Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Сегодня повсеместно в производстве применяется ультразвуковая сварка, активно она используется в автомобильной, авиационно-космической, электротехнической промышленности, в производстве бытовой электроники, холодильных установок, аккумуляторных батарей, в солнечной энергетике.

В системах ультразвуковой сварки высокочастотная электрическая энергия преобразуется в механические колебания в преобразователе. Частота генерируемого ультразвука составляет от 20 кГц. Ультразвуковая металлическая сварка (УЗС) – это диффузионный процесс в твердом состоянии при одновременном воздействии на свариваемые поверхности высокочастотных колебаний, прижимного давления и теплового воздействия. Высокочастотные колебания, приложенные под нагрузкой, разрушают поверхностные пленки и оксиды, образуя чистое, контролируемое, диффузионное сварное соединение (рис. 1).

Происходит сухое и чистое трение, в результате которого образуются узлы прихватывания. Атомы свариваемых деталей образуют между собой связи, что и создает такое соединение.

УЗС - соединение металлов в твердом состоянии за счет возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний ультразвуковой частоты при одновременном создании определенного давления. При ультразвуковой сварке необходимые условия для образования соединения создаются в результате механических колебаний ультразвукового преобразователя. Энергия вибрации создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. Когда они превышают значение предела упругости соединяемых материалов, происходит пластическая деформация в зоне их соприкосновения. В результате пластической деформации происходит удаление адсорбированных пленок жидкости, газов, органических пленок и поверхностных окислов и образуется сварное соединение. В процессе деформирования происходит увеличение площади непосредственного контакта, что обеспечивает получение прочного соединения.

Преимущества сварки ультразвуком:

Физические основы применения ультразвука для сварки

Для проведения сварочных работ необходимо следующее оборудование:

Основные функции технологического процесса возложены на механическую колебательную систему. Она выполняет такие технологические этапы:

В качестве источника механических колебаний выступает электромеханический преобразователь из веществ, обладающих магнитострикционными свойствами. Это может быть никель, титан бария. В таких веществах переменное электромагнитное поле создаёт механические напряжения, что вызывает упругие деформации. Далее энергия концентрируется и предаётся к сварочному наконечнику — волноводу, а амплитуда механических колебаний увеличивается. Если приложить колебания ультразвуковой частоты к деталям, в них возникнут касательные напряжения. Эти напряжения вызывают пластические деформации материала, из которого изготовлены свариваемые детали.

Механические колебания с частотой свыше 20 кГц в точках соприкосновения со свариваемым материалом являются источниками повышения температуры из-за сил трения. Соединяемые детали сближаются на расстояния, при которых в силу вступают силы межатомного взаимодействия. После сближения свариваемых деталей, соединение происходит за счёт тепловой диффузии атомов поверхностных слоёв.

Основные характеристики ультразвукового сварочного оборудования:

Выше перечисленные параметры допускают сварку детали толщиной около 2 мм, но при этом второй элемент может иметь и большую толщину, которая иногда превышает в 1000 раз.

Основные схемы процесса сварки ультразвуком

УЗС выполняется на специальных установках, в которых встроен генератор электромагнитных волн высокой частоты. Также в установке имеется механическая колебательная система, аппаратура управления процессом сварки и привод, создающий давление на сварное соединение. Основные схемы установок для ультразвуковой сварки металлов представлены на рис. 2.

Трансформирование электромагнитных волн в механические колебания и подача их в зону сварки осуществляется с помощью колебательной системы. Основным узлом колебательных систем является преобразователь (поз. 1). Преобразователь производит механические колебания. При помощи волноводного звена (поз. 2) происходит передача энергии к сварочному наконечнику (поз. 4) и увеличивается амплитуда колебаний, по сравнение с амплитудой исходных волн преобразователя. Преобразователь трансформирует сопротивление нагрузки и концентрирует энергию в заданной области сварного соединения (поз. 5). При помощи акустической развязки (поз. 3) от корпуса машины, почти вся энергия механических колебаний преобразовывается и концентрируется на участке контакта. Сварочный наконечник является проводным волноводным звеном между нагрузкой и колебательной системой. С его помощью задаётся необходимая площадь и объём непосредственного источника ультразвуковых колебаний в зоне сварки.

