Ультразвуковая сварка

Мощные ультразвуковые колебания находят широкое приме­нение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее время в промышленности используются ультразвуковая очистка и обезжиривание различных изделий. Ультразвук применяется для получения высокодисперсных эмульсий, диспергирования твердых тел в жидкости, коагуляции аэрозолей и гидрозолей, дегазации жидкостей и расплавов. Установлено влияние мощных ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства кристаллизующегося расплава.

Ультразвуковые колебания позволяют снимать остаточные напряжения в сварных швах, полученных при дуговой сварке. Обнаружено весьма эффективное воздействие ультразвука на интенсивность полимеризации клеев. Широко внедрена в про­мышленность обработка твердых и сверхтвердых материалов.

Одним из интересных и перспективных промышленных приме­нений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС). Этот способ сварки характеризуется весьма ценными технологическими свойствами: возможностью соединения металлов без снятия по­верхностных пленок и расплавления, особенно хорошей сваривае­мостью чистого и сверхчистого алюминия, меди, серебра; возмож­ностью соединения тончайших металлических фольг со стеклом и керамикой.

Ультразвуком сваривается большая половина известных термопластичных полимеров. Ультразвуковая сварка пластмасс тем более ценна, что для ряда полимеров она является единственно возможным надежным способом соединения. Полистирол — один из наиболее распространенных полимеров для изготовления раз­личных изделий крупносерийного производства — наиболее ра­ционально сваривать ультразвуком.

Особое внимание исследователей привлекла возможность вне­дрения УЗС при производстве изделий микроэлектроники.

Общая характеристика механической

колебательной системы

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки, независимо от физико-механических свойств свариваемых мате­риалов, которые являются непосредственными объектами интен­сивного воздействия ультразвуковых колебаний, имеет одну структуру и состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической коле­бательной системы и привода давления.

Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику обо­рудования и технологии ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, является механическая колебательная система. Эта система служит для преобразования электрической энергии в ме­ханическую, передачи этой энергии в зону сварки, согласования сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы и геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излу­чателя, концентрирования энергии и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя. Система должна работать с максимальным к. п. д. на резонансной частоте неза­висимо от изменения сопротивления нагрузки.

Типовая колебательная система (рис. 1) состоит из электро­механического преобразователя 1, волноводного звена — транс­форматора или иначе концентратора колебательной скорости 2, акустической развязки системы от корпуса машины 3, излуча­теля ультразвука — сварочного наконечника 4 и опоры 5, на кото­рой располагаются свариваемые детали 6.

Широко известны колебательные системы с использованием резонирующих стержней 7 (рис. 1, б), работающих в режиме изгибных колебаний.

Электромеханические преобразователи 1 изготовляются из магнитострикционных или электрострикционных материалов (ни­кель, пермендюр, титанат бария и др.). Под воздействием переменного электромагнитного поля в преобразователе возникают меха­нические напряжения, которые вызывают упругие деформации материала. Таким образом, преобразователь является источни­ком механических колебаний.

Волноводное звено 2 служит для передачи энергии к сварочному наконечнику. Это звено должно обеспечить необходимое увеличе­ние амплитуды колебаний сварочного наконечника по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, трансформировать сопротивление нагрузки и сконцентрировать энергию.

Сварочный наконечник 4 является элементом, посредством которого осуществляется отбор мощности, поглощаемой в зоне сварки. По существу — это звено, определяющее площадь и объем непосредственного источника ультразвука. Так как в процессе сварки наконечник внедряется в

Рис. 1. Типовые колебательные системы: а—продольная; б—про­дольно-поперечная; в — продольная для сварки пластмасс

свариваемую деталь, то он яв­ляется также и согласующим волноводным звеном между нагруз­кой и колебательной системой.

ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ

Особенности технологии УЗС

При вводе механических колебаний в свариваемые металлы изделие начинает вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма колебаний определяется геометрическими размерами изделия. В наиболее простом и распространенном случае — сварка листа прямоугольной формы — в последнем устанавливается стоячая волна с характерным чередованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний. Уровень напряжении, возникаю­щих в пучностях, определяется мощностью энергии, вводимой в зону сварки. При этом возникает опасность появления микро-и макротрещин в зоне сварки. Образование трещин при достаточ­ном уровне энергии свойственно металлам, обладающим малой пластичностью, имеющим местные дефекты, чрезмерный наклеп и т. п. Для снижения вредного эффекта вибрации свариваемого изделия применяют струбцины с резиновыми прокладками, пред­варительное снятие заусенцев, округление углов, если это воз­можно по условиям изготовления детали, предварительный отжиг места соединения и т. п. Наиболее рациональной мерой является снижение амплитуды колебаний сварочного наконечника.

При использовании некоторых колебательных систем наблюдается самопроизвольное разворачивание дета­лей относительно друг друга во время сварки. Это означает, что необходимо применение специальных кондукторов, обеспечиваю­щих фиксированное положение деталей в процессе сварки. Ранее было установлено [2], что закрепление образцов для пре­дотвращения их перемещения во время сварки снижает качество сварки. Однако позднее, иссле­дуя это явление, пришли к выводу, что дополнительное “прокру­чивание” образцов повышает прочность сварки до 60%.

Причиной прокручивания, по-видимому, является следующее. При условии интенсивного внешнего трения между свариваемыми деталями и относительно низком зажимном усилии в процессе образования сварного соединения возникают и разрушаются еди­ничные узлы схватывания. Вполне естественно, что в некоторый момент времени на данной половине приполированного пятна может образоваться узел, в то время как на другой — нет. Поскольку амплитуда колебаний между деталями в узле схватывания суще­ственно меньше амплитуды проскальзывания между деталями зоны сварки, в которой еще не возникли узлы схватывания, то наличие результирующей пары сил относительно вертикальной оси узла схватывания вполне вероятно.