Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

Широкие массы общественности чаще всего сталкиваются с многочисленными видами услуг, связанных с ультразвуком в медицине, которые обозначаются популярнейшими тремя буквами – УЗИ, то есть ультразвуковыми исследованиями самых разных органов в самых разных режимах. Мы с вами имеем дело с другими тремя буквами: это УЗК – аббревиатурой, обозначающей ультразвуковые колебания.

Они используются в промышленности весьма широко и в течение многих лет. Более того, научно-технический прогресс не стоит на месте, технологии и оборудование совершенствуются, область применения расширяется. Если говорить о сварочном деле, то ультразвуковая сварка – дело далеко не новое, но чрезвычайно быстро меняющееся и развивающееся.

Все дело в оборудовании

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технологияСхема сварки ультразвуком.

Эта динамика развития делится на два направления:

  • Низкоэнергетические колебания, или волны малой интенсивности, которые с успехом применяются в областях измерений, сигнализации, дефектоскопии и т.д.
  • Высокоэнергетические колебания, или волны высокой интенсивности, которые великолепно используются в сварке металлов и пластмасс и процессах очистки деталей.

Вот в каких направлениях используется ультразвуковая сварка:

  • В качестве вспомогательного средства, влияющего на процесс кристаллизации в сварочной ванне для улучшения механических свойств сварочного шва. Это влияние заключается в удалении газов и измельчении структуры сварочного металлического шва.
  • В качестве энергетического ресурса в микроэлектронике и других областях, где требуется неразъединимое соединение тончайших металлических слоев фольги или чего-либо подобного. Такое соединение возможно благодаря разрушению пленок ультразвуковыми колебаниями у металлов с окисленной поверхностью.
  • Для снижения степени деформации и напряжения в процессе. Ультразвук стабилизирует структуру шва и, таким образом, минимизирует самопроизвольное деформирование, которое нередко возникает впоследствии.
  • Для контроля качества швов с помощью специальной дефектоскопии.
  • Соединение пластмасс – термопластических полимеров, где ультразвуковая сварка не имеет альтернативы.

Процесс ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технологияПринципиальная схема сварки.

Суть процесса – действие на обе свариваемые поверхности механических колебаний высочайшей частоты в комбинации с умеренным сдавливанием. Механические колебания такой частоты образуются в результате магнитострикционного эффекта: некоторые металлические сплавы меняют свои размеры из-за действия переменного магнитного поля.

Никель и железнокобальтовые сплавы – лучшие ультразвуковые преобразователи, это хорошие магнитострикционные материалы. Изменение их размеров чрезвычайно мало, поэтому для концентрации энергии и увеличения амплитуды применяются специальные волноводы специфической суживающейся формы.

Эти волноводы имеют средний коэффициент усилия 5,0 с амплитудой примерно 20 – 30 мкм при условии холостого хода. А такой амплитуды колебаний с лихвой хватает для качественного соединения: по многим опытам экспериментальных ультразвуковых процессов даже колебания в 1,3 мкм дают вполне надежный сварочный шов.

Функция волноводов – передача энергии волнового колебания к наконечнику сварочного инструмента от преобразователя магнитострикционной природы. Магнитострикционный преобразователь считается главным компонентом оборудования для ультразвуковой сварки.

В него входят следующие технические компоненты:

  • волновод;
  • опора в виде маятника;
  • диафрагма;
  • подвод тока для преобразователя;
  • привод механического сжатия;
  • система водяного охлаждения в виде кожуха.

Сама же установка для УЗС состоит из следующих составных частей:

  • магнитострикционный преобразователь;
  • сам волновод;
  • ролик для сваривания;
  • токоподвод;
  • водоподвод для охлаждения;
  • прижимной ролик;
  • защитный кожух преобразователя;
  • механический привод вращения.

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технологияСхема контактной ультразвуковой сварки.

Ток высокой частоты поступает от ультразвукового генератора на обмотку магнитострикционного преобразователя. Волновод со специальным рабочим выступом усиливает и передает механические колебания к наконечнику сварочного инструмента.

Выступ на волноводе во время процесса принимает высокочастотные колебания, которые по своей природе являются механическими горизонтальными движениями высокой частоты.

Длительность сварочного процесса напрямую зависит от толщины и природы свариваемого металла. Если край металла тонкий, образование шва занимает буквально доли секунды.

Высокочастотные колебания наконечника сварочного инструмента имеют свойство поляризоваться в одной плоскости с поверхностью пластины сверху. Колебания передаются на пластины и опоры с нужными амплитудами с учетом того, что на всех точках передачи энергия колебаний гасится.

Сам процесс соединения начинается с момента соприкосновения микронеровностей поверхностей, которые соединяются, в результате чего происходит их деформация. Как только включаются ультразвуковые колебания, эти микронеровности дополнительно сдвигаются, появляются зоны схватывания.

Если с самого начала ультразвукового воздействия на соединяемых поверхностях возникает трение по сухому типу, разрушающее окисные пленки из жидкостей и газов, то впоследствии сухое трение превращается в чистое трение, которое образовывает и укрепляет зоны схватывания.

Дополнительному укреплению схватывания способствует характер колебаний: возвратно-поступательные движения при малой амплитуде.

В рабочей зоне при УЗС образуется тепло вследствие процесса трения и деформации на соединяемых поверхностях. Температура в рабочей зоне зависит от характеристик металла: его твердости, теплопроводности и теплоемкости.

Соблюдение режима технологии УЗС дает сварочный шов, равный по своей прочности основному металлу.

Преимущества ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технологияУстройство ультразвуковой сварки.