Для получения механических колебаний высокой частоты обычно используется магнитострикционный эффект, заключающийся в изменении размеров некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля. Для ультразвуковых преобразователей обычно используют чистый никель или железокобальтовые сплавы. Размеры магнитострикционных материалов изменяются незначительно, поэтому для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний, а также для подачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы или концентраторы, которые в основном имеют сужающуюся форму. Эксперименты показывают, что для сварки металлов достаточно иметь волноводы с коэффициентом усиления около 5, при этом амплитуда на конце волновода должна быть 20...30 мкм. Магнитострикционный преобразователь и волноводы должны быть рассчитаны на заданную частоту ультразвукового генератора.

УЗС может быть: точечной, многоточечной, рельефной, шовной.

На рис. 3. приведены основные узлы машины для выполнения шовных соединений с помощью ультразвука. Изделие, подлежащее соединению, зажимают между вращающимся роликом волновода и холостым роликом. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на ролик, который вращается вместе с волноводом. Изделие, зажатое между роликами, перемещается, и одновременно создается герметичное соединение.

УЗС нашла достаточно широкое применение для соединения тонких деталей из однородных и разнородных материалов в приборостроении и радиоэлектронной промышленности. Сварка ультразвуком позволяет соединять различные металлы: алюминий, медь, никель, ниобий, тантал, молибден, вольфрам удовлетворительно свариваются высоколегированные стали. При этом прочность сварных точечных соединений достаточно высока, разрушение соединений происходит обычно с вырывом точки по контуру как при испытании на срез, так и при испытании на отрыв.

Ультразвуковая микросварка

Одной из разновидностей ультразвуковой сварки является УЗ микросварка (рис. 4). Её используют в микроэлектронике. Когда монтируются полупроводниковые кристаллы, между контактными площадками и выводами создаются проволочные или ленточные перемычки, которые обеспечивают электрическое соединение.

Сваривать сверхтонкие детали можно только с помощью ультразвука, контролируя с помощью специальной установки его параметры:

Операция сварки основан на взаимодействии электронов со смежными молекулами, соединение тонкой проволоки происходит на уровне атомов методом диффузии. Современные аппараты для ультразвуковой микросварки позволяют максимально снизить трудоемкость процесса и расширить круг материалов, которые можно сваривать таким методом. Сварка с применением ультразвука используется не только для металлических деталей, но и для изделий из пластика при наложении точечных швов.

УЗС пластмасс, сущность и схемы процесса

Электрические колебания ультразвуковой частоты (18-50 кГц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические продольные колебания магнитострикционного преобразователя и вводятся в свариваемый материал с помощью инструмента – волновода, расположенного перпендикулярно свариваемым поверхностям (рис. 5). Часть энергии механических колебаний трансформируется в тепловую, что приводит к нагреву зоны контакта соединяемых деталей до температуры вязкотекучего состояния.

Такая схема ввода энергии применяется для УЗС пластмасс в отличие от сварки металлов, где колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление прикладывается перпендикулярно к ним. Подвод энергии УЗ колебаний осуществляется за счет контакта излучающей поверхности рабочего торца волновода с одной или несколькими свариваемыми деталями. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст рабочего торца волновода на свариваемые детали. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединения.

Динамическое усилие F, возникающее в результате колебаний волновода, приводит к нагреву свариваемого материала, а действие статического давления Рст обеспечивает получение прочного сварного соединения. Подвод энергии может быть односторонним и двусторонним.

Нагрев обусловлен поглощением энергии механических колебаний в объеме материала. Наиболее активное поглощение энергии колебаний и превращение её в теплоту. Самая большая неоднородность имеет место на границе контакта свариваемых деталей, поэтому скорость нарастания температуры на границе раздела выше, чем в объеме материала.

