Что не позволяет делать уз сварка

При ультразвуковой сварке (УЗС) необходимые условия для образования соединения создаются в результате механических колебаний ультразвукового преобразователя. Энергия вибрации создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости соединяемых материалов происходит пластическая деформация в зоне их соприкосновения. В результате пластической деформации и диспергирующего действия ультразвука происходит удаление адсорбированных пленок жидкости, газов, органических пленок и поверхностных оксидов, происходит увеличение площади непосредственного контакта, что обеспечивает получение прочного соединения.

Ультразвук находит широкое применение в науке для исследования некоторых физических явлений и свойств веществ. В промышленности ультразвуковые колебания используются для очистки и обезжиривания изделий, для обработки труднообрабатываемых материалов. Установлено благоприятное влияние ультразвуковых колебаний на кристаллизующиеся расплавы — происходит дегазация и измельчение зерна и улучшение механических характеристик литых металлов. Получены положительные эффекты при воздействии ультразвуковых колебаний с целью снятия остаточных напряжений. Широкое использование ультразвук находит с целью интенсификации многих медленнотекущих химических реакций. Известна аппаратура для контроля уровня жидкости, скоростей ее течения и т. п. Успешно используется ультразвук для контроля качества литья, сварных соединений и т. п.

В сварочной технике ультразвук может быть использован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения благодаря измельчению структуры металла шва и лучшему удалению газов. Ультразвук может быть источником энергии для создания точечных и шовных соединений. Ультразвуковые колебания активно разрушают естественные и искусственные пленки, что позволяет сваривать металлы с окисленной поверхностью, покрытые слоем лака и т. п. Ультразвук уменьшает или снимает собственные напряжения, возникающие при сварке. Им можно стабилизировать структурные составляющие металла сварного соединения, устраняя возможность самопроизвольного деформирования сварных конструкций со временем.

Сварка металлов ультразвуком находит все более широкое применение, так как этот способ имеет ряд преимуществ и особенностей по сравнению с контактной и холодной сваркой. Особенно перспективна ультразвуковая сварка применительно к изделиям микроэлектроники. Весьма перспективна сварка ультразвуком пластмасс; этот метод широко используется в промышленности, так как обладает рядом особенностей, дающих возможность получить высококачественное соединение на многих пластмассах, сварка которых другими методами затруднена или невозможна.

Разработаны оборудование и технология ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, успешно использующиеся в промышленности. За рубежом этот метод также находит применение в промышленности.

При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. В принципе этот метод сварки имеет много общего с холодной сваркой сдвигом.

Колебания, возникающие в какой-либо среде и характеризующиеся упругими деформациями среды, называются упругими. Форма упругих колебаний может быть различна. Наиболее распространенной формой являются гармонические колебания, т. е. колебания, описываемые выражением

где A — смещение или деформация в данном элементе среды в момент времени t; Aм — максимальное значение смещения или деформации; ω — круговая частота колебаний; φ — начальный угол сдвига.

Упругие колебания, частота которых превышает некоторую границу, принято называть ультразвуковыми. Обычно считают, что нормальный человеческий слух не воспринимает в виде слышимого звука гармонические упругие колебания с частотой выше 17 000—20 000 Гц. В практике упругие колебания используются в диапазоне частот от 8000 Гц до мегагерц. При ультразвуковой сварке обычно используется диапазон частот 18—80 кГц.

Скорость распространения ультразвука зависит от физических свойств материала. Например, в стержне скорость распространения продольных волн определяется из следующего соотношения:

где Е — модуль упругости материала; ρ — плотность материала.

Скорость распространения звуковых волн в большинстве твердых тел колеблется в пределах 2000—6000 м/с и изменяется в зависимости от температуры, давления и интенсивности звука.

Длина волны, соответствующая данной частоте, непосредственно определяется из равенства

где c — скорость звука; f — частота.

При частоте 20 кГц длина волны в стали равна 28 см.

Интенсивность плоской продольной звуковой волны в любой среде определяется из уравнения

где А — амплитуда колебаний; f — частота колебаний; ρ — плотность среды; k — коэффициент пропорциональности; с — скорость звука в среде.

Поток энергии волны сквозь некоторую поверхность S равен

где β — угол между нормалью к площадке dS и направлением распространения волны.

Мощность ультразвука, которая может быть передана через среду, зависит от физических свойств среды; если напряжения в зонах сжатия и разрушения превысят предел прочности материала, то твердый материал будет разрушаться. В жидкостях в аналогичных случаях возникает кавитация с образованием мельчайших пузырьков паров жидкости и последующим их захлопыванием. Процесс захлопывания кавитационных пузырьков сопровождается возникновением местных давлений, превышающих 5000 кгс/см 2 . Это явление в жидкостях используется для обработки и очистки изделий.

Машины для ультразвуковой сварки состоят из следующих основных узлов: источника питания, аппаратуры управления, механической колебательной системы и привода давления.

Механическая колебательная система служит для преобразования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону сварки, концентрирования этой энергии и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя.