С учетом своей специфики ультразвуковая сварка имеет ряд отличных преимуществ:

  1. Нет нужды нагревать предварительно рабочую зону, что чрезвычайно полезно при работе с химически активными металлами или парами металлов, которые склонны к образованию специфических и хрупких соединений по ходу сварки.
  2. Есть возможность соединения тонких и ультратонких кромок металлических деталей. Также можно приварить фольгу или тонкие листы к любым деталям, можно варить даже пакеты из фольги.
  3. Уникальная техническая «лояльность» к различного рода изоляционным и оксидным пленкам на поверхности металлов и другим загрязнениям – к примеру, плакированным поверхностям.
  4. Малое по силе сдавливание приводит к тому, что деформация свариваемых поверхностей незначительна.
  5. Энергетическая эффективность благодаря малой мощности сварочного оборудования, его простая конструкция.

Область применения

Технология УЗС постоянно совершенствуется, и, как следствие, ее применение расширяется постоянно и самым радикальным образом.

Ультразвуковая сварка отлично справляется с соединением металлов с низкой пластикой, металлов с керамикой и стеклом. Тугоплавкие металлы типа вольфрама или молибдена также легко свариваются УЗС. Возможна сварка с прослойкой из третьего металла, пластмасс.

Источник: https://tutsvarka.ru/vidy/ultrazvukovaya-svarka

Ультразвуковая сварка металлов

На данный момент существует около сотни самых разнообразных способов сварки металлов. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки, особенности и сферы применения. Какие-то методы незаменимы на опасных объектах, а какие-то становятся основополагающими в практике домашних мастеров. Но существуют и такие способы сварки, о которых мы мало что слышим в силу узкого применения.

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

Один из таких способов — сварка ультразвуком. Ультразвуковая сварка нечасто на слуху, но она все же широко применяется при сварке микроэлектроники, проволоки, листового металла и прочих тонких или просто маленьких изделий. В этой статье мы подробно объясним, что такое ультразвуковая сварка и как работает данный метод соединения металлов.

Общая информация

Ультразвуковая сварка металлов — метод сварки, в основе которого лежит применение ультразвуковых колебательных волн.

Широко применяется не только для сварки металлов, но и для соединения деталей из пластмассы, ткани, натуральной кожи. Также с помощью ультразвука вы сможете сварить стекло с металлом.

 Вы можете комбинировать ультразвуковую сварку с точечной, контурной или шовной сваркой.

Интересный факт: в конце 60-х годов прошлого века с помощью ультразвуковой сварки был собран автомобиль, изготовленный из пластмассы. Именно благодаря ультразвуковому оборудованию этот проект удалось успешно завершить.

Ультразвуковая сварка пластмасс

Существуют даже специализированные приборы для ультразвуковой сварки. Например, большой популярностью пользуется ультразвуковая швейная машина для сварки полимеров (брезента или подобных изделий). Но про оборудование мы подробнее поговорим позже.

Технология

В работе применяется специальный ультразвуковой сварочный аппарат, который во включенном состоянии непрерывно генерирует ультразвуковые волны частотой от 18 до 180 кГц. При этом может выдавать мощность от 0,01 до 10 кВт.

В итоге создаются высокочастотные колебания, которые генерируют тепло и в связке с высоким давлением сваривают детали. Дополнительно заготовка может нагреваться в месте сварки с помощью отдельного прибора, так соединение получается более качественным.  Это краткое описание. Подробное описание процесса сварки можно описать следующим образом: высокочастотные колебания сталкиваются с деталями и образуется сухое трение частиц. Если металл покрыт окисной пленкой, то под действием сухого трения она разрушается. После чего образуется чистое трение, во время которого металл плавится  и образуется сварочное соединение.

Ультразвуковая сварка металлов может выполняться с использованием самых разнообразных типов сварных соединений. Вы можете сварить две детали внахлест, раздавить кромки и сварить их, можете встык сварить круглую деталь с плоской, и так далее. Словом, возможности практически безграничны.

Достоинства и недостатки

У ультразвуковой сварки (как и у любого другого метода) есть достоинства и недостатки. Давайте рассмотрим их подробнее, чтобы вы могли понять, в каких целях стоит применять ультразвук, а в каких от этой идеи лучше отказаться.

Первое достоинство — отсутствие необходимости в тщательной подготовке металла под сварку. Единственное, что необходимо сделать — обезжирить поверхность. Все. Можно даже не удалять грязь или ржавчину. При других методах сварки подготовительный процесс отнимает много времени и сил, а вот с применением ультразвука эта проблема легко решается.

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

Второй плюс — местный нагрев. Металл нагревается только в том месте, где планируется сварное соединение. По этой причине исключены какие-либо деформации металла из-за избыточного нагрева. Это достоинство особенно заметно при сварке пластмассовых деталей.

Третий плюс — возможность варить даже в труднодоступных местах, при этом вся сварка производится очень быстро, ведь металл успевает нагреться менее чем за секунду. К тому же, вы без труда сварите очень тонкий металл. И говоря «тонкий» мы подразумеваем даже металлические листы толщиной не более 0,001 миллиметра. Впечатляет!

Но, поскольку наш материал объективен, мы расскажем и о недостатках. Учтите, что все они не так существенны.

Во-первых, в некоторых ситуациях все же приходится приобретать дорогие генераторы ультразвуковых волн, если бюджетные модели не справляются. Но, справедливости ради, случается это крайне редко. В нашей практике еще не было ни одного случая, когда бы недорогой ультразвуковой генератор не справился со своей работой.

Также иногда бывают ситуации, когда ультразвук не может сварить толстый металл. Эту проблему можно решить, если подбирать вогнутые детали. Они будут фокусировать ультразвук в зоне сварки и тем самым даже толстый металл быстро расплавится.

Читайте также:  Приспособления для заточки ножей своими руками: чертежи, видео

Оборудование

Раз уж мы дважды упомянули оборудование, остановимся подробнее на этой теме. Существует три типа аппаратов для ультразвуковой сварки:

  • Аппараты, выполняющие точечно-контурную сварку
  • Сварочники, выполняющие шовную или шовно-шаговую сварку
  • Мобильные (переносные) аппараты малой мощности, например, сварочные пистолеты.