Кроме того, возникающие при сварке поперечные УЗ колебания могут вызывать поверхностное трение на границе раздела, что также способствует быстрому нагреву материала в этой зоне. Образующаяся мягкая прослойка снижает коэффициент трения, однако сама является средой, интенсивно поглощающей механические колебания.

На границе раздела могут возникать значительные динамические напряжения, что приводит к интенсивному разогреву и оплавлению микронеровностей. Следовательно, образование сварных соединений при УЗС возможно без проплавления всего объема материала.

Роль УЗ колебаний состоит и в том, что под действием мощных импульсов УЗ частоты происходит, не только нагрев и выравнивание поверхностей, но и разрушение, и удаление различных поверхностных пленок и загрязнений. В значительной степени УЗС отличается от других способов также и в отношении физико-химических процессов, протекающих на границе раздела. Во-первых, воздействие колебаний на расплав полимера значительно ускоряет процесс диффузии молекул. Во-вторых, при УЗС происходит интенсивное перемешивание расплава за счет возвратно-поступательного движения излучателя. При движении вперед волновод выталкивает полимер, а при его движении назад в область разрежения, образующуюся на границе раздела, втягиваются новые порции полимера, которые вовлекаются в движение при следующем ходе поверхности излучателя.

Вышесказанное полностью относится к сварке жестких полимерных материалов таких как, полистирол или полиметилметакрилат, обладающих высоким модулем упругости и низким значением коэффициента затухания. Жесткие полимеры хорошо свариваются контактной и передаточной сваркой. Максимальная температура развивается в плоскости контакта свариваемых деталей. Мягкие пластмассы: полиэтилен высокого и низкого давления, полиамиды характеризуются малым модулем упругости и высоким значением коэффициента затухания. При их сварке происходит разогрев верхней детали и её деформация. Толщина верхней детали не должна быть больше 1-5 мм.

Промежуточное положение занимают полужесткие пластмассы: полипропилен, не пластифицированный поливинилхлорид, поликарбонат, обладающие худшими упругими свойствами по сравнению с жесткими. Эти полимеры прекрасно свариваются контактной сваркой, однако передаточная сварка их затруднена из-за большой потери энергии и разогрева верхней детали.

По основной схеме осуществляется подвод энергии к свариваемым деталям и при сварке с присадочным материалом (рис. 6). Здесь статическая и динамическая силы воздействуют на присадочный материал, уложенный в V-образную канавку между свариваемыми деталями. Воздействие УЗ колебаний на пруток приводит к его пластикации, а под действием статического давления пластифицированный материал заполняет разделку, образуя прочное соединение. Для получения протяженных швов сварочную головку перемещают вдоль присадочного прутка. По этой схеме можно получать стыковые, тавровые и угловые соединения различных листов на большой протяженности и выполнять сварку однослойных и многослойных листов большой толщины (до 10 мм) и протяженности по прямолинейному, криволинейному и замкнутому контурам.

Близка к описанной выше схема, разработанная применительно к сварке мягких пластмасс типа полиэтилен (рис. 7). Здесь соединение образуется за счет расплава, выдавливаемого инструментом из зоны контакта вспомогательных технологических термопластичных деталей, играющих роль присадочного материала (сварка вытесненным расплавом).

Передача энергии в зону сварки

По характеру передачи энергии к границе раздела и распределения её по свариваемым поверхностям узс может быть разделена на контактную и передаточную. Возможность передачи механической энергии к зоне сварки зависит от упругих свойств и коэффициента затухания колебаний в свариваемых материалах.

Контактная ультразвуковая сварка.

Если полимерный материал обладает низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить только на малом удалении от плоскости ввода колебаний. Контактная УЗС обычно применяется для соединения изделий из мягких и полужестких пластмасс, таких как полиэтилен, полипропилен, а также пленок и синтетических тканей небольшой толщины - от 0,02 до 5 мм. При сварке этим способом обычно применяют соединения внахлестку (рис. 8).

Так как плоскость контакта волновод – полимер располагается на незначительном расстоянии от плоскости раздела свариваемых материалов, определяемом толщиной верхней детали, контактную ультразвуковую сварку иногда называют «ближней».

