При УЗС некоторых металлов наблюдается интенсивное сцеп­ление сварочного наконечника со свариваемым металлом. С точки зрения передачи энергии в зону сварки исследователи [3] считают, что это рационально. С технологической же точки зре­ния это совершенно неприемлемо, так как приварка сварочного наконечника к детали исключает нормальную эксплуатацию сва­рочной машины. Как выявлено, налипание свариваемого металла на сварочный наконечник и износ наконечника имеет сложную природу. По существу — это задача обратная УЗС. Поэтому для сварочного наконечника нужен материал, который обладал бы максимальной когезией поверхностного слоя относительно сва­риваемого материала.

Один из основных параметров процесса, определяющий выде­ление энергии в зоне сварки — сопротивление нагрузки, практи­чески неуправляем. Механические колебательные системы, являющиеся источниками ультразвука, частотно зависимы. Из­менение реактивности в системе приводит к изменению собствен­ной частоты системы. Работа системы вне резонанса, как правило, нецелесообразна. Таким образом, нельзя допускать произвольного изменения геометрических размеров системы , в частности стерж­ней, передающих энергию в зону сварки.

Изложенные особенности ряда технологических факторов весьма существенны. Любой из этих недостатков, выраженный в крайней форме, может поставить под сомнение целесообраз­ность применения УЗС. Вместе с тем УЗС характеризуется весьма ценными технологическими особенностями. Так, микро­смещения деталей относительно друг друга вызывают дробление твердых окислов и выгорание жировых пленок, что приводит к самопроизвольной очистке поверхностей свариваемых металлов и к последующей их сварке. Это позволяет наиболее эффективно решать проблему присоединения токоотводов в различного рода электро- и радиотехнических устройствах, так как УЗС обеспе­чивает переходное сопротивление на уровне сопротивления сва­риваемых металлов. Температура в зоне соединения составляет 0,4—0,6 от температуры плавления металла. Это обеспечивает минимальное искажение исходной структуры, отсутствие выплес­ков и брызг металла.

В силу специфичности процесса при УЗС хорошо свариваются металлы, обладающие малым электрическим сопротивлением: элек­тротехническая медь, чистый и сверхчистый алюминий, серебро.

При УЗС в принципе нет ограничений по нижнему пределу свариваемых толщин различных металлов. Возможно также соеди­нение с существенным перепадом толщин и свойств сваривае­мых металлов (металл — стекло; отношение толщин 1 : 1000 и больше).

Для УЗС также характерна: 1) малая энергоемкость; 2) воз­можность питания нескольких сварочных головок от одного гене­ратора и возможность выноса их на значительное расстояние;

3) простота автоматизации процесса работы колебательной си­стемы; 4) гигиеничность процесса.

Зона доступа к сварочному наконечнику

Одной из особенностей технологии сварки ультразвуком яв­ляется ограниченность диапазона форм свариваемых деталей. Это объясняется тем, что геометрические размеры элементов коле­бательной системы зависят от заданной частоты. Произвольного изменения размеров резонирующих элементов, посредством кото­рых энергия подводится к зоне сварки, производить нельзя. В этом отношении УЗС обладает существенно меньшими тех­нологическими возможностями, чем, например, контактная сварка.

Зона доступа к сварочному наконечнику, а точнее, возможный диапазон форм изделий, которые можно сварить УЗС, в различ­ных вариантах построения механических колебательных систем складывается из сочетаний нескольких элементов. Например, известны системы, состоящие из преобразователя, волновода про­дольных колебаний и сварочного выступа (рис. 2, а). Зона до­ступа к сварочному наконечнику в этом случае определяется длиной волновода продольных колебаний и высотой сварочного выступа в сочетании с конусностью волновода и точкой его закреп­ления. Сварочный выступ (выступает от образующей концентра­тора на 2—5 мм) является нерезонансным элементом произвольной формы. Свариваемые детали располагаются на массивной опоре. Технологические возможности такой механической колебатель­ной системы ограничиваются относительно простыми формами изделий.

Более совершенной является модификация этой системы (рис. 2, б). Зона доступа в этом случае увеличена за счет приме­нения резонансного звена и удлинения плеча поворота системы. Такими же возможностями обладают системы с продольно-попе­речной схемой волноводов (рис. 2, в). Однако при этом следует отметить, что передача усилия сжатия посредством перемещения опорного элемента

нерациональна. Опора перемещается вместе со свариваемыми изделиями. Изделия необходимо фиксировать дополнительным устройством. Такая кинематическая схема ограничивает верхний

предел производительности сварочной машины. Колебательная система, разработанная фирмой “Сонобонд К°” (рис. 2, г), работает в сочетании с резонансной опорой, которая позволила значительно увеличить рабочее пространство у сварочного наконечника. Во ВНИИЭСО при проектировании оборудования была применена схема, показанная на рис. 2, д.

В ряде случаев применение продольно-поперечной системы со стержнем постоянного сечения также не позволяет решить такую задачу, так как при УЗС в зависимости от механических свойств и соотношения толщин свариваемых металлов положение деталей относительно сварочного наконечника имеет большое значение. Решить такие задачи можно при применении модификаций стержня колебательной системы.

Для сварки изделий в труднодоступных местах можно восполь­зоваться стержнем с Г-образным наконечником (рис. 3, а). Экс­периментально была установлена возможность применения вы­ступа в пределах Уд длины волны в стержне. Смещение точ­ки съема энергии относительно оси стержня существенно уве­личивает возможный диапазон форм свариваемых деталей.

Весьма важным обстоятель­ством, характеризующим воз­можности УЗС, является сварка по контуру как на машинах с продольной системой, так и с резонирующим стержнем, ра­ботающим в режиме изгибных и крутильных колебаний. Такая сварка получена за счет выбора сварочных наконечников специ­альной формы, соответствующей заданной конструкции изделия. Одним из недостатков такого приема является изменение собственной частоты стержня в силу изменения его формы. Это затрудняет расчет его пара­метров.

Вместо стержня возможно применение рабочего инструмента в виде пустотелой резонансной трубки, работающей в режиме из­гибных или крутильных колебаний (рис. 3, б). Ее оптимальные геометрические размеры подбираются в зависимости от частоты, конструктивных особенностей и мощности сварочной машины. Кромка сварочного наконечника на внутренней и наружной сто­ронах срезана с расчетом получить рабочую дорожку шириной 0,5—1,5 мм.