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:
- происходит в твердом состоянии без существенного нагрева места сварки, что позволяет соединять химически активные металлы или металлы;
- допускаются соединения тонких и ультратонких деталей, приварка тонких листов и фольги к деталям неограниченной толщины;
- сварка пакетов из фольги;
- неприхотливость к чистоте свариваемых поверхностей, в связи с чем возможна сварка плакированных и оксидированных поверхностей и вообще сварка металлических изделий, поверхности которых покрыты различными изоляционными пленками;
- использование сдавливающих сил (от 10 до 250Н), которые вызывают незначительную деформацию поверхностей деталей в месте их соединения (вмятина, как правило, не превышает 5...10%);
- использование оборудования малой мощности и простой конструкции. Например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходимо устройство мощностью 100...150 кВт, тогда как при сварке ультразвуком аналогичного соединения - 2,5...5 кВт.
Физические основы применения ультразвука для сварки
Для проведения сварочных работ необходимо следующее оборудование:
- источник питания;
- блок управления технологическим циклом сварки;
- механическая колебательная система;
- привод давления.
Основные функции технологического процесса возложены на механическую колебательную систему. Она выполняет такие технологические этапы:
- преобразует электрическую энергию в механическую;
- передаёт механическую энергию в зону сварки;
- синхронизирует внутреннее сопротивление свариваемых деталей с сопротивлением нагрузки;
- синхронизирует размеры зоны, куда вводится энергия, с параметрами излучателя;
- концентрирует энергию;
- обеспечивает получение требуемого показателя колебательной скорости излучателя.
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:
- сдавливающее усилие — от 0,1кН до 2 кН;
- потребляемая мощность колеблется в пределах 4-6 кВ;
- рабочее время сварки — до 3 с;
- амплитуда механических колебаний — от 10 до 20 мкм
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.
а – продольная; б – продольно-поперечная; в – продольно-вертикальная; г - крутильная
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.
1 — УЗ-преобразователь; 2 — стакан; 3 — волновод;
4 — инструмент; 5 — микропроводник; 6 — кристалл; 7 — столик
Сваривать сверхтонкие детали можно только с помощью ультразвука, контролируя с помощью специальной установки его параметры:
- мощность;
- давление;
- время воздействия.
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.
а - схема установки; б - эпюра амплитуды смещения колебательной системы;
в - расположение векторов статического давления РСТ и динамического усилия
F; А - амплитуда смещения волновода;
1 - корпус преобразователя; 2 - преобразователь; 3 – трансформатор - волновод;
4 – свариваемые детали; 5 – опора
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.
1 – преобразователь с волноводом; 2 – присадочный материал;
3 – свариваемые детали; 4 – сварной шов
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).
справа – после сварки; 1 – прижим; 2 – свариваемые детали; 3 – опора; 4 - технологические детали, подвергающиеся УЗ воздействию; 5 – упор; 6 – волновод;
Рпр – давление прижима; Рст – статическое сварочное давление
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).
а – прессовая; б – возможная форма рабочего торца волновода при прессовой сварке;
в – шовная; 1 – волновод; 2 – свариваемые детали; 3 – опора
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.