Колебательная система (рис. 23) состоит из электромеханического преобразователя 1 с обмотками, заключенного в металлический корпус 2, охлаждаемый водой; трансформатора упругих колебаний 5; сварочного наконечника 4; опоры с механизмом давления 5 и свариваемых деталей 6. Крепление колебательной системы производят с помощью диафрагмы 7. Ультразвук излучается только в момент сварки точки.

На рис. 24 показана схема шовной сварки ультразвуком, которая может быть использована для получения герметичных швов на изделии, В этой схеме сварки колебательная система приводится во вращение специальным приводом. При сварке изделие зажимается между концом вращающегося трансформатора упругих колебаний, выполненного в виде ролика, и нижним прижимным роликом. Ультразвук излучается непрерывно в процессе сварки. Элементом колебательной системы, возбуждающей упругие колебания, является электромеханический преобразователь, использующий магнитострикционный эффект. Переменное напряжение создает в обмотке преобразователя намагничивающий ток, который возбуждает переменное магнитное поле в материале преобразователя. При изменении величины напряженности магнитного поля в материале возникает периодическое изменение размеров, при этом частота упругих колебаний равна двойной частоте тока.

Изменения размеров магнитострикционных материалов незначительны. Так, для сплава К49Ф2 магнитострикционное удлинение составляет 70*10 -6 . Поэтому для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы и трансформаторы упругих колебаний. Основным назначением трансформаторов упругих колебаний является увеличение амплитуды колебаний до величины, необходимой для осуществления процесса сварки. Для этой цели концентратор выполняется в виде стержня специальной формы, площадь поперечного сечения которого изменяется вдоль направления распространения колебаний по определенному закону.

Эксперименты показывают, что для целей сварки металлов достаточно иметь трансформаторы с коэффициентом усиления

5, так чтобы амплитуда на конце его при холостом ходе была равна 20—30 мкм.

Магнитострикционный преобразователь и трансформаторы должны быть рассчитаны и изготовлены на заданную частоту ультразвукового генератора. На рис. 25 показана схема изменения амплитуды колебаний в трансформаторе упругих колебаний.

Читайте также:  Приспособление для запрессовки сайлентблоков своими руками

Питание электромеханических преобразователей осуществляется от источника электрической энергии — генератора с частотой колебаний тока 18—180 кГц.

Рабочая частота генератора определяется собственной частотой механической колебательной системы, выходная мощность генераторов 0,01—10,0 кВт.

Процесс ультразвуковой сварки происходит при воздействии сдвигающих высокочастотных колебаний, давления, приложенного перпендикулярно к поверхности листа, и теплового эффекта, сопровождающего процесс сварки. В результате в зоне сварной точки наблюдается небольшая пластическая деформация.

Исследование процесса образования сварного соединения при ультразвуковой сварке медных пластин толщиной 0,35 + 0,35 мм показывает, что при малом времени пропускания ультразвука (менее 0,05 с) сварка не происходит. После разъединения образцов на их поверхности непосредственно под сваривающим выступом наблюдается пятно, имеющее полированную поверхность (рис. 26, а).

Диаметр полированного пятна возрастает при увеличении времени сварки (рис. 26, а — д). При пропускании ультразвука в течение 0,1 с в местах контакта обнаруживаются не только зашлифованные поверхности, но и вырывы металла, свидетельствующие об образовании прочных соединений, так называемых узлов схватывания. На рис. 26, б виден один узел схватывания на зашлифованной поверхности.

Пропускание ультразвука в течение 0,73 с привело к дальнейшему увеличению площади зашлифованного пятна, при этом площадь узла схватывания также возросла. Вокруг основного узла схватывания возникли отдельные небольшие участки схватывания, удлиненные в направлении ультразвуковых колебаний. С увеличением времени пропускания ультразвука > 0,73 с площадь зашлифованного участка почти не изменяется (рис. 26, г, д), но площадь узлов схватывания начинает увеличиваться более интенсивно. При пропускании ультразвука свыше 1,06 с происходит разрушение сварного соединения с вырывом точки по всему контуру.

Проведенные измерения микротвердости поверхности зашлифованного пятна и основного металла вблизи пятна показали, что микротвердость поверхностного слоя зашлифованного пятна выше (42—44 Hм), чем у основного металла (28—30 Hм). Образование полированного пятна на свариваемых поверхностях указывает на то, что оно возникло вследствие трения под действием высокочастотных колебаний соприкасающихся поверхностей непосредственно под контактным выступом.

Таким образом, процесс ультразвуковой сварки происходит под действием трения, вызванного микроскопическим возвратно-поступательным перемещением частиц на трущихся поверхностях.

В начальный момент действия ультразвуковых колебаний на свариваемых поверхностях возникает сухое трение. На этой стадии на свариваемых поверхностях происходит разрушение окисных пленок и пленок из адсорбированных газов и жидкостей. После возникновения ювенильных поверхностей наступает вторая стадия образования сварного соединения. Процесс сухого трения переходит в чистое трение, которое сопровождается образованием узлов схватывания. Схватыванию в значительной степени способствует малая амплитуда колебаний трущихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний.

Металлографические исследования сварных образцов различных металлов, сваренных при повышенных давлениях, мощности и времени, не обнаружили в зоне сварки литой структуры или воздействия на металл очень высоких температур.