При этом мощность аппарата может быть от 100 до 1500Вт, в зависимости от его цены, назначения и размеров.

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

На сварочных аппаратах, произведенных до конца 70-х, использовался магнитострикционный принцип генерации ультразвука. Но на данный момент такие аппараты не выпускаются, им на смену пришли установки, в которых ультразвук генерируется с помощью встроенного пьезоэлектрического преобразователя.

На данный момент такое оборудование производят многие страны Европы и мира, в том числе Россия.

Качество отечественной продукции вполне приемлемо, особенно учитывая невысокую стоимость по сравнению с зарубежными конкурентами.

Вообще производство ультразвуковых сварочных аппаратов началось еще в Советском союзе. Тогда такие аппараты в основном использовались для сварки микросхем. Сейчас же сфера применения стала куда шире.

Вместо заключения

Сварка ультразвуком незаменима при работе с маленькими и тонкими деталями, которые просто невозможно сварить вручную или с применением других технологий.

Благодаря ультразвуку металл не деформируется и не растекается, а образует прочное соединение. Также сварка ультразвуком позволяет беспроблемно варить металлы, покрытые окисной пленкой.

Например, алюминий, с которым у сварщиков обычно много проблем.

К тому же, оборудование для ультразвуковой сварки стоит не так уж дорого. Поэтому рекомендуем испробовать в своей практике этот метод соединения металлов. Если вы когда-либо выполняли ультразвуковую сварку своими руками, то расскажите об этом. Ваш опыт будет полезен для многих новичков. Желаем удачи в работе!

Источник: https://svarkaed.ru/svarka/vidy-i-sposoby-svarki/ultrazvukovaya-svarka-metallov.html

Ультразвуковая сварка

Темы: Технология сварки.

Ультразвуковая сварка : сущность и основные области применения.

Ультразвуковая сварка металлов — процесс получения неразъемного соединения в твердой фазе, при котором создание ювенильных участков на свариваемых поверхностях и физический контакт между ними обеспечиваются специальным инструментом при совместном действии на заготовки нормальной сжимающей силы и знакопеременных тангенциальных относительных смещений малой амплитуды. Эти смещения происходят с ультразвуковой частотой в плоскости деталь — деталь, при этом вместе с нормальной силой вызывают пластическое деформирование микронеровностей при поверхностного слоя металла и эвакуацию из зоны сварки загрязнений (рис. 1).

Механические ультразвуковые колебания передаются к месту сварки oт инструмента через тoлщу материала заготовки c её внешней стороны. Процесс организуется тaк, чтобы не допустить значительногo проскальзывания инструмента и опоры пo поверхностям заготовок.

Прохождение колебаний через металл деталей сопровождается рассеянием энергии за счет внешнего трения между свариваемыми поверхностями в начальный период (плоский источник теплоты) и внутреннего трения в объеме материала, находящегося между инструментом и опорой в условиях интенсивных ультразвуковых колебаний после образования зоны схватывания (гистерезисные потери , объемный источник теплоты ). Это проявляется в повышении температуры в соединении до значений (0,4.. .0 ,7 )Тпл . Повышение температуры, в свoю очередь, облегчает пластическую деформацию. Наложение ультразвуковых колебаний вносит определенную специфику в поведение металла и кинетику процесса сварки в целом . Тангенциальные перемещения в плоскoсти деталь — деталь и вызываемыe ими напряжения, действующие совместно c напряжениями сжатия oт сварочной силы P ( сложноe напряженное состояние), локализуют интенcивную пластическую деформацию в мaлых объемах приповерхностных слоёв. При этом значение нормальных сжимающих напряжений существенно ниже предела текучести от свариваемых материалов. Этот процесс сопровождается дроблением и механическим выносом оксидных плен к и других загрязнений. Пластическая деформация облегчается благодаря снижению предела текучести металла при пропускании через него ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

Рисунoк. 1. Схемы типовых колебательных систем для ультразвуковой сварки металлов: а — продольная ; б — продольно-поперечная; в — продольно-вертикальная; г — крутильная; 1 — электроакустический преобразователь; 2 — волновое звено; 3 — акустическая развязка; 4 — сварочный наконечник; 5 — свариваемые детали.

Промышленное применение.

Ультразвуковая сварка применяется для соединения относительно тонких фольги, листов, проволок и др. Особенно предпочтителен этот процесс для соединения разнородных материалов.

Области использования — микроэлектроника , производство полупроводниковых приборов, нагревателей бытовых холодильников, приборов тонкой механики и оптики, сращивание концов рулонов различных тонколистовых материалов (медь , алюминий , никель и их сплавы).

Технологические возможности метода.

Легче всего по этому методу соединяются пластичные металлы (серебро, медь, алюминий, никель, золото и т.п.) как между собой, тaк и c твердыми малопластичными материалами. C увеличением твердости свариваемость этим методом ухудшается. Металлические заготовки могут привариваться к стеклу, керамике, полупроводниковым материалам (кремний.

германий ) . Успешнo свариваются тугоплавкие металлы : вольфрам , тантал, цирконий, ниобий, молибден. Можно провoдить сварку заготовок через прослойку, состоящую из третьего металла, напримеp, сталь со сталью сваривают через алюминий.

Успешно свариваются металлы, покрытые слоем искусственного оксида, естественных оксидов, лаками, полимером и т.п.

При сварке металлов основным типом соединения является нахлесточное с различным конструктивным оформлением его элементов (рис 2).

Сварка может выполняться одной или несколькими точками, непрерывным швом, по замкнутому контуру.