Концентрация энергии в зоне сварки

Передача энергии механических колебаний в зону сварки является необходимым, но не достаточным условием образования сварного соединения. Установлено, что развитие и образование сварного соединения зависит от степени концентрации напряжений в зоне сварки и может быть интенсифицировано за счет создания искусственных концентраторов напряжений. Наиболее распространенным способом сварки с использованием искусственных концентраторов является сварка с разделкой кромок, причем лучшие результаты получают, когда одна из деталей имеет V-образный выступ. В зависимости от режима процесса и угла разделки сварка может протекать с преимущественным оплавлением выступа или внедрением его в другую деталь.

Соединения, выполненные с преимущественным оплавлением, нашли применение при изготовлении изделий, которые в процессе эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам, таких как бачки, шаровые емкости и т.п. Соединения, полученные с преимущественным внедрением V-образного выступа в деталь, используются при изготовлении декоративных изделий, сувениров, корпусов приборов бытовой техники и т.п., так как они характеризуются минимальным гратообразованием.

Другой путь повышения концентрации энергии на стыкуемых поверхностях заключается во введении между ними мягких прокладок с худшими акустическими характеристиками, но совместимых с основным материалом.

Концентрация напряжений может быть достигнута также при увеличении шероховатости контактирующих поверхностей. Для повышения качества соединения деталей с плоскими поверхностями между последними равномерно насыпают крошку из того же полимерного материала. Частицы полимера, создавая микрозоны повышенного механического напряжения, способствуют возникновению очагов повышенной температуры и обеспечивают тем самым высококачественное соединение.

Повышение тепловыделения в зоне сварки может быть достигнуто с помощью локального подогрева зоны сварки. Местное повышение температуры локализует зону нагрева и увеличивает производительность процесса сварки. Оптимальная температура подогрева зависит от материала свариваемых деталей и составляет примерно 50-100℃. Изменение температурного поля в направлении передачи механических колебаний от излучателя к свариваемым поверхностям существенно перестраивает температурный режим сварки, увеличивает производительность процесса и устраняет перегрев материала в зоне контакта с волноводом.

Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение волновода и применяется как для контактной, так и для передаточной сварки. С помощью контактной прессовой сварки получают точечные, прямолинейные и замкнутые швы различного контура в зависимости от формы рабочего торца волновода (рис. 9, а). Развернутая длина сварного шва, так же, как и диаметр точки при точечной сварке, определяются мощностью преобразователя. Этим способом хорошо свариваются винипласт, полиэтилен, полиметилметакрилат, полистирол, а также ткани из синтетических волокон такие как капрон и лавсан.

Если сварной шов имеет сложную форму или значительную протяженность, целесообразно использовать комбинированные волноводы с торцевой поверхностью, соответствующей форме шва (рис. 9, б).

Непрерывная сварка обеспечивает получение непрерывных протяженных сварных швов за счет относительного перемещения волновода и свариваемого изделия. Она используется для сварки изделий из полимерных пленок и синтетических тканей: мешков, непроницаемой одежды, фильтров и т.д. Для непрерывной сварки используют схемы с фиксированной осадкой и с фиксированным зазором. По степени механизации непрерывная сварка может быть ручной и механизированной.

При ручной непрерывной сварке для получения непрерывных швов любой протяженности оператор вручную перемещает сварочную головку, а изделие остается неподвижным. Такую разновидность сварки называют также сваркой скользящим инструментом. Ручная сварка некоторых материалов, в частности полиэтилена, затруднена из-за периодического налипания размягченного полимера на инструмент, что в конечном счете приводит к прожогам свариваемого материала. Для устранения этого недостатка при сварке применяют технологические прокладки из полимерных материалов, металлической фольги, чертежной кальки и др. Используют ручную сварку преимущественно для соединения в труднодоступных местах, а также для прихватки деталей перед механизированной сваркой.

Надеюсь теперь вы разобрались с УЗС сваркой, какие типы и какие материалы можно сваривать. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут.