超音波在高溫下之應用

第一章 緒論

1.1 前言

超音波是指任何聲波或振動，其頻率超過人類耳朵可以聽到的最 高 20kHz。但在工學的觀點，超音波技術定義為不以供人聽聞為目的 之音波應用技術，實用的超音波頻率範圍為數 kHz 至數 GHz，依目的 選用適當的頻率，常用的超音波範圍大多為數 MHz 以下[1]。

目前市面上可見的超音波產品包羅萬象，如家電產業(洗衣機、冷 氣機、眼鏡清洗機等)、金屬工業(熔接、焊接等)、生物醫療領域(超音 波檢驗、超音波碎石等)都能見到此技術的應用。在工業界上對於超音 波振動系統的設計和製作上，已累積相當多經驗，但卻無有系統且快 速解決的方法。

1.2 超音波在高溫下之應用

一般超音波用於工業上的應用有：超音波熔接、超音波成形加工 等。此類超音波振動加工均是將高頻電訊號輸入至換能器使電能轉換 為機械能，產生高頻的機械振動，最後再利用振幅放大器增加工具端 的振幅輸出，提升加工效率。在上述利用超音波輔助的加工法中，超 音波輔助成形加工主要是於成形期間將超音波振動的能量作用於模具

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或工件上，再進行成形，為一種複合成形之加工方式。成形加工時之 超音波振動，會引起模具與工件之間的摩擦力改變、提高工件表面的 溫度、使材料塑流應力及回彈量降低，並增加材料成形性，因此會達 到傳統塑性加工無法達到之加工成形界限。

近年來，超音波輔助加工不再只用於常溫下，應用於高溫下的製 程也越來越多，如塑膠熔接、金屬焊接、熱壓成形等。超音波塑膠熔 接有價格低廉、機台穩定且效率高、產品優良等優點；超音波金屬焊 接則不需加助熔劑、且熔接時間短、可用於大量生產。近年來，超音 波熱壓成形開始應用於塑膠以及玻璃等材料，殷[2]與鄭[3]將超音波振 動應用於光學玻璃熱壓成形，熱壓機台示意圖如圖 1-1，利用紅外線燈 管對模具端加熱，達到所需之溫度(玻璃轉換溫度以上)後進行熱壓，在 熱壓期間施加超音波振動，結束熱壓後，脫模降溫即可取出成品，流 程如圖 1-2，而圖 1-3 顯示了超音波熱壓成形之時間與溫度的關係。

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圖 1- 1：超音波輔助玻璃熱壓機台示意圖

圖 1- 2：超音波輔助玻璃熱壓流程示意圖

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圖 1- 3：超音波輔助熱壓成形之時間與溫度關係圖

將超音波振動應用於光學玻璃熱壓成形時，將可有效降低成形所 需之應力，並提高玻璃的成形性。文獻中亦針對有微結構之模具進行 熱壓實驗，發現超音波輔助熱壓會增加玻璃的微結構壓印之效能與品 質，故未來可將此技術應用於高精密光學元件的製造。