少一个压头，实现确保大约
370.2m/min和更大的预先确定的处理能力，以产生足够用于增加大约5倍
和更大的负责其寿命的区域上的工件疲劳抵抗力的焊趾上的凹槽的半 径、凹槽粗糙度和残留应力，其中，较小的压头半径产生凹槽截面内的 趾表面半径，并且较大的压头半径产生表面粗糙度和根据较小的半径引 起的残留应力的水平，
-当在芯部加热和冷却期间在适合芯部材料结构的相转移的温度范 围内退火时，通过产生定向的磁场和通过场导致的畴极化，实现增加芯 部磁致伸缩系数大于10 x 10"并且磁致伸缩分散小于5%,
-进行或未进行热处理的具有5%或更小的振荡系统电声特性的分 散的达到在由铁钴合金制造的磁致伸缩芯部和由钛或铝合金或钢制造 的集中器之间的铜焊合金的强度水平的接合处的可靠性，由于在真空或 惰性气体铜焊期间使用诸如含银的或其它铜焊合金的铜焊合金实现，足 够在2mm或更小的高度在短的时段期间获得的惰性气体铜焊期间通过 熔化的铜焊合金湿润作业表面，并且批内的表面性质的分散为大约5%,
-通过定中心芯部和集中器在等于或小于振荡系统生产的可接受的 准确度的容许量的一半的其未对准的轴线，实现作为对于在纵向的振荡 的高幅度作用下发生的侧向模式增加振荡系统稳定性的装置来定中'"、 芯部和集中器，
-通过在具有通过谐振有效的换能器的超声波振荡激活的通过浸泡 的换能器的通过谐振有效的换能器激励的稳定的超声波场的聚合物化 合物内的芯部浸渍，实现对于在超声波场内的芯部的限制的超声波位移 的作用下发生的的侧向模式的磁致伸缩换能器稳定性和浸渍的增加和 浸渍剂聚合率的增加，
-通过具有提供通过垂直于波导曲线的几何的轴线的相等的相位的 表面的正常的波分布的构造的波导，确保以对于特定的振荡模式的波导 高稳定性处理难以到达的区域，诸如槽、裂缝、角落等，并且波长和因 此的波导谐振尺度相对于此曲线或空间定向的轴线限定，
-提供在固定的位置的振荡系统，以防止在处理期间相对于工具主 体的旋转，
-通过在没有任何变形或施加的力的情况下安装在矩形的座内的O 形橡胶或弹性体的环，实现对在2atm和更高的冷却液体的压力的围绕 零轴环的在换能器壳体内的泄漏和密封故障的抵抗力，矩形的座面积等于橡胶或弹性体的环的截面面积，并且通过压填充有橡胶环的材料，
-通过经由其中具有弹性的密封材料的圆锥形的分开的衬套径向
压，实现在2atm和更大的冷却液体的压力的线密封组件内的线的泄漏 和密封故障的抵抗力，
-通过防止在任何可能的工具空间位置内的换能器壳体内的气塞发 生的设计保护，确保在高的静态和动态负载下在任何功率的换能器的有 效的液体冷却，设计保护通过根据任务规定负责馈送和撤回冷却液体的 工具部件来提供，特别是依靠在冷却液体的入口和出口处的管的不同的
长度，
-通过在冲击和振荡下防止自放松和泄漏的设备实现换能器在换能 器壳体内可靠地安装到节的轴环，
-工具的通用性和可获得性，其中，由于具有两种类型的把手，工 具用于任何空间位置(1 )力沿工具传递并且可能相对于工具旋转的 前面的把手，和(2)通过夹具安装在工具主体上的侧面的把手，
-通过由热弹性的材料制造的快速移除的弹性的保持器板，实现在 伴有在冲击期间其的密集的振荡的处理期间沿销保持件的引导通道内 的振荡系统轴线可靠地固定至少一个压头，和/或
-通过表面硬化和热机械加强实现波导输出工作顶端的优化的寿 命，并且确保在重新加工波导之前在达到70微米的工作顶端幅度的100 小时和更长的连续工作的工作能力。
这里披露的示例性的实施例不企图是完全的或不必要地限制本发 明的范围。选择并且描述示例性的实施例以便解释本发明的原理，使得 本领域中的普通技术人员能够实践本发明。如对于本领域中的普通技术 人员明显的，可以在前面的描述的范围内进行不同的修改。本领域中的 普通技术人员能够进行的这样的修改形成本发明的 一部分且包括在后 附的权利要求书的范围内。