Микроисследования мест сварки показывают, что имеются общие зерна, принадлежащие обеим свариваемым поверхностям и пересекающие границу раздела; кроме этого, образуются общие границы между поверхностными зернами. Очевидно, в этих обоих случаях сварное соединение будет обладать прочностью, равной прочности основного металла.

Большие значения предела прочности ультразвуковых сварных соединений подтверждают то, что они образуются вследствие возникновения металлических связей в узлах схватывания, имеющих такую же прочность и природу, как и основной металл.

Тепловые процессы при сварке

Процесс ультразвуковой сварки сопровождается выделением тепла в зоне сварки. Образование тепла вызывается возникновением трения на контактных поверхностях и пластическими деформациями в металле, сопровождающими образование сварного соединения.

Температура в зоне сварки зависит от прочностных характеристик — главным образом от твердости металла и его теплофизических свойств: теплопроводности и теплоемкости, режима сварки.

Работы показали, что наблюдающееся повышение температуры не является определяющим фактором, так как максимальная прочность сварных соединений достигается ранее, чем достигается максимальная температура в контакте.

Предварительный подогрев изделия приводит к уменьшению длительности пропускания ультразвуковых колебаний и способствует увеличению прочности сварного соединения.

Прочность точечных и шовных сварных соединений

На рис. 30 показана зависимость прочности точечных соединений алюминиевых листов от продолжительности пропускания ультразвуковых колебаний и давления на точку Как видно, при малых давлениях прочность точки в значительной степени зависит от времени прохождения ультразвука. С повышением давления сварные соединения прочнее при меньшем времени прохождения ультразвука. При очень продолжительном пропускании ультразвука и большом давлении сварное соединение некачественно вследствие значительных деформаций основного металла и приваривания его к электроду.

При шовной сварке прочность сварных соединений обычно выше прочности основного металла, и разрушение происходит по основному металлу.

Сварка ультразвуком позволяет соединять различные металлы; хорошо свариваются ультразвуком алюминий, медь, никель, удовлетворительно свариваются нержавеющие стали. При этом прочность сварных точечных соединений достаточно высока, разрушение соединений происходит обычно с вырывом точки по контуру как при испытаниях на срез, так и при испытаниях на отрыв.

С помощью ультразвука получены соединения на ряде тугоплавких металлов — ниобии, тантале, молибдене и вольфраме. Однако недостатком сварных соединений вольфрама и молибдена является их хрупкость.

Важным обстоятельством ультразвуковой сварки является возможность соединения различных металлов, которые обычными методами не соединяются.

Ультразвуковые сварочные машины

Ультразвуковая сварка в последнее время нашла наибольшее применение в микроэлектронике, в основном для приварки токоотводов к интегральным схемам.

Разработаны и выпускаются сериями ультразвуковые машины для сварки различных элементов микросхем оснащенные автоматическими устройствами (автоматически осуществляется подача проводников, сварка, обрезка проводников и т. п.), позволяющими в значительной степени увеличивать производительность.

Преимущества сварки ультразвуком:

  • сварка осуществляется в твердом состоянии металла без существенного нагрева места сварки, что дает возможность соединять химически активные металлы или пары металлов, склонные образовывать хрупкие интерметаллические соединения в зоне сварки;
  • возможность соединения тонких и ультратонких деталей, возможность приварки тонких листов и фольги к деталям неограниченной толщины, сварка пакетов из фольги;
  • снижение требований к чистоте свариваемых поверхностей дает возможность проводить сварку плакированных и оксидированных поверхностей и вообще сварку металлических изделий, поверхности которых покрыты различными изоляционными пленками;
  • применение небольших сдавливающих усилий (10—250 кгс), вследствие чего деформация поверхности деталей в месте их соединения незначительна (вмятина, как правило, не превышает 5—10%);
  • малая мощность оборудования и несложность его конструкции (если, например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100—150 кВ*А, то при сварке ультразвуком аналогичного соединения потребляется всего 5—2,5 кВ*А).

Область применения

Ультразвуковая сварка нашла достаточно широкое применение для соединения тонких деталей из однородных и разнородных материалов в приборостроении и радиоэлектронной промышленности. В дальнейшем можно ожидать, что этот метод будет использован при сварке металлов, образующих хрупкие интерметаллические соединения, для приварки тонких обшивок к несущей конструкции (в авиационной промышленности, автомобилестроении и ряде других отраслей промышленности).

По мере совершенствования технологического процесса и оборудования область применения ультразвуковой сварки будет непрерывно расширяться.

Ультразвуковую сварку применяют для соединения многих металлов. Наиболее легко свариваются пластичные металлы (алюминий, медь и их сплавы, серебро, никель и т.п.) как между собою, так и с твердыми малопластичными материалами.

Металлические детали могут свариваться с керамикой, стеклом, полупроводниковыми материалами (кремний, германий). Успешно свариваются тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, тантал, цирконий, молибден. Можно сваривать заготовки через прослойку из третьего металла, например сталь со сталью через алюминий, а также заготовки покрытые оксидами, лаками, полