Как использовать ультразвуковую сварку

Ультразвуковая сварка Виды и способы сварки

Ультразвуковая сварка не предполагает плавления металла. Этим она выгодно отличается от газовой, электродуговой и контактной. Данное преимущество особенно востребовано при производстве мелких изделий, например микросхем.

Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка не плавит металл.

Кратко об ультразвуке

Механическое воздействие на твердую, жидкую или газообразную среду приводит к возникновению в ней области сжатия, распространяющейся во все стороны за счет упругих сил.

Серия таких волн образует звук. В процессе их распространения частицы среды совершают механические колебания вдоль направления движения импульса.

Данное явление характеризуется 2 физическими величинами:

  1. Количеством волн, проходящих через точку среды за единицу времени (частотой). Эта величина определяет тон звука.
  2. Амплитудой колебаний частиц. Зависит от интенсивности излучения (силы звука).

Приставка «ультра» означает, что частота колебаний превышает порог слышимости человека (18 кГц).

За счет чего происходит сварка

Заготовки сращиваются под влиянием 3 факторов:

  • ультразвуковых колебаний;
  • сжатия с усилием 10-200 кгс;
  • предварительного нагрева.
Происходит сварка
Заготовки сращиваются под влиянием ультразвуковых колебаний.

Последний применяют только в отношении толстостенных заготовок и материалов с повышенной твердостью.

Принцип действия

Сварка ультразвуком основана на явлении рекомбинации. Оно заключается в разрыве одних жестких связей между атомами и молекулами твердого тела и возникновении других. Интенсивность процесса растет с увеличением амплитуды колебаний частиц. В «горячих» технологиях сваривания им для этого сообщают тепловую энергию, в данном методе — воздействуют звуком.

Схема
Схема ультразвуковой сварки.

Слияние материалов происходит в следующем порядке:

  1. Производимые звукогенератором волны «раскачивают» молекулы одной из заготовок.
  2. Жесткие связи между некоторыми из них разрушаются.
  3. Одновременно возникают новые с молекулами второй заготовки. Этому способствует оказываемое на изделие давление.

Выделение тепла во время процесса

В зоне соединения наблюдается нагрев заготовок. Он обусловлен следующими причинами:

  • пластической деформацией;
  • звуковыми колебаниями;
  • трением заготовок друг о друга из-за вибраций.
Выделение тепла
Нагрев заготовок обусловлен пластической деформацией и звуковыми колебаниями.

Тепло выделяется в количестве несоизмеримо меньшем, чем при газовой или электродуговой сварке. К нему чувствительны только наиболее тонкие заготовки. Для работы с ними сварочный аппарат оснащают системой охлаждения. В большинстве случаев ее приходится применять при 2-сторонней сварке.

Трение соединяемых поверхностей одна о другую приводит к разрушению оксидных и прочих пленок. Эта особенность позволяет исключить из технологического процесса предварительную зачистку заготовок, хотя она все же остается желательной. Образованию поверхностной окисной пленки наиболее подвержен алюминий.

Виды УЗС

Данная методика включает в себя несколько направлений. Они отличаются видом оборудования, способом применения ультразвука и пр.

Прерывная и непрерывная

Непрерывная технология предполагает безостановочное движение рабочего органа вдоль области соединения с неизменной скоростью и постоянным воздействием ультразвука. Образуется сплошной герметичный шов, востребованный, например, при изготовлении надувных изделий или пластиковой упаковки.

В прерывистом методе рабочий орган тоже движется равномерно, но звук излучается короткими импульсами.

Точечная сварка

Выставив излучатель в нужную позицию, производят импульс. Затем смещают рабочий орган на некоторый шаг, прижимают к деталям и снова активируют ультразвуковой генератор.

Точечная сварка
Точечная сварка устанавливается в нужную позицию.

Точечная сварка позволяет быстро выполнить соединение на большой площади. Расстояние между точками определяется требуемой прочностью шва.

Роликовая сварка

Используется автоматизированное оборудование. Детали перемещаются между роликами, один из которых является излучателем.

Роликовая
Для роликовой сварки используют автоматизированное оборудование.

Данный способ обеспечивает высокие точность и качество соединения.

Сварка по контуру

Детали соединяют по замкнутой линии любой конфигурации. По способу подачи энергии различают 2 разновидности сварки:

  1. Контактную. Предполагает равномерное распределение импульса по всему поперечному сечению заготовки. Метод используют для соединения внахлест пленок и деталей толщиной до 1,5 мм из мягкой пластмассы.
  2. Передаточную. Применяют для соединения жесткого пластика с высокими модулем упругости и коэффициентом затухания ультразвуковых колебаний. Импульс генерируется в нескольких точках.
Сварка по контуру
Детали соединяют по контуру любой конфигурации.

Применение сварки ультразвуком

Данный метод создания неразъемных соединений используется при производстве:

  1. Деталей и схем электроники. Формируют полупроводниковые p-n переходы, подсоединяют выводы микросхем и т.д.
  2. Игрушек.
  3. Упаковки.
  4. Товаров широкого потребления с тонкостенными элементами. Например, с помощью УЗС изготавливают оправы очков.
  5. Аккумуляторов, батареек.
  6. Фреонопроводов в холодильных камерах.
  7. Медицинских изделий.
  8. Автомобильных узлов.

Также данный метод применяют для устройства электрических и теплопроводных соединений.

Возможности ультразвуковых волн

Метод позволяет соединять заготовки из следующих материалов:

  • металлов;
  • пластмассы;
  • стекла;
  • ткани;
  • кожи;
  • керамики;
  • композитов.
Применение сварки
Метод позволяет соединять пластмассу.

Минимальная толщина изделия составляет 1 мкм. Например, в микроэлектронике методами УЗС к проволоке приваривают фольгу.

Ультразвук позволяет соединять разнородные материалы, например металл и стекло. Распространяясь по изделию, волны проникают в любые места, в т.ч. наиболее труднодоступные.

Установленные ограничения

Соединяют заготовки со следующими параметрами:

  1. Толщиной до 1,5-2 мм.
  2. Размерами не более 25-30 см.

Ограничения обусловлены затуханием звуковых колебаний в материале. Применение метода для соединения крупногабаритных заготовок является экономически нецелесообразным из-за непропорционального увеличения мощности оборудования.

Прочность получаемых швов

Сопротивление разрыву в зоне соединения достигает 70% величины, свойственной основному материалу. Для этого следует подобрать оптимальные параметры процесса.

Прочность получаемых швов
Для образования соединения требуется около четверти секунды.

Используемое в работе оборудование

Машина для УЗС состоит из следующих компонентов:

  1. Генератора ультразвука.
  2. Трансформатора упругих колебаний (бустера).
  3. Волновода (сонотрода). Может снабжаться наконечником.
  4. Опоры (наковальни).
  5. Охлаждающей установки.
  6. Блока питания.

Дополнительные узлы (присутствуют на некоторых моделях):

  1. Пресс, развивающий усилие до 200 кгс.
  2. Кронштейн для фиксации машины над рабочей зоной.
  3. Выносной блок управления.
  4. Роликовый механизм.
Оборудование
Машина для УЗС состоит из генератора ультразвука.

Оборудование делится на:

  1. Механизированное. Машина поддерживает параметры на заданном пользователем уровне, специальное устройство подает деталь под наконечник.
  2. Автоматизированное. Применяется на крупносерийном производстве. Участие оператора не требуется, все операции, в т.ч. выбор и ввод параметров, машина выполняет самостоятельно.
  3. Ручное. Исполнитель сам контролирует параметры процесса и ведет наконечник волновода вдоль шва. Выпускаются переносные модели.

Мощность аппаратов для УЗС составляет 100-1500 Вт.

Изменяемые параметры

Перед началом работы в настройках задают следующие величины:

  1. Частоту ультразвука.
  2. Амплитуду колебаний. Зависит от интенсивности излучения.
  3. Длительность импульса.
  4. Прижимное усилие (на моделях с прессом).
Изменяемые параметры
Перед началом ультразвуковой сварки задают настройки прибора.

В некоторых случаях дополнительно вводят:

  1. Температуру предварительного нагрева заготовок.
  2. Высоту установки наконечника.
Оптимальное значение каждого параметра устанавливают в лаборатории опытным путем. Варят пробные образцы на разных настройках, затем подвергают их испытаниям на прочность. Комбинацию, давшую наиболее стойкое соединение, переносят на производство.

Как работают сварочные машины

Принцип действия оборудования выглядит так:

  1. Блок питания преобразует сетевой ток в высокочастотный. Обработка осуществляется в 2 этапа. Сначала выпрямитель превращает сигнал в постоянный, затем инвертор (электронный узел под управлением микросхемы) — в переменный с заданной частотой. Показатель в десятки кГц обеспечивают быстропереключающиеся транзисторы.
  2. В генераторе ультразвука пьезоэлектрический преобразователь превращает ток в механические колебания той же частоты. Стандартом являются 20 или 40 кГц, реже используют 60. В исследовательской практике частоту повышают до 180 (кГц).
  3. Трансформатор упругих волн увеличивает амплитуду колебаний в 5 раз. Для сваривания материалов она должна достигать 10-15 мкм. Трансформатор может дополняться концентратором.
  4. Импульс передается по волноводу к заготовке.

При 2-сторонней сварке опора, на которой лежат детали, выступает в роли второго волновода.

Инструкция: как вести процесс ультразвуковой сварки

Оператор действует в следующем порядке:

  1. Включает машину.
  2. Фиксирует одну из заготовок на опоре.
  3. Устанавливает в проектное положение привариваемую деталь. Их может быть несколько.
  4. Опускает на заготовки пресс со сварочным наконечником.
  5. Подает команду на генерацию импульса.
  6. Поднимает пресс.
  7. Визуально оценивает качество шва.
Процесс ультразвуковой сварки
Процесс ультразвуковой сварки проходит в определенном порядке.

Непрерывная сварка производится в том же порядке, только после опускания пресса оператор активирует роликовый механизм для перемещения деталей под наконечником.

Волновод ручного аппарата снабжен пистолетом. Оператор прижимает его к заготовке и нажатием курка активирует генератор. Оптимальное усилие подбирают опытным путем.

Особенности работы с металлами

Соединение металлических заготовок должно совершаться при повышенных температуре и давлении. Поэтому перед сваркой их подвергают индукционному нагреву, а на прессе устанавливают следующее прижимное усилие (кгс):

  • для алюминиевых деталей толщиной 0,1 мм — 7-15;
  • для титановых размером 0,2 мм — 40.

Метод позволяет соединять тугоплавкие сплавы, а также пары металлов, плохо совместимые при других способах сваривания. Например, алюминий с медью или никелем.

Полимеры и иные материалы

Соединение пластмасс и композитов производят без предварительного нагрева. На прессе устанавливается относительно небольшое прижимное усилие. Например, для сварки полиэтиленовой пленки толщиной 0,02 мм оно составляет 1,5 кгс.

Полимеры
Полимеры производят без предварительного нагрева.

Если используется металлизированная версия материала, усилие повышают до 15 (кгс).

Плюсы ультразвуковой сварки

К достоинствам метода относят:

  1. Высокую скорость. Операция длится менее 3 секунд, что сравнимо только с контактной сваркой.
  2. Низкие энергозатраты.
  3. Отсутствие потребности в расходных материалах. Не нужны присадочный материал, флюс или защитный газ, как в электродуговой технологии.
  4. Отсутствие деформаций. Обусловлено низкой температурой нагрева.
  5. Высокое качество шва. Прочность сочетается с аккуратным внешним видом — отсутствуют валик и окалина. В зоне соединения образуются зерна небольшого размера, что придает стыку пластичность.
  6. Возможность соединять детали любой конфигурации.
  7. Отсутствие вредных для здоровья испарений.
  8. Низкие требования к квалификации сварщика.
  9. Возможность соединять заготовки без зачистки поверхности. Требуется только обезжиривание.
  10. Малую допустимую толщину детали — до 1 мкм.
  11. Широкий перечень соединяемых материалов.
  12. Возможность сваривать разнородные вещества.
  13. Отсутствие электромагнитного излучения и наводок, вызванных протеканием тока в детали.

Недостатки УЗС

К недостаткам технологии относят:

  1. Ограничения по размеру заготовок.
  2. Высокую стоимость оборудования.
  3. Чувствительность к влажности.
  4. Следы от прижатого с большим усилием инструмента. Остаются на пластике и других мягких материалах.
Недостатки УЗС
К недостаткам метода относят ограничения размера заготовок.

С развитием технологий стоимость оборудования снижается.

Ограничения по толщине в некоторых случаях удается преодолеть за счет придания заготовке особой формы. В результате возникает эффект акустической линзы: волны не рассеиваются, а фокусируются в нужной точке.

Частые дефекты

В большинстве случаев приходится сталкиваться со следующими нарушениями:

  1. Подрезами. Представляют собой канавки вдоль шва.
  2. Непроваром.
  3. Свищами. Представляют собой трубчатые полости в материале, образованные выходящим газом.
  4. Прожогами.

Подрезы образуются в мягких материалах из-за сильного давления наконечника. Сечение детали в этом месте уменьшается, а с ним и прочность. Кроме того, канавка служит концентратором напряжения, что повышает вероятность разрушения. Для предотвращения появления подрезов требуется качественно заточить рабочий торец волновода или наконечника.

Свищи появляются при заваривании банок с жидким продуктом. Об их наличии свидетельствует туман, окружающий стык в процессе обработки. Причиной является «ультразвуковой ветер» — движение воздуха от излучателя, вытесняющее жидкость из емкости. Необходимо подобрать оптимальную комбинацию параметров в соответствии с вязкостью продукта.

Непроваренные участки появляются при заниженной интенсивности излучения, не соответствующей размерам заготовок. В большинстве случаев подобные дефекты возникают при сваривании деталей с разной толщиной стенки. Интенсивность излучения настраивают на минимальный размер. Когда волновод подходит к более толстому участку, ее оказывается недостаточно. Требуется изменить конструкцию изделия либо применить программируемую машину с возможностью регулировки параметров в процессе выполнения шва.

Прожоги возникают по следующим причинам:

  • неправильная настройка системы охлаждения;
  • прилипание размягченного полимера к волноводу.

Опытным путем было установлено, что наиболее качественные швы получаются при наличии насечек или накатки на торце наконечника. Выступы необходимо скруглить, чтобы избежать внедрения инструмента в материал.

Полезная литература

Для освоения УЗС рекомендуется ознакомиться со следующими источниками:

  1. В. Ю. Вероман, А. Б. Аренков: «Ультразвуковая обработка материалов».
  2. И. Г. Хорбенко: «Ультразвук в машиностроении».
  3. И. Д. Клеткин, В. П. Полухин и др.: «Ультразвуковая сварка при изготовлении одежды».

Полезно иметь справочники с указанием оптимальных параметров для разных условий сварки.

svarkaved.ru
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.

Adblock
detector