权利要求
1.用于超声波冲击处理的工具，该工具提供在准静态的和动态的负载变化的范围内的稳定的振荡条件和振荡模式，和在被处理的材料的限制的性质的水平的表面的有效的塑性变形期间的工具的振荡系统的可靠的、一致的和稳定的操作，该工具包括磁致伸缩芯部或压电有效的材料的任何其它有效的元件，具有耦合的振荡速度的转换器和/或具有零轴环的集中器，其一起包括定位在换能器壳体内的磁致伸缩或压电有效的换能器；作为振荡速度的转换器的波导，和/或集中器，通过所述换能器的所述振荡速度的转换器接附到所述换能器；至少一个压头，定位在引导通道内并且具有轴向的自由度和尺度，以允许将超声波应力波传递到被处理的材料内，并且从被处理的材料的工具回弹，参数足够用于所述被处理的材料的有效的塑性变形和作用性质；销保持件，定位在所述工具的头内，具有用于所述至少一个压头的至少一个引导通道；将所述至少一个压头固定在所述销保持件内的保持器板，所述保持器板定位在所述销保持件的顶端处的槽内；工具主体；及定位在所述换能器在其中的工具壳体内的换能器冷却壳体，其中，所述工具提供至少一个工程解决方案，其中，所述至少一个工程解决方案包括以下至少一个-通过优化迭层结构和所述换能器的芯部内的直角的孔的纵向的和横向的尺度之间的关系，并且还具有通过以下改变的集中器构造，(1)负载阻抗从大约3到大约500欧姆，(2)Q因数从大约5到大约400，(3)机械位移幅度达到大约100微米，(4)静态的负载达到屈服强度，(5)动态的负载达到最终强度和/或(6)可变的应力达到振荡系统部件的所述材料的疲劳极限，实现在预先确定的时段期间在振荡系统磁致伸缩换能器-振荡速度转换器-被处理的单元的负载阻抗和Q因数的改变的范围内对预先确定的振荡模式的振荡系统稳定性，-通过根据所述被处理的材料的性质选择所述至少一个压头的长度和直径，和工作表面的一个或多个半径，以对于根据通过完全表面覆盖的被处理的单元的预先确定的处理能力设定的时间单元提供直径或至少一个尺度改变达到接近压头直径的值的具有最大体积的凹入的塑性变形，实现在超声波冲击期间包括作为与所述表面上的塑性变形工作成比例的标准并且在预先确定的深度的通过从或不从所述被处理的材料的撤回的所述至少一个压头的超声波冲击的超声波冲击的有效时间长度的增加，-由于对集中器-压头耦合的控制实现对减小到冲击点的质量的增加，由于不受控的压头回弹的最小化实现对于被处理的细节的表面条件的高要求的表面处理条件的优化，-确保当在负载下操作时所述工具内部和出口处的软管和线缆的防纽结位置，-通过具有工作的二半径楔形表面的所述至少一个压头，实现确保大约0.2m/min和更大的预先确定的处理能力，以产生足够用于增加大约5倍和更大的负责其寿命的区域上的工件疲劳抵抗力的焊趾上的凹槽、凹槽粗糙度和残留应力，其中，较小的压头半径产生凹槽截面内的趾表面半径，并且较大的压头半径产生表面粗糙度和根据所述较小的半径引起的残留应力的水平，-当在芯部加热和冷却期间在适合芯部材料结构的相转移的温度范围内退火时，通过产生定向的磁场和通过场导致的畴极化，实现增加芯部磁致伸缩系数大于10×10-6并且磁致伸缩分散小于5％，-进行或未进行热处理的具有5％或更小的振荡系统电声特性的分散的达到在由铁钴合金制造的磁致伸缩芯部和由钛或铝合金或钢制造的集中器之间的铜焊合金的强度水平的接合处的可靠性，由于在真空或惰性气体铜焊期间使用铜焊合金实现，足够在2mm或更小的高度在短的时段期间获得的惰性气体铜焊期间通过熔化的铜焊合金湿润作业表面，并且批内的表面性质的分散为大约5％，-通过定中心芯部和所述集中器在等于或小于振荡系统生产的可接受的准确度的容许量的一半的其未对准的轴线，对于在纵向的振荡的高幅度作用下发生的侧向模