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超音波振動子の表面残留応力の緩和技術を公開

製品カタログ

ウルトラファインバブルとメガヘルツの音響流制御技術

超音波システム研究所は、
 超音波の伝搬状態に関する、計測・解析・制御技術を応用して、
 超音波とマイクロバブル発生液循環システムによる、
 超音波振動子の表面残留応力を緩和する技術を公開しました。

この表面残留応力を緩和する技術により
 金属疲労・・に対する疲れ強さの改善を行うことが可能になりました。
 特に、超音波の伝搬状態を
 対象物のガイド波(表面弾性波・・)を考慮した
 設定・治工具・制御・・・により、
 効果的な超音波照射条件・・・を実現させる方法を開発しました。

金属部品、樹脂部品、粉体部材、・・・の各種に対して
 幅広い効果を確認しています。

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このカタログについて

ドキュメント名 超音波振動子の表面残留応力の緩和技術を公開
ドキュメント種別 製品カタログ
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ファインバブルと超音波による、表面処理技術
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このカタログの内容

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超音波とファインバブルによる 表面改質(表面残留応力の緩和)技術 <<超音波振動子の表面改質>> 超音波システム研究所 1
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表面改質処理により可能になる超音波制御例 2
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超音波振動子の改良技術 1:原理 振動子の音響特性(注)を改善する 注:超音波振動子を利用した測定・解析(水槽、水槽内の液体、・・の間接測定)で、 パワースクトルを、次のように改善する。 1-1:パワーの値を大きくする 1-2:低周波のモードを小さくする 1-3:高周波(高調波を除く)成分をフラットにする 振動子の音響特性の改善により、 低周波のパワーと高周波をミックスさせた 超音波照射量(注)が大きくなる 注:超音波照射時の振動子による測定・解析あるいは 写真撮影による、キャビテーションの観察が次のように改善する 2-1:キャビテーション模様が大きくなる 2-2:キャビテーション模様が薄くなる 2-3:キャビテーション模様が均一に広がる コメント 振動子の溶接・・・による、表面の残留応力の分布を 改善(表面残留応力:引張応力を緩和させることと、応力分布のバラツキをなくすこと) していると考えます。 3
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2:方法(技術) 1:均一な超音波照射 2:音圧レベルのコントロール 3:照射(伝搬)周波数のコントロール 4:測定・確認 上記の項目は理想的な条件です 改善効果をより大きくするためには必要ですが 上記の内容の一部を利用しても、改善効率は低下しますが、改善は可能です 具体的な方法 例 40kHzの振動子(出力仕様 600W)を改善する場合 第一段階(例 3 日間 1日あたり理想的には 2-3 時間 最低 30分以上) 注:各超音波の理想的な出力は 100W以下 1:振動子が2個以上入れられる水槽と 脱気マイクロバブル発生液循環システム(注 次ページ)を用意する 2:水槽に40kHz以下の振動子と40kHzの振動子を入れる 3:40kHz以下の振動子による単独超音波照射を行う 4:40kHzの振動子による単独超音波照射を行う 5:水槽に40kHz以上の振動子と40kHzの振動子を入れる 6:40kHz以上の振動子による単独超音波照射を行う 7:40kHzの振動子による単独超音波照射を行う 第二段階(例 3 日間 1日あたり理想的には 2-3 時間 最低 30分以上) 注:各超音波の理想的な出力は 200W以上、300W以下 1:振動子が2個以上入れられる水槽と 脱気マイクロバブル発生液循環システム(注 次ページ)を用意する 2:水槽に40kHz以下の振動子と40kHzの振動子を入れる 3:40kHz以下の振動子による単独超音波照射を行う 4:40kHzの振動子による単独超音波照射を行う 5:水槽に40kHz以上の振動子と40kHzの振動子を入れる 6:40kHz以上の振動子による単独超音波照射を行う 7:40kHzの振動子による単独超音波照射を行う 注意:表面改質処理が終了していない状態で、1 日に 5 時間以上連続で 超音波照射を行うと、ひずみやゆがみの分布が広がり逆効果になります 適切な上記の操作・作業により、 超音波振動子の表面残留応力の分布が改良され 音圧レベルは高くなり、音圧の広がりも大きくなります (同時に、水槽表面も改質されます 改質された水槽を使用すると、 上記の操作は半分の日数と半分の時間で十分な効果として実現します) 4
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注意 基本的な振動子の超音波振動性能が良くなりますので 従来になかった問題が発生します 注意事項を次に説明します <イメージ> 大きな音を聞かせて作る楽器の手法!! 第三段階について 第三段階(例 3 日間 1日あたり理想的には 2-3 時間 最低 30分以上) 注:各超音波の理想的な出力は 100W以下 1:振動子が2個以上入れられる水槽と 脱気マイクロバブル発生液循環システムを用意する 2:水槽に40kHz以下の振動子と40kHzの振動子を入れる 3:2個の振動子による同時超音波照射を行う 4:水槽に40kHz以上の振動子と40kHzの振動子を入れる 5:2個の振動子による同時超音波照射を行う より効果的に行うためには、 出力設定や液循環の設定を10-30分毎に微調整する 注意:脱気マイクロバブル発生液循環システム 注:マグネットポンプを使用してください 推奨 イワキ マグネットポンプ MDシリーズ ホースタイプ 品番 MD-70RZ 5
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適切な液循環の設定(吸い込みと、吐出位置)により、 20μ以下のマイクロバブルが発生します。 脱気ファインバブル発生液循環システムに対して 超音波を照射すると ファインバブル(マイクロバブル)を超音波が分散・粉砕して バブルの測定を行うと ウルトラファインバブル(1μ以下のバブル)の分布量が ファインバブル(1μ以上)のバブルの分布量より多くなります 上記の状態が、超音波を安定して制御可能にした状態です。 注意事項 液循環の設定により脱気が進まないことがあります 原理と液の流れをよく検討してください (適切に行うと必ず脱気が進み、超音波の音圧変化が目視で十分判断できます) 6
