Что такое сварка ультразвуком

Все чаще ультразвуковые колебания используются в различных сферах промышленной деятельности. При производстве сварочных работ, ультразвук позволяет повышать механические свойства швов, снижать уровень собственного напряжения материалов и их деформацию, которая наблюдается при традиционных сварочных работах.

Цикл проведения ультразвуковой сварки определяет применяемое оборудование, способ соединения и продолжительность импульса. Ультразвуковую сварку можно условно разделить на механическую и ручную, одностороннюю и двустороннюю, прессовую и непрерывную.

Работа с пластиковыми деталями

Ультразвуковая сварка пластмасс происходит за счет вызываемых искусственным путем механических колебаний, вызывающих нагрев в точке или зоне взаимодействия с материалом.

Сам процесс можно разделить на два этапа. На первом из них происходит нагревание материала, что приводит к диффузии в месте взаимодействия, а на втором образуются крепкие связи в свариваемых деталях, и за счет этого получается слитое, неразъемное соединение.

Как все происходит

Условно процесс ультразвуковой сварки можно разделить на следующие части:

  1. подключается генератор, способный выдавать электрические ультразвуковые колебания при частоте от 20000 Гц;
  2. применяется специальный преобразователь, который превращает сгенерированные ранее электрические колебания в продольные механические;
  3. перпендикулярно месту будущей точки сварки подключается волновод, который осуществляет продольные колебания;
  4. механическая энергия преобразовывается в волновую, материал переходит в текучее состояние за счет оказываемого статического давления (так обеспечивается надежная связь соединения);
  5. динамические усилия, прикладываемые к изделию, увеличивают температуру в месте нагрева.

Ультразвуковая сварка пластика происходит по аналогичной схеме. Помимо этого можно соединять между собой и другие материалы (как разнородные, так и однородные), обеспечивая необходимый уровень температуры плавления.

Ключевым моментом при таких работах является надежность и стабильность технологического процесса. Именно с этой целью для каждого случая проведения ультразвуковой сварки пластмасс оптимальный режим определяется отдельно.

Особенности

Основные особенности данного вида сварки состоит в том, что соединения возможно выполнять в самых труднодоступных точках изделий. Не имеет значения, в каком состоянии находится поверхность продукта (чистая или загрязненная). Исключается вероятность перегрева пластмассы за счет локального выделения тепла.

Надежные неразъемные соединения получаются даже на большом отдалении от точки ввода ультразвуковой энергии. Низкое время нагрева материала обеспечивает быстроту проведения сварки.

Работа с металлическими деталями

Благодаря легкости применения, ультразвуковая сварка металлов в последнее время начинает применяться все чаще. Есть у нее и ряд ряду преимуществ над контактной и холодной сваркой. Она является чрезвычайно полезной и при работе с микроэлектроникой.

Данная технология имеет некоторые схожие особенности с холодной сваркой сдвигом. Неразъемная связь металлов возникает за счет одновременного воздействия механических колебаний повышенной частоты и небольшого уровня сдавливающих усилий.

Ультразвуковую сварку металлов можно производить при более низком уровне температур, что дает возможность без ущерба соединять термочувствительные элементы.

Она позволяет сваривать между собой детали разной толщины и разнородности (например, сварить медь и алюминий, алюминий и никель и т.п.). Прочность, получаемая таким способом, достигает порядка 70% от прочности самого материала.

Металлические изделия можно также сваривать с композиционными, керамическими, стеклянными материалами, полупроводниками. Не менее успешно свариваются тугоплавкие металлы.

Специфика применяемого оборудования

Оборудование, применяемое для сварочных работ с ультразвуком, подразделяется на аппараты, которые обеспечивают точечную контурную прессовую, шовную и шовно-шаговую сварку.

Мощность таких машин колеблется в диапазоне от 100 до 1500 Вт, а работают они чаще всего на частоте 20000 – 22000 Гц.

Ключевым элементом конструкции оборудования можно назвать электромеханическую колебательную систему. Ее основным назначением является преобразование задаваемых генератором электрических колебаний в механические при неизменной частоте. Данная система определяет уровень и способ передачи энергии к точке сварки, устанавливает скорость осуществляемых колебаний.