式增加振荡系统稳定性，-通过在具有通过谐振有效的换能器的超声波振荡激活的通过浸泡的换能器的通过谐振有效的换能器激励的稳定的超声波场的聚合物化合物内的芯部浸渍，实现对于在超声波场内的芯部的限制的超声波位移的作用下发生的的侧向模式的磁致伸缩换能器稳定性，浸渍的增加和浸渍剂聚合率的增加，-通过具有提供通过垂直于波导曲线的几何的轴线的相等的相位的表面的正常的波分布的构造的波导，以对于预先确定的振荡模式的波导稳定性处理难以到达的区域，并且波长和波导谐振尺度相对于曲线或空间定向的轴线限定，-提供在固定的位置的振荡系统，以防止在处理期间相对于所述工具主体的旋转，-通过在没有任何变形或施加的力的情况下安装在矩形的座内的O形橡胶或弹性体的环，实现对在2atm和更高的冷却液体的压力的围绕所述零轴环的在所述换能器壳体内的泄漏和密封故障的抵抗力，所述矩形的座等于所述橡胶或弹性体的环的截面面积，并且通过压填充有所述橡胶环的材料，-通过经由其中具有弹性的密封材料的圆锥形的分开的衬套径向压，实现在2atm和更大的冷却液体的压力的输出密封组件内的泄漏和密封故障的抵抗力，-通过防止在任何可能的工具空间位置内的所述换能器壳体内的气塞发生的设计保护，确保在高的静态和动态负载下在任何功率的所述换能器的有效的液体冷却，所述设计保护通过根据任务规定负责馈送和撤回冷却液体的工具部件来提供，特别是依靠在冷却液体的入口和出口处的管的不同的长度，-通过在冲击和振荡下防止自放松和泄漏的设备实现换能器在所述换能器壳体内可靠地安装到节的轴环，-通过用于任何空间位置实现的所述工具的通用性和可获得性，其中，所述工具具有两个把手(1)力沿所述工具传递的前面的把手，和(2)所述工具主体上的侧面的把手，-通过由热弹性的材料制造的弹性体的保持器板，实现在伴有在冲击期间其的密集的振荡的处理期间沿所述销保持件的引导通道内的振荡系统轴线固定所述至少一个压头，和-通过表面硬化和热机械加强，实现具有在第一次波导重新加工之前在达到70微米的工作顶端幅度的100小时和更长的连续操作的工作能力的波导输出工作顶端。
2. 根据权利要求1所述的工具，还包括 在所述零轴环上的密封组件；固定到所述换能器壳体的衬套，其中，在超声波冲击处理期间，所 述衬套与所述换能器壳体同步地在所述工具主体内部纵向地运动； 固定到所述工具主体的至少一个把手，用于相对于所述工具密封至少一个软管和/或线缆的输出密封组件；及用于来自所述工具的至少 一个软管和线缆的输出。
3. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述换能器具有O形磁致 伸缩芯部，其中，通过在等于大约迭层结构宽度和高度为大约2/9、直 角的孔宽度和高度为大约2/19和直角的孔宽度和迭层结构宽度为大约 2/5之间的比率的值的范围内提供芯部迭层结构的纵向的和横向的尺度 之间的关系，实现所述O形磁致伸缩芯部在基于2x 107和更大的循环 的芯部材料的疲劳极限的超声波位移的最大限制幅度。
4. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述换能器包括集中器， 集中器的形式为圆锥形-圆柱形的振荡速度的转换器，圆锥形-圆柱形的 振荡速度的转换器包括包含所述零轴环的低幅度的圆锥形的部分，具有 来自振荡系统的所述换能器的谐振频率的波长的1/8到1/5的长度的高 幅度的圆柱形的部分，和在所述低幅度的圆锥形的部分和所述高幅度的 圆柱形的部分之间的沟槽过渡半径，其中，所述沟槽过渡半径的中心处 于所述高幅度的圓柱形的部分和所述沟槽过渡半径之间的联接的切割 平面内，并且其中，半径联接的高度为从来自所述高幅度的圆柱形的部 分的长度的大约1/2到大约1/3。
5. 根据权利要求1所述的工具，还包括换能器冷却壳体，其中， 所述换能器冷却壳体相对于所述工具主体定中心并且通过弹簧轴向地 连接到所述工具主体，以便在工具操作期间提供振动-声学耦合，其中， 弹簧的结构的尺度预先选择为提供预先确定的弹簧率，预先确定的弹簧率足够控制冲击的效率和能量参数，以实现其中频率多倍并且提供所述 工具和通过作为所述工具的部分的振荡系统产生的超声波冲击初始的 被处理的材料的固有振荡之间的能量平衡。
6. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述至少一个压头具有从 负载下的振荡系统的所述换能器的谐振频率下的波长的大约1/12到大约1/4的长度。
7. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述至少一个压头包括至 少一个圆柱形、圆锥形或球形的压头，能够沿振荡速率集中器的轴线自 由运动，并且用振荡系统频率的谐振支架接附到所述集中器的输出顶 端，通过经由在用锁定螺母固定时的螺母的受控的力压的弹簧接附到所 述零轴环，其中，所述螺母和所述锁定螺母在所述谐振支架的位移的波 腹内配合在所述谐振支架的内部螺紋上。
8. 根据权利要求1所述的工具，其中，冷却管线和换能器动力线 缆从所述工具延伸通过输出组件并且被保持在其中，所述输出组件以对 于所述工具的操作者的人体工程学的角度安装在衬套内并且通过所述 工具主体内的引导槽。
9. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述至少一个压头的工作 顶端为楔形的并且具有第一半径和第二半径，所述第一半径为大约 0.5mm和更大，提供凹槽半径以实现处理区域内的预先确定的耦合半 径，所述第二半径为大约10mm和更大以实现IOO微米和更小的预先确 定的表面粗糙度，其中，所述至少一个压头实现适用于补偿产生在操作 期间通过应力集中器影响的区内的被处理的材料故障的危险的外力作 用的通过压头超声波冲击初始的残留应力的水平和分布。
10. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述磁致伸缩换能器的磁 致伸缩芯部在真空内、在惰性气体内或在它们的结合内用感应的恒定的 磁场在适合在全部两个方向经过居里点的温度并且在形成芯部材料的 畴结构的温度范围内冷却所述磁致伸缩芯部期间退火，感应的恒定的磁 场沿与所述^f兹致伸缩芯部的较长的侧垂直的迭层结构平面影响，并且磁 力适用于限制》兹畴沿所述磁致伸缩芯部极化。
11. 根据权利要求1所述的工具，其中，磁致伸缩芯部在达到l(T4Pa 的真空内通过以17摄氏度每分钟的速率短期加热和冷却铜焊到所述振 荡速度的转换器，使用厚度为大约0.lmm的带铜焊合金和用作焊剂的钛 粉，导致通过铜焊合金湿润铁钴磁性合金到大约O.lmm的高度并且小于 腹板高度，铜焊后的批内的工作过程和振荡系统的分散为5%和更小， 其中，所述磁致伸缩芯部和所述振荡速度的转换器在铜焊后一起构成所 述磁致伸缩换能器。
12. 根据权利要求1所述的工具，其中，所迷磁致伸缩换能器的磁致伸缩芯部沿直径等于芯部顶端对角线的圆柱形的凹槽或通过将所述 磁致伸缩芯部安装在矩形的座内定中心，其中，芯部顶端形状具有0.1mm的深度并且小于腹板高度。
13. 根据权利要求1所述的工具，其中，通过将无源的换能器的芯 部浸入填充有液体聚合物的浴器内浸泡无源的换能器的芯部，通过谐振 频率的有源的换能器的超声波振荡激励达到迭层结构之中的完全的聚 合物芯吸，由此初始超声波场内并且被加热到90摄氏度的材料化合物 内的自聚合。
14. 根据权利要求1所述的工具，其中，以达到30度的负角度实 现波导斜的顶端上的超声波位移的均 一 的分布。
15. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述波导为具有垂直于形 成波导主体的分布的质量的中心的区段内的相等的相位的表面的旋转 的曲线的波导，所述旋转为30度或更小。
16. 根据权利要求1所述的工具，其中，在工具的随机的空间地定 向的振动冲击负载下，通过沿所述磁致伸缩换能器的所述零轴环并且在 所述磁致伸缩换能器和所述工具主体之间的所述换能器壳体内的导键， 提供所述磁致伸缩换能器和振荡系统相对于所述工具主体的总体的固 定的位置。
17. 根据权利要求1所述的工具，还包括沿所述零轴环的密封组件， 其中，所述密封组件包括弹性体的环和拼合环，所述拼合环包括通过锁 定垫圈保持的两个分开的可移除的金属半环，所述半环和所述弹性体的 环自由地安装在所述换能器壳体的内部止推凸缘和所述拼合环之间的 座内，其中，所述弹性体的环的安装提供(1 )所述弹性体的环的自由 的安装，(2)所述弹性体的环的自由地、均一地分布的未变形的状态，(3)通过压填充后冲，及(4)在移除时，在释放压后，在不施加力和 变形的情况下自由地移除。
18. 根据权利要求1所述的工具，还包括用于所述磁致伸缩换能器绕组的至少一个线的密封组件，其中，所 述换能器壳体为换能器冷却壳体，所述密封组件从所述换能器冷却壳体 延伸并且包括弹性的密封元件、圆锥形的分开的衬套和能够沿具有圆锥 形的钻孔的螺紋自由地运动的螺紋环，其中，当相对于所述圆锥形的分 开的衬套的轴线上紧时，所述螺紋环在径向的力的作用下压所述弹性的密封元件。
19. 根据权利要求1所述的工具，还包括所述磁致伸缩换能器上的 冷却组件，其中，所述磁致伸缩换能器的所述冷却组件包括弹性的密封件；入口管接头，具有管在所述磁致伸缩换能器的磁致伸缩芯部和所述 换能器壳体的内部壁之间插入所述换能器壳体内，其中，所述管的长度 延伸超过所述磁致伸缩换能器的所述磁致伸缩芯部；及当安装时不在内部延伸超过所述换能器壳体的端部的出口管接头。
20. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述工具主体内的所述磁 致伸缩换能器在沖击的作用下通过螺紋环固定，螺紋环具有七个或更多 螺紋，具有在距所述螺紋环的顶端等于1到2个螺紋节距的距离处的具 有一个螺紋节距或更大的宽度的径向的槽，和在所述径向的槽的侧上的 所述顶端上的内部的圆锥形的凹槽，并且其中，通过在所述凹槽的侧上 搁靠所述螺紋环提供固定，由此当通过具有七个或更多螺紋的锁定螺母 锁定时产生附加的弹性。
21. 根据权利要求1所述的工具，还包括固定到所述工具主体的至 少一个^巴手，其中，所述至少一个4巴手为前面的才巴手，前面的4巴手具有 大约两到三个自由度以进行工作位置选择，所述前面的把手通过与所述具主体上。
22. 根据权利要求1所述的工具，还包括固定到所述工具主体的至 少一个^巴手，其中，所述至少一个把手为侧面的"te手，侧面的把手具有 大约两个自由度以进行工作位置选择，并且安装在所述工具主体的圆柱 形的部分的侧面上并且通过侧面的把手压夹具固定。
23. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述保持器板具有至少一 个孔，该至少 一 个孔的直径比所述至少 一 个压头的直径小大约 0.5-1.0mm,并且厚度为大约0.8-1.0mm,所述保持器板插入所述销保持 件的工作零件内的宽度为大约0.8-1.5mm的横向的槽内，所述横向的槽 具有至少一个引导通道并且垂直于所述通道。
24. 根据权利要求1所述的工具，其中，通过用氧化的钛来氩弧表 面硬化到大约2到6mm的高度实现波导工作顶端对冲击下的故障的抵:阮力的增加。
25. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述磁致伸缩换能器还包 括具有板的磁致伸缩芯部，其中，通过经由规则地交错所述磁致伸缩芯部的所述板使得在邻近的板的端部之间的距离在/人大约0.05mm到大约 0.5mm的范围内以增加所述铜焊的接合处的接触面积，增加所述换能器 的寿命和所述磁致伸缩芯部和所述集中器之间的铜焊的接合处的强度 特性。
26. 根据权利要求1所述的工具，其中，在所述磁致伸缩换能器的 所述集中器的端部处形成圆形的凹进处，其中，所述凹进处在铜焊的接 合处内铜焊期间保持熔化的铜焊合金，防止所述铜焊合金流到所述集中 器的侧表面上，并且使得可能形成围绕铜焊的接合处的周缘的平滑的焊 脚。
27. 根据权利要求11所述的工具，其中，所述;兹致伸缩芯部的铜 焊在沿所述磁致伸缩芯部的板的平面并且垂直于所述磁致伸缩芯部的 專支长的侧定向的感应的恒定的i兹场内进行，其中，所述;兹场具有足够用 于在全部两个方向穿过居里点的温度并且在形成芯部材料的畴结构的 温度范围内冷却所述》兹致伸缩芯部期间沿所述磁致伸缩芯部的磁畴的 最大极化的强度。
28. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述波导为圆锥形-圆柱形 的波导，其中，通过所述圆锥形-圆柱形的波导实现在所迷圆锥形-圆柱 形的波导的工作端部处的高幅度和限制的动态的和准静态的力下的所 述振荡系统的稳定的性能，其中，接附到所述换能器的所迷圆锥形-圆柱 形的波导的端部的直径大于接附到所述圆锥形-圓柱形的波导的换能器 顶端的直径。
29. 根据权利要求1所述的工具，还包括延伸谐振波导，延伸谐振 波导使得能够处理狭窄的空间、远程的区域和/或难以到达的区域内的表 面，其中，所述延伸谐振波导在所述换能器的顶端和所述波导的端部之 间中心地定位，并且其中，所述延伸谐振波导的长度设定为所述换能器 的载波频率的半波长的倍数。
30. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述波导为使得能够处理 狹窄的空间、远程的区域和/或难以到达的区域内的表面的弯曲的波导， 其中，所述弯曲的波导具有矩形的截面和达到120度的工作端部的平面 的旋转角度，其中，所述弯曲的波导通过垂直于形成所述弯曲的波导的主体的分布的质量的中心的线定向的相等的相位的区段形成。
31. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述波导为弯曲的波导， 其中，所述换能器定位在其中的所述换能器壳体通过可运动的枢轴接头 安装在所述工具主体内，并且通过在所述枢轴接头内在所述换能器壳体 的旋转的方向内的片弹簧与所述工具主体连接，使得在操作期间，整体 的振荡系统以与换能器激励脉冲的频率同步的固有频率振荡，其中，所 述整体的振荡系统包括所述换能器、所述换能器壳体、所述弯曲的波导、头和所述被处理的材料。
32. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述波导为弯曲的波导， 其中，所述换能器定位在其中的所述换能器壳体通过枢轴接头安装在所 述工具主体内，并且通过在另一个枢轴接头内在所述换能器壳体的旋转 方向内的片弹簧与所述工具主体连接，使得在操作期间，所述振荡系统 以与换能器激励脉沖的频率同步的固有频率振荡，其中，所述工具主体 安装在允许相对于所述被处理的材料定位所述工具主体的调节支撑件 上，其中，所述振荡系统包括所述换能器壳体、所述弯曲的波导、所述 至少 一 个压头和所述被处理的材料。
33. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述换能器定位在其中的 所述换能器壳体通过定位在所述换能器壳体的前面的部分和后面的部 分内的两个弹簧在所述换能器的轴线的方向内在两侧上与所述工具主 体连接，使得在操作期间，所述振荡系统以与换能器激励脉冲的频率同 步的固有频率振荡，其中，所述振荡系统包括所述换能器、所述换能器 壳体、所述波导、所述至少一个压头和所述被处理的材料。
34. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述换能器壳体和刚性地 接附到其的衬套通过定位在所述衬套的端部和所述工具主体的内部的 端部表面之间的弹簧与所述工具主体轴向地连接，由此提供在组装或弹 簧更换期间对所述弹簧的获取并且消除所述弹簧、所述工具主体和所述 换能器壳体之间的摩擦，由此增强所述工具的可靠性。
35. 根据权利要求1所述的工具，其中，所述磁致伸缩换能器通过 沿所述振荡系统通过所述工具主体和所述换能器壳体的空气流冷却，其 中，通过建立在所述工具主体内的风扇或通过从压缩的空气管线、瓶或 压缩机供应压缩空气产生所述空气流。
36. 根据权利要求1所述的工具，其中，用具有200摄氏度和更高 的操作温度的溶液浸渍所述换能器。
37. 根据权利要求36所述的工具，其中，所述溶液为液体有机硅 聚合物。
38. 根据权利要求1所迷的工具，其中，通过相继地在所述集中器 的端部上施加具有陶瓷填充物的化合物、将氟塑料板安装在其上、化合 物聚合、将收缩管安装在铜焊的接合处的区域内和加热其以完成收缩和 保护磁致伸缩芯部和所述集中器之间的所述铜焊的接合处的所述区域， 在所述铜焊的接合处的区域内形成相应的边界条件，延长所述换能器的 寿命并且保护铜焊的接合处防止气蚀。
39. 根据权利要求1所迷的工具，其中，通过相继地准备氟塑料板 以匹配磁致伸缩芯部的端部的尺寸、将所述氟塑料板和收缩管安装在所 述^f兹致伸缩芯部的所述端部的区域内、加热所述收缩管以完成收缩以将 所述氟塑料板固定在所述磁致伸缩芯部的所述端部上，在所述^f兹致伸缩 芯部的所述端部的区域内形成相应的边界条件，延长所述换能器的寿命 并且保护磁致伸缩芯部的端部防止气蚀。
40. 根据权利要求1所迷的工具，其中，通过使用由硬的金属或非 金属材料制造的可更换的插入物延长所述销保持件的寿命，其中，所述 可更换的插入物具有用于所述至少一个压头的至少一个引导孔并且通 过所述可更换的插入物的侧表面和销保持件弹簧夹子的表面之间在由 此施加的弹性的力的作用下的摩擦力保持在所述销保持件内。
41. 用于超声波沖击处理的工具，该工具提供在准静态的和动态的 负载变化的范围内的稳定的振荡条件和振荡模式，和在被处理的材料的 限制的性质的水平的表面的有效的塑性变形期间的所述工具的振荡系 统的可靠的、 一致的和稳定的操作，该工具包括磁致伸缩芯部或压电有效的材料的任何其它有效的元件，具有耦合 的振荡速度的转换器和/或具有零轴环的集中器，其一起包括定位在换能 器壳体内的磁致伸缩或压电有效的换能器；其中，所述工具提供包括以下至少一个的至少一个工程解决方案 -通过优化迭层结构和所述换能器的芯部内的直角的孔的纵向的和 横向的尺度之间的关系，并且还具有通过以下改变的集中器构造，(1) 负载阻抗从大约3到大约500欧姆，(2 ) Q因数从大约5到大约400,(3)机械位移幅度达到大约100微米，(4)静态的负载达到屈服强度， (5)动态的负载达到最终强度和/或(6)可变的应力达到振荡系统部件 的所述材料的疲劳极限，实现在预先确定的时段期间在振荡系统磁致伸 縮换能器-振荡速度转换器-被处理的单元的负载阻抗和Q因数的改变的 范围内对预先确定的振荡模式的振荡系统稳定性，-进行或未进行热处理的具有5%或更小的振荡系统电声特性的分 散的达到在由铁钴合金制造的磁致伸缩芯部和由钛或铝合金或钢制造 的集中器之间的铜焊合金的强度水平的接合处的可靠性，由于在真空或 惰性气体铜焊期间使用铜焊合金实现，足够在2mm或更小的高度在短面，、并且批内:表面性质的分^:为大约5%，; -通过定中心芯部和所述集中器在等于或小于振荡系统生产的可接受的准确度的容许量的一半的其未对准的轴线，对于在纵向的振荡的高幅度作用下发生的侧向模式增加振荡系统稳定性，和/或-通过在具有通过谐振有效的换能器的超声波振荡激活的通过浸泡的换能器的通过谐振有效的换能器激励的稳定的超声波场的聚合物化合物内的芯部浸渍，实现对于在超声波场内的芯部的限制的超声波位移的作用下发生的侧向模式的磁致伸缩换能器稳定性，浸渍的增加和浸渍 剂聚合率的增加。
42.用于超声波冲击处理的工具，该工具提供在准静态的和动态的 负载变化的范围内的稳定的振荡条件和振荡模式，和在被处理的材料的 限制的性质的水平的表面的有效的塑性变形期间的所述工具的振荡系 统的可靠的、 一致的和稳定的操作，该工具包括磁致伸缩芯部或压电有效的材料的任何其它有效的元件，具有耦合 的振荡速度的转换器和/或具有零轴环的集中器，其一起包括定位在换能 器壳体内的磁致伸缩或压电有效的换能器；及提供所述工具的冷却稳定性的所述磁致伸缩换能器的冷却组件，其 中，所述磁致伸缩换能器的所述冷却组件包括弹性的密封件；入口管接头，具有管在所述磁致伸缩换能器的磁致伸缩芯部和所述 换能器壳体的内部壁之间插入所述换能器壳体内，其中，所述管的长度 延伸超过所述磁致伸缩换能器的所述》兹致伸缩芯部；及当安装时不在内部延伸超过所述换能器壳体的端部的出口管接头。
43. 用于超声波冲击处理的工具，该工具提供在准静态的和动态的 负载变化的范围内的稳定的振荡条件和振荡模式，和在被处理的材料的 限制的性质的水平的表面的有效的塑性变形期间的所述工具的振荡系统的可靠的、 一致的和稳定的操作，该工具包括 至少一个压头；及磁致伸缩芯部或压电有效的材料的任何其它有效的元件，具有耦合 的振荡速度的转换器和/或具有零轴环的集中器，其一起包括定位在换能 器壳体内的磁致伸缩或压电有效的换能器，其中，所述工具提供了通过根据所述被处理的材料的性质选择所述 至少一个压头的长度和直径，和工作表面的半径，以对于根据通过完全 表面覆盖的被处理的单元的预先确定的处理能力设定的时间单元提供 直径或至少一个尺度改变达到接近压头直径的值的具有最大体积的凹 入的塑性变形，实现在超声波冲击期间包括作为与材料表面上的塑性变 形工作成比例的标准并且在一定的深度的通过从或不从所述被处理的 材料撤回的所述至少 一 个压头的超声波沖击的超声波冲击的冲击抵抗 力的协调和有效时间长度的增加。
44. 用于磁致伸缩换能器组装和铜焊的组装架，包括 由耐热钢制造的架壳体；及具有座以定中心磁致伸缩换能器的集中器的钛环；其中，所述组装架定中心所述磁致伸缩换能器的铜焊的零件并且通过在所述架壳体内部轴向地自由地运动的负载在换能器铜焊期间在磁致伸缩芯部上提供标准化的压力。
全文摘要
披露了用于超声波冲击处理机器和机构的构造、构造单元和部件的包括磁致伸缩换能器、振荡系统和工具的设备。本发明提供受工作表面上的静态的、动态的和冲击负载的同时的作用影响的磁致伸缩换能器、振荡系统和它们的部件、工具和它们的零件的高可靠性，本发明还提供在小规模、全规模和大规模生产的条件下的其特性的高稳定性和可互换性。本发明还包括使用上面的实现和制造技术的新的方法的设计解决方案。
文档编号H01L41/08GK101405881SQ200680039229
公开日2009年4月8日 申请日期2006年8月11日 优先权日2005年8月19日
发明者E·S·斯塔特尼科夫, O·V·科罗尔科夫, V·O·穆克特帕维尔, V·Y·科罗斯特尔 申请人:U.I.T.有限责任公司