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注意:超音波振動子の設置方法 超音波振動子は専用部材を利用して設置します (専用部材により、定在波、キャビテーション、音響流の利用状態を制御できます) ノウハウ:2種類のシリコーンを使用する(きれいに混ぜないこと) 7
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3:注意事項(振動子の大きなエネルギー発生による) 1:ボリューム調整 超音波の電源スイッチをONにする場合 原則として出力ボリュームを最小の状態にしてください 超音波の出力レベルが標準状態に比べて、高いので 突入電力により回路が壊れる場合があります 電源をOFFにする場合も 原則として出力ボリュームを最小の状態にしてください 表面改質処理後、1ヶ月間、適切に使用すると上記の注意は不要になります 2:水槽への洗浄液・・の追加 温度差(3℃以上)のある水を 水槽に<5リットル(総液量の3%)以上連続的に>追加する場合は 超音波は必ずOFFにして行うようにしてください 振動子に直接ぶつけるような流れは起こさないようにしてください 温度差が3℃以下であれば、 洗浄方法として音響流を利用する方法として問題ありません 振動子、発振機に対して 急激な負荷(熱応力・・)のかからないように使用してください 長期間(20年以上)安定して利用するための習慣にしてください 高い音圧で全体に広がる(ミックス)超音波照射状態!! 8
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4:効率よく改善するための工夫 4-1:水槽 4-2:振動子の設置 4-3:液循環 4-4:超音波の同時照射 4-5:間接容器の利用(周波数のシフト) 4-6:メンテナンス(保守) 4-7:長期的な改良サイクル 4-8:現状での最良な方法(技術) 9
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4-1:水槽 10
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ガラス容器の音響特性による超音波の変化を利用した表面処理 (ガラス容器の揺れによる超音波の、反射・透過・屈折) ステンレス容器による共振現象を効果的に利用する方法 (間接容器内に超音波振動子を入れる) 11
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4-2:振動子の設置::安価な方法 注:水槽底面に直接振動子を置くことは絶対に行わないこと 12
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4-3:液循環 ポンプの「吸い込み・吐出」位置と超音波の関係 低周波:28kHz < 50kHz < 高周波:72kHz 13
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4-4:超音波の同時照射 <新しい超音波の効果について>(ノウハウ) 振動子の上面の同心円状の波は、低周波(20-50kHz)の定在波です 高周波(50kHz以上)の出力を適切に調節することで うろこのようなキャビテーション模様を調節することができます 定在波もうろこ模様も無くなる状態が もっとも効率よくミックスした状態(音圧、周波数・・)だと考えますが 調整が「干渉して減衰する状態」の付近ですので注意してください 注:「干渉して減衰する状態」は音・水面・水槽の振動ですぐにわかります 14
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超音波の出力制御例 Aモード: 28kHz 160W、 72kHz 250W Bモード: 28kHz 0W、 72kHz 320W 15
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4-5:間接容器の利用(周波数のシフト) 音圧測定解析に基づいた表面改質技術 (水槽の改良状況の写真 超音波 72kHz 200-450W) 注:ガラス容器の効果(超音波の反射・屈折・透過)により、水槽の表面を改質します 詳細は、具体的な水槽に対しての設定になります 超音波システム研究所にお問い合わせください (水槽の改良状況の写真 超音波 28,40kHz 200-400W) 16
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4-6:メンテナンス(保守) (長期的な水槽改良のノウハウです!) 水槽や振動子の保守として、1ヶ月以上、放置状態にしないでください 長期間使用しない場合は以下のようにしてください 水槽(や間接水槽)の水滴を十分に拭き取ってください 注:間接水槽は写真のようにして底面の水滴をふき取ってください 使用状態の水槽底面に均一な負荷が発生するように固定して保存 水槽を立てかけたり横に置いたり(応力分布によるゆがみが発生) しないでください 17
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4-7:長期的な改良サイクル バリエーションのある利用とメンテナンスの組み合わせ 注意:これらは水槽の改良作業として行っています 洗浄作業に応用しても問題ありません 18
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<間接水槽の固定部材に関する参考写真> 19
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8:現状での最適化(技術) 1:均一な高い音圧レベルの超音波照射 2:複数の異なる周波数の超音波照射 を実現できる水槽と液循環 3:超音波照射(伝搬)状態の測定・解析 4:目的に合わせた治具開発 上記は理想的な条件です 上記の条件による方法を以下に提示します 具体的な方法 例 40kHzの振動子を改善する場合 1:振動子が3個以上入れられる超音波専用水槽を用意する 2:水槽に40kHzの振動子と28、72kHzの振動子を入れる <液面の高さは28kHz に合わせる> <液量は最大量に設定する> <各振動子の距離は10cm以上とする> 3:72kHzの振動子による単独超音波照射(出力 100W 以下)を行う 20-60 分 4:28kHzの振動子による単独超音波照射(出力 100W 以下)を行う 20-60 分 (水面の状態が単調であると判断した場合、液面高さの変更を行う) 5:72kHzの振動子による単独超音波照射(出力 100W 以上)を行う 20-60 分 6:28kHzの振動子による単独超音波照射(出力 100W 以上)を行う 20-60 分 7:40kHzの振動子による単独超音波照射(出力 100W 程度)を行う 10-20 分 <以上で 1 日目の操作終了> 水槽の水を抜く 20