Преобразователь

Важной частью ультразвукового аппарата для сварки является магнитострикционный преобразователь. Обычно его выполняют двухстержневым, используя для этого тонкие металлические пластины из магнитострикционного материала, что позволяет снизить потери.

Наиболее оптимальными материалами, из которых делают преобразователи, считаются сплавы железа и кобальта. Также достаточно часто для комплектации пакетов в магнитострикционных преобразователях используется никель.

Он обладает всеми необходимыми для этого свойствами (достаточное удлинение, высокая прочность, меньше подвержен коррозии и его легко паять). Обычно для охлаждения этого элемента используется проточная вода.

Трансформатор

Главной функцией трансформатора упругих колебаний является процесс согласования характеристик работы преобразователей и волновода.

Он позволяет повысить частоты колебаний на выходе волновода. Чаще всего применяются ступенчатые трансформаторы, которые обладают высоким коэффициентом усиления (от 4 до 6). \

Волновод-инструмент усиливает частоту сдвига выходного торца трансформатора и передает энергию к точке, в которой проводится сварочная работа. Его рабочая поверхность исполняется в той форме, которая оптимально подходит для свариваемой детали и типа применяемой ультразвуковой сварки.

Материал, который применяется для выполнения волновода и трансформатора, обязан иметь хорошие свойства упругости, низкую степень затухания, хорошую степень обрабатываемости с применением резания.

Не менее важной составной частью ультразвуковой машины является и опора. Она применяется с целью фиксации деталей при проведении сварочных работ. Иногда она может использоваться как элемент для нагрева и охлаждения, выполняться в виде датчика для более точного контроля над процессом сварки. Этот элемент оборудования должен иметь возможность для перемещения, для чего используется автоматический привод.

Выделение тепла

При проведении ультразвуковой сварки выделяется тепло в точке воздействия аппарата. Это происходит за счет образования трения между поверхностями контактируемых материалов, а так же за счет пластических деформаций, без которых любая сварка не обходится.

На повышение температуры в месте сварки влияет твердость материала, его тепловая емкость и тепловая проводимость. Особое влияние на нагрев оказывает режим сварки.

Стоит отметить, что рост температуры при ультразвуковой сварке сильно не сказывается на качестве соединения. Практические исследования показали, что наивысший уровень прочности достигается раньше, чем максимальная температура при этом процессе.

Если предварительно прогреть изделие, то это позволит уменьшить время пропускания ультразвуковых колебаний и приведет к повышению прочности получаемого при сварке соединения.

Преимущества и недостатки

При использовании данного вида сварки наблюдается высокий уровень производительности и низкий уровень затрат, напряжение не подводится непосредственно к точки сваривания, что позволяет избежать радиопомех.

Появляется возможность выполнять швы в разнообразных условиях и разных масштабов, совмещать несколько процедур (сваривать в одной точке и резать в другой). Если правильно подобрать режим сварки, то место соединения будет незаметно, кроме того, нет необходимости применять какие-то дополнительные реактивы или приборы.

По сравнению с вышеперечисленными плюсами ультразвуковой сварки, недостатки не выглядят так критично. Низкая мощность сварки вызывает необходимость использовать двухсторонний способ подвода энергии. Также нет возможности контролировать качество шва на достаточном уровне.

При выполнении сварочных работ своими руками нужно использовать табличные данные, в которых указаны все необходимые параметры, которые нужны для высококачественной ультразвуковой сварки.

Ограничения

Самым главным ограничением, на которое стоит обратить внимание, является размер изделий, свариваемых таким способом. Он не должна составлять более 250 мм (в длину, ширину, высоту).

Требование к размерам связано с тем, что выходная мощность датчика имеет свои пределы, нет возможности выдавать слишком большую мощность ультразвуковых волн, а так же с проблемами при контроле амплитуды колебаний.

Материалы, для соединения которых применяют ультразвуковую сварку, должны быть сухими. Иными словами иметь содержание влаги в них должно быть минимальным, иначе лучше использовать вибрационную сварку.

Для крепления толстостенных деталей не имеет смысла применять ультразвуковую сварку. Хотя бы один из соединяемых элементов должен быть легким, поскольку он поглощает в себя большое количество энергии.

Похожие публикации