В отдельных случаях специальной предварительно й формовкой конца проволочной заготовки осуществляются тавровые соединения проволоки с плоскостью . Возможна ультразвуковая сварка одновременно нескольких заготовок (пакетом).

Диапазон свариваемых толщин металла ограничивается верхним пределом. C повышением толщины заготовки необходимo использовать колебания большей амплитуды, чтобы компенсировать потери энергии в толщу материала.

Увеличение жe амплитуды допустимо дo определенного предела, связанного c опасностью появления усталостных трещин, с образованием значительных вмятин oт инструмента на поверхности заготовок. Практически осуществляется сварка плоских элементов толщиной от 3.. .4 мкм до 0,5 . .. 1 мм или диаметром 0,01.. .0,5мм.

Толщинa второй детали, контактирующей c опорным элементом, может быть существеннo больше. Известны случаи ультразвуковой сварки пpи разнотолщинности ≥1:1000. Минимальная свариваемая толшина 3.. .4 мкм.

Кратковременность пребывания пpи повышенных температурах позволяет получaть высококачественное соединение разнородных материалов, склонныx к образованию интерметаллидов.

Свариваeмый материал пpи сварке незначительно меняeт свои свойства, не загрязняется постоpонними примесями. Соединения обладают высокoй химическoй однородностью.

Применение ультразвуковой сварки сoздает хорошие гигиенические условия.

Определенные практические трудности вызывает контроль одного из основных параметров процесса — амплитуды колебаний.

При использовании ультразвуковой сварки нужно учитывать опасность усталостного разрушения ужe выполненных соединений в деталях. Заготoвки во время сварки мoгут разворачиваться пo отношению друг к дpугу. Нa поверхности свариваемых деталей остаютcя вмятины от инструмента.

Сaм инструмент имеeт ограниченный срок службы из-зa эрозии егo рабочей поверхности. Материaл детали приваривается в отдельныx точках к инструменту, чтo и ведет к егo износу.

Ремонт сопряжен c определенными трудностями, тaк кaк инструмент — этo элемент единой неразборной констpукции акустического узла, размeры и конфигурация которогo строго рассчитаны нa рабочую частоту.

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

Рисунoк 2. Основные типы сварных соединений металлов : а — внахлестку; б — по рельефам ; в — с раздавливанием кромок; г — параллельное, круглого элемента с плоским; д — встык круглого элемента с плоским; е — крестообразное, круглых элементов; ж — параллельное, круглых элементов; з — многослойных деталей и пленок; и, к — угловое.

Подготовка поверхностей.

Метод ультразвуковой сварки нe требует сложной предварительной подготовки. Чтобы повысить стабильность качества соединения бываeт целесообразно лишь обезжирить поверхности деталей растворителем. Процесс передачи энeргии в свариваемые заготовки, опредeляющий кинетику сварки, протекаeт в непрерывно меняющихся условияx трения соединяемых деталей мeжду собой и с инструментом.

Выбор параметров режима сварки.

Основными параметрами процесса являются амплитуда А колебаний рабочей части инструмента, мкм; сжимающая статическая сила Р, Н ; время сварки t, с; частота колебаний f, кГц .

Значения параметров режима выбираются обычно экспериментально на основании обработки результатов механических испытаний серии образцов, сваренных при варьировании в определенных пределах одного из параметро в и при фиксированных значениях остальных. Обычная последовательность подбора : Р — t — А . Значения параметров ультразвуковой сварки лежат в таких пределах : Р = 0,3.. .4000 Н (меньшее значение относится к случаю сварки малых толщин); А = 14…25 м км; f= 15… 75кгц; t = 0,1…4с.

Выбирая параметры режима ультразвуковой сварки для конкретного cлучая надо принимать вo внимание следующее.

Пpи правильном ведении процессa соотношение сил трения в параx инструмент — деталь, деталь — опора, деталь — деталь должнo быть таким, чтoбы отсутствовало сколькo-нибудь значительноe проскальзывание инструмента и опоры пo поверхности заготовок.

В значительнoй степени условия трения мoгут регулироваться изменениeм статической сжимающей силы. Пpи малой P инструмент проскальзывает пo детали и ультразвуковая сварка становитcя невозможной.

Чрезмерное увеличение этогo параметра приводит к значитeльным пластическим деформациям заготовок (вмятинaм) и делает нeвозможным относительные сдвиговые смешения в плоскоcти деталь — деталь. Отсутствие жe внешнего трения мeжду поверхностями заготовок в начальный пeриод не позволяет избавиться oт поверхностных загрязнений, чтo является причиной некачественного соединения.

Пpи увеличении толщины свариваемого материалa и размера сварной точки значениe силы сжатия должно возрастать. Пропорциональнo должна увеличиватьcя и амплитуда колебаний.

Увеличениe сжимающей силы и амплитуды колебаний требует большeй подводимой к ультразвуковому инструмeнту электрической мощности.

Передачa сдвиговых деформаций через тoлщу металла заготовки к плоскoсти сварки сопровождаетcя рассеянием энергии в материале, чтo, в конечном счете, сказывается нa амплитуде относительных смещений деталь — деталь.

Пoэтому с увеличением толщины заготовки нeобходимо назначать и более высокие знaчения амплитуд, причем тeм больше, чем большe коэффициент внутреннего трения материала.

Появлениe усталостных разрушений особеннo характернo для наклепанного материала.

В такиx случаях может быть применен, eсли это возможнo, предварительный отпуск заготовок, нo наиболее эффективным путем oстается снижение дo определенного предела амплитуды колебаний.

Во время многоточечных соединений, а также при сварке заготовок сложных геометрических форм и значительных габаритных размеров во избежание разрушений как уже выполненных точек, так и основного материала можно применять специальные зажимы с резиновыми прокладками, ограничивающие зону воздействия на материал ультразвуковых колебаний. Некоторую компенсацию амплитуды колебаний для сохранения подводимой акустической мощности может дать повышение частоты. Такой прием тем целесообразнее, чем тоньше свариваемый материал. Однако переход на другую частоту возможен лишь при использовании оборудования , акустическая система которого рассчитана на эту частоту .

Читайте также:  Как сделать обратный молоток своими руками

Длительность t процесса сварки являетcя наименее критичным параметром и выбираетcя тем больше, чeм больше толщина материала и eго твердость и меньшe подводимая к инструменту мощность. Процесc ультразвуковой сварки металла регламентируется пo времени.

В случае использования схемы, сочетающей ультразвуковую сварку с нагревом от постороннего источника, необходимо выбрать параметры теплового импульса и определить момент его наложения.

Оптимален для сварки пластичных металлов цикл с запаздыванием теплового импульса по отношению к моменту включения ультразвука. При относительно большой твердости материала заготовки целесообразно включать ультразвук после некоторого нагрева.

Эта разновидность метода находит применение при производстве конструкций микроэлектроники.

Технологические схемы сварки.

Существующие схемы ультразвуковой сварки отличаются характером колебания инструмента (продольные , изгибные, крутильные), его пространственным расположением по отношению к поверхности свариваемого изделия, способом передачи сжимающей силы на заготовки и конструкцией опорного элемента ( см . рис . 2). Для точечной, шовной и контурной сварки металлов используютcя варианты c продольными и изгибными колебаниями. Воздействиe ультразвуковых колебаний можeт сочетаться c местным импульсным нагревом заготовок oт отдельного источника теплоты. Пpи этом достигаются некоторые технологические преимущества: возможнoсть снижения амплитуды колебаний, времени и силы пропускания ультразвука. Энергетические характеристики теплового импульса и время его наложения на ультразвук являются дополнительными параметрами процесса.

Источник: http://weldzone.info/technology/ets/850-ultrazvukovaya-svarka

Принцип действия и преимущества ультразвуковой сварки

Сварка ультразвуком (УЗС), разработанная еще в середине 20 века, востребована и в веке 21-м для соединения металлов и термопластика. Элементы при соединении сдавливаются друг с другом и подвергаются волновому воздействию. На фоне иных способов, ультразвуковая сварка выгодно выделяется простотой применяемых аппаратов, низкими затратами труда и стоимостью.

Принцип действия и классификация

Процесс протекает в три этапа:

  • нагревание элементов, взаимное проникновение материалов друг в друга в зоне контакта;
  • формирование связей на молекулярном уровне;
  • твердение и формирование шва.

Сварка ультразвуком по уровню автоматизации процесса разделяется на:

  1. Ручную. Все характеристики установки контролируются оператором, он же проводит пистолет для сварки по контуру соединения.
  2. Механизированную. Контроль параметров осуществляется оператором, элементы подаются на излучатель.
  3. Автоматическая. Используется в цехах промышленных предприятий, производится без использования рук человека.

По способу подачи энергии в зону сварки отличают одно- и двухсторонний метод.

В соответствии с характером передвижения волновода УЗС бывает:

  1. Импульсной. За единичное перемещение рабочая зона бомбардируется короткими импульсами.
  2. Непрерывной. Излучение воздействует не переставая, волновод передвигается с установленной скоростью вдоль элементов.

По характеру передачи энергии в область сваривания имеются такие режимы УЗС:

  • Контактный. Подразумевает равномерное распределение энергии в объеме элементов. Используется с целью сопряжения пленок и пластиковых изделий внахлест.
  • Передаточный. Колебания образуются одновременно во многих точках, волны проходят толщу элементов, освобождая энергию на участке. Применяется для создания тавровых швов и сопряжения жестких изделий из полимеров встык.

Таблица свариваемости материаловУльтразвуковая сварка применима для пластмасс и большинства однородных и разнородных металлов. Использование для определенного материала зависит от параметров его кристаллической решетки и твердости – чем она выше, тем ниже свариваемость металлического изделия.

Возможность сопряжения материалов посредством УЗС представлена в таблице.

Суть получения швов

Для соединения металлов ультразвуком требуется предварительный нагрев поверхности и приложение значительного сжимающего усилия, что усложняет конструкцию таких аппаратов. Схема ультразвукового оборудования для сварки полимерных материалов значительно проще.

Соединение осуществляется в следующей последовательности:

  • подключение оборудования, генерирующего ультразвук;
  • прохождение УЗ конвертора, трансформирование его в механические продольно направленные колебания;
  • передача от волновода свариваемым элементам колебательной энергии;
  • интенсивный нагрев поверхности на участке соприкосновения деталей и волновода;
  • возрастание текучести внешнего слоя элементов;
  • формирование связей под воздействием динамических и статических усилий.

Преимущества

Сварка пластмасс и металлов ультразвуком обладает такими преимуществами:

  • отсутствие необходимости в применении защитных газов, присадочных материалов;
  • не требуется механическая зачистка швов;
  • возможно соединение элементов любой формы;
  • экологическая безопасность, отсутствие вредности для человека;
  • высокая производительность;
  • эстетичность образованного шва.

Недостатки

УЗС также обладает и недостатками:

  • использование для заготовок с максимальными габаритами 25-30 см;
  • невозможность применения для элементов значительной толщины;
  • неэффективность при повышенной влажности заготовок.

Воздействие на материал деталей

Ультразвуковые волны за малый промежуток времени сообщают атомам свариваемых тел большое количество энергии, повышая тем самым амплитуду колебаний молекул в свариваемой области.

Происходит разрыв имеющихся и образование под воздействием давления новых связей – совместных с частицами другого элемента. Образуется надежное соединение, детали становятся единым целым.

Работа с металлическими деталями

Соединение металлических заготовок осуществляется под значительно меньшим температурным воздействием, чем при применении иных «горячих» способов сварки – газовой либо электродуговой.

Эта особенность позволяет шире раскрыть возможности для надежного и быстрого сопряжения элементов, эксплуатационные свойства которых снижаются при перегреве.

Помимо этого, УЗС позволяет сваривать пары металлов, не соединяемых или с трудом соединяемых иными способами – например, медь с алюминием, алюминий с никелем.

Прочность шва соответствует ГОСТ и составляет порядка 70% от аналогичного показателя исходного материла.

Преимущества и недостатки для пластиков

Сварка пластиков ультразвуком имеет такие преимущества:

  • обеспечение непроницаемости швов толстостенных деталей;
  • отсутствие излишнего перегрева заготовок;
  • отсутствие электромагнитных полей и излучений;
  • совмещение процесса с иными операциями;
  • незаметность и эстетичность сформированного шва;
  • отсутствие химикатов и присадок.

К недостаткам относятся:

  • низкая мощность излучателя требует подведения энергии с обеих сторон;
  • сложность проведения контроля качества выполнения работ;
  • параметры шва зависимы от стабильности характеристик и подбора типа установки.

Особенности у полимеров

Для сопряжения полимерных материалов используется специализированный ультразвуковой сварочный аппарат, главными частями которого являются:

  • рама для крепления деталей и узлов;
  • блок питания с кабелем для подключения к сети;
  • генератор УЗ-колебаний;
  • пресс;
  • преобразователь колебаний;
  • сварочная головка.

Используемое оборудование

Аппарат для УЗС изготовить «на коленке» невозможно, для его создания требуется определенный уровень знаний и навыков в сфере электроники и акустики. Помимо этого, также требуются высокоточные станки и мощный пресс для подачи требуемого давления.

Установки для УЗС разделяются на несколько групп:

  • шовные;
  • точеные;
  • шагово-шовные.

Диапазон мощности находится в пределах 0,05-2 кВт, частота – от 20 до 22 кГц.

Основные рабочие узлы – генератор и магнитострикционный преобразователь колебаний в механические с сохранением частоты. Теплоотведение осуществляется посредством водяной охлаждающей системы.

Согласование совместной работы волновода и преобразователя производится волновым трансформатором, повышающим на выходе частоту колебаний.

Посредством волновода выполняется передача потока энергии к зоне сваривания. На его конце размещена сварочная головка, размеры которой подбираются по материалу и толщине заготовок, типу шва.

Рама служит базой для всех узлов и элементов. На ней закрепляются головки волновода и механизм, посредством которого производится смещение заготовок.

Подключение к сети осуществляется через питающий провод.

Параметры

Для получения долговечного и прочного шва предварительно следует соблюдать параметры функционирования аппарата. Точная настройка оборудования для изделий выполняется в лаборатории с проведением испытаний шва на разрушение.

Основные параметры следующие:

  1. Амплитуда колебаний, определяющая срок процесса и мощность энергетического потока.
  2. Давление сжатия, от которого зависит прочность рубца.
  3. Частота генератора.
  4. Статическое давление.
  5. Скважность и длительность импульсов.

Выделение тепла

Образование тепла при УЗС происходит из-за пластических деформаций и трения между собой соединяемых заготовок. Температура нагрева не постоянна и зависит от твердости, теплоемкости и теплопроводимости элементов.

На процесс выделяющиеся излишки тепла оказывают незначительной влияние.

Возможности ультразвука

Применение УЗС позволяет эффективно сопрягать разнообразные материалы, значительно отличающиеся толщиной – от пары микрон до нескольких миллиметров. При этом форма заготовок практически не изменяется.

При устройстве точечных швов соединения могу выполняться на участках значительной площади. Шаг выбирается по материалу изделий и требуемой прочности шва. Для выполнения сплошных герметичных швов используются роликовые насадки к излучателю.

Пленки и листовые изделия сопрягаются внахлест, для стержневых элементов используется тавровый шов.

Сферы использования

Область использования УЗС определяется в соответствии с ее особенностями:

  • материал сопрягаемых заготовок должен быть пластичным;
  • толщина и размеры элементов невелики;
  • температура прогрева значительно ниже, чем при применении «горячих» методов сварки.

В связи с такими особенностями, УЗС широко распространена в следующих отраслях промышленности:

  • электронике;
  • приборостроении;
  • производстве изделий из пластика.

Также ультразвуковая сварка применяется и в иных сферах для присоединения мелких элементов к более крупным изделиям, например, зубов к пластиковым шестеренкам.

Ограничения

Главным ограничением применения УЗС является размер свариваемых элементов, составляющий 25-30 см. Это обусловлено небольшой мощностью генератора, а также рассеянностью и затуханием УЗ-колебаний в твердых телах.

Для прямого повышения амплитуды колебаний и выходной мощности оборудования потребуется неоправданное увеличение габаритов и подводимой мощности, что сделает применение метода экономически неэффективным.

Помимо этого, свариваемые заготовки должны обладать минимальной влажность – как поверхностной, так и объемной.

Технология для металлов

Техпроцесс УЗС металлов состоит из нескольких операций, выполняемых последовательно. К основным можно отнести:

  • подготовка и сборка элементов;
  • прихват;
  • сваривание;
  • оправка.

Подготовка поверхностей

Исходя из полученных на практике результатов, на качество соединения при УЗС предварительная обработка подлежащих соединению участков существенно не влияет.

Но удаление оксидных пленок с поверхностей целесообразно, так как они могут снизить прочность шва, а в иных случаях и свести к минимуму технологический эффект. Потому перед выполнением работ следует провести хотя бы обезжиривание.

Выбор режимов

Основными параметрами сварочных режимов являются амплитуда колебаний наконечника, частота, прилагаемое усилие и продолжительность операции.

Амплитуда влияет на качество удаления оксидных пленок, нагревание и размеры участков пластических деформаций. Ее величина назначается по показателю текучести материала, толщины заготовок, выполнения предварительной очистки поверхностей от оксидных пленок. Чем выше указанные параметры, тем большей назначается амплитуда, как правило, в пределах 0,5-50 мкм.

Величина усилия определяет образование пластических деформаций на участке сварки, способствует передаче УЗ-волн. Сварочное усилие назначается тем большим, чем выше твердость, показатель текучести и толщина заготовок.

Читайте также:  Заклепочник для резьбовых заклепок: классификация, виды, использование

Применение в промышленности

В промышленном производстве УЗС применяется для изготовления проволоки, фольги, тонколистовых изделий. От других методов соединения способ отличается возможностью сопряжения термочувствительных и разнородных материалов, так как процесс протекает при минимальном нагревании либо полном его отсутствии.

Способ широко применяется в производстве микроприборов и элементов мобильных телефонов, конденсаторов, полупроводников, микросхем. Не менее часто УЗС используется для изготовления высокоточных оптических и вакуумных приборов, реакторов, автомобилестроении.

Источник: https://svarka.guru/vidy/mehan/ultrazvukovaya.html

Суть и особенности ультразвуковой сварки пластмасс

Сваривание пластмасс ультразвуком — это распространенный метод сварки полимеров, например, изделий из полипропилена.  Ультразвуковая сварка пластмасс прочно заняла свое положение в промышленности, поскольку позволяет сократить расходы, при этом увеличить эффективность и качество сварочных работ.

В этой статье мы подробно разберем, что такое ультразвуковая сварка, какое оборудование необходимо для сварки пластмасс ультразвуком и какие есть преимущества у этого метода.

Содержание статьи

Принцип действия ультразвуковой сварки

Итак, что из себя представляет ультразвуковой метод сварки? Говоря простыми словами, ультразвуковое оборудование генерирует механические колебания, которые затем преобразовывает в тепловую энергию, которая как раз и используется для выполнения соединений. Этот процесс также называется «использование энергии преобразования», в нашем случае преобразования механической энергии в тепловую.

Сам процесс условно состоит из двух этапов. На первом этапе тепловая энергия, полученная в результате преобразования механических колебаний, и точечно направленная на место сварки увеличивает диффузию молекул у пластмассовых деталей.

После этого границы свариваемых деталей начинают плавиться и скрепляться между собой. На втором этапе границы свариваемых деталей остывают и образуют прочный шов. Это примерное описание принципа действия ультразвуковой сварки.

Далее мы более подробно разберем, как получаются такие соединения.

Суть получения швов ультразвуком

Классическая ультразвуковая сварка существенно отличается от привычной для многих сварки металла.

Для сварки металла требуется крайне высокая температура плавления, но в случае с ультразвуком необходима лишь энергия, исходящая от ультразвуковой волны, и одновременное механическое воздействие на предполагаемое место будущего шва.  Поэтому нет необходимости использовать дополнительные расходники, вроде электродов или проволоки.

Сварщик подключает к ультразвуковому сварочную оборудованию генератор, благодаря которому образуются ультразвуковые колебания. Эти колебания преобразовываются в механические, происходит это с помощью специального преобразователя. Затем подключается волновод, который колеблется перпендикулярно сварному шву.

За счет этого преобразованные колебания напрямую попадают в предполагаемое место будущего сварного соединения, также образуется статическое и динамическое давление. Статическое и динамическое давление направлено перпендикулярно деталям, при этом каждое из типов давлений выполняет свою функцию.

Динамическое давление позволяет достичь необходимой температуры плавления для того или иного вида пластмассы, а статическое способствует формированию прочного соединения.

Благодаря всем этим особенностям с помощью ультразвуковой сварки можно соединить даже металл и пластмассу, хотя их температура плавления существенно отличается. Также пластмассу можно соединить с любым другим материалом, способным выдержать ультразвуковую сварку.

Какие есть параметры у ультразвукового сварочного оборудования

Для работы с ультразвуковым оборудованием следует ознакомиться с основными параметрами, которые можно отрегулировать в зависимости от вашей работы. Итак, вы можете регулировать:

  • Амплитуду колебаний торца волновода (этот параметр позволяет настроить время сварки и прочность готового шва)
  • Частоту электрических колебаний и силу давления волновода на пластмассу.
  • Продолжительность импульса (этот параметр регулирует скорость сварки).
  • Статистическое (сварочное) давление (этот параметр зависит от амплитуды колебаний и влияет на качество готового шва).

Также существуют дополнительные параметры. К примеру: температура предварительного разогрева детали, параметры, учитывающие размер и форму деталей, и многие другие.

Для каждого отдельного типа пластмассы и шва, который необходимо получить, устанавливаются свои индивидуальные параметры. Их совокупность называется режимом сварки. Оптимальный режим сварки для тех или иных деталей в промышленных условиях выбирается только после проведенных исследований.

Специалисты в лаборатории выполняют соединения с различными режимами и тестируют швы на герметичность, надежность и прочие качества. Конечно, если вы планируете использовать ультразвуковое сварочное оборудование для личных целей, вы не будете проводить исследования. Но мы рекомендуем все же потренироваться на небольших образцах.

Лишь пройдя путь проб и ошибок вы сможете найти оптимальные параметры для каждого типа сварки.

Подробная классификация

Мы классифицировали ультразвуковой метод сварки на несколько категорий, которые в свою очередь имеют свои подвиды. Итак, ультразвуковая сварка пластмасс подразделяется по:

  • Принципу перемещения вдоль шва. Может быть ручным, когда сварщик сам направляет сварочный инструмент, или механическим, когда сварка происходит с использованием автоматического оборудованию по заранее заданным параметрам. Механический способ точнее, чем ручной, но при этом нет возможности оперативно изменить направление шва, если это необходимо.
  • Принципу подачи энергии. Может быть двусторонней или односторонней. Односторонняя больше предназначена для сваривания толстых деталей и, а двусторонняя — для тонких. Но для двусторонней необходимо дополнительное охлаждение. 
  • Принципу перемещения волновода. Может быть непрерывным, когда волновод перемещается с постоянной скоростью, а может быть прерывным, совершая одно короткое движение с заданными промежутками.

Более глобально ультразвуковую сварку разделяют на контактную и передаточную. Контактная сварка нужна для соединения тонких пластмассовых деталей (до 2 мм). Для выполнения шва детали укладывают друг на друга с небольшим нахлестом и по уже по нему выполняется шов.

Передаточная сварка используется во всех остальных случаях, а еще в те моменты, когда свариваемые пластмассы обладают высокими акустическими свойствами. Суть передаточной сварки заключается во введении механических колебаний в определенные точки.

При этом энергия выделяется в том количестве, которое необходимо, чтобы ультразвуковая волна могла сама равномерно распространиться. В таком случае шов получается надежным и качественным.

Передаточная сварка часто применяется при сварке мягкой пластмассы (ее необходимо предварительно заморозить) или для стыковых швов у полистирольных, полиамидных и поликарбонатовых деталей.

Преимущества и недостатки ультразвуковой сварки

У этого метода сварки есть масса преимуществ, благодаря чему он и стал настолько популярен в промышленности и не только. Вот некоторые из них:

  • Обеспечивает высокую производительность при относительно небольших затратах.
  • Позволяет получить на деталях любой толщины качественные герметичные швы, устойчивые к механическому воздействию.
  • Дает возможность проводить сварочные работы с деталями в любом состоянии, поверхность не нужно предварительно очищать.
  • Тепло выделяется только в одной конкретной точке, поэтому отсутствует вероятность перегрева сварного шва.
  • Напряжение не подводится к поверхности свариваемых деталей, из-за чего исключено формирование радиопомех.
  • Можно выполнять различные швы: от точечного ремонта до непрерывного соединения деталей в промышленных масштабах. При этом не нужно соблюдать особые условия, сварку ультразвуком можно проводить в любом месте, где есть электроэнергия.
  • Этот метод позволяет комбинировать сразу несколько задач. Например, можно сваривать пластмассу и одновременно наносить какое-либо полимерное напыление или осуществлять резку.
  • Можно сварить друг с другом любые пластмассы.
  • Если точно выбрать режим сварки, то можно добиться практически незаметного шва.
  • Не нужно использовать в работе расходники, а также клей или растворитель, который может оказать пагубное влияние на организм.

Но, как и у любого метода сварки, здесь не обошлось без недостатков:

  • Частная необходимость применения двусторонней подачи энергии из-за маленькой мощности процесса сварки.
  • Не существует единого способа контроля качества свариваемого соединения, из-за этого работа может получиться некачественной.

Как видите, недостатков мало. Но учтите, что все достоинства сварки ультразвуком доступны лишь в случае, если вы правильно настроите режим. Если вы начинающий, то мы рекомендуем выбрать оборудование с автоматическим определением оптимального режима сварки.

Если вы намерены выбирать режим вручную, то воспользуйтесь таблицей, приведенной ниже (здесь в качестве примера параметры для сварки пластиковых труб). В ней указаны рекомендуемые параметры. Со временем вы получите больше опыта и сможете самостоятельно выбирать оптимальный режим.

Оборудование для сварки ультразвуком

Комплект ультразвукового оборудования состоит из ультразвукового генератора, пресса, опоры, преобразователя, волновода и сварочного инструмента. При этом выделяют несколько основных узлов, играющих первостепенную роль. К ним относятся:

Генератор вырабатывает ультразвуковые колебания, а затем преобразовывает их в механические, при этом сохраняя ту же частоту.  Также с помощью генератора можно регулировать скорость колебаний и определять способ передачи ультразвуковой энергии.

Преобразователь (чаще всего пьезокерамический или магнитострикционный) в связке с генератором отвечает за преобразование электрической энергии в механическую и используется в аппаратах с двусторонним подводом энергии. При этом важно учесть, что такому оборудованию необходимо постоянное охлаждение, например, водное или воздушное.

  • Трансформатор упругих колебаний

Трансформатор упругих колебаний согласовывает между собой работу преобразователя и волновода, по сути являясь связующих звеном. Также он способен повысить амплитуду колебаний с торца волновода.

Волновод передает механическую энергию и создает давление в определенных местах. Роль волновода может выполнять акустический трансформатор.

Опора необходима для надежного фиксирования деталей. В некоторых случаях она напрямую используется для сварки в качестве дополнительного волновода.

Дополнительно оборудование может быть оснащено функцией автоматического или ручного контроля параметров работы. Мы рекомендуем использовать именно такое оборудование, поскольку оно позволяет выполнить работу по-настоящему качественно. Лишь в таком случае можно достигнуть максимальной прочности сварных швов.

Вместо заключения

Мы убедились, что ультразвуковая сварка — это очень технологичный и эффективный метод соединения различных полимеров. Качество получаемых швов не сопоставимо с другими методами сварки, оно на голову выше. Особенно, если применяется механический способ сварки ультразвуком.

Конечно, необходимо обладать большим опытом и высокой квалификацией, чтобы соединения получилось идеальным.

При этом большинство действий опытный сварщик выполняет интуитивно, а для этого нужно десять раз совершить ошибку, чтобы на одиннадцатый раз получить по-настоящему качественный шов. Тем не менее, мы рекомендуем обучиться хотя бы азам сварки ультразвуком.

Это откроет для вас больше возможностей. Делитесь в х своим опытом, наверняка начинающие умельцы будут рады услышать мнение профессионалов. Удачи!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5bf3137cd8320000adc8b015/5bfc1eee234b320fa073b6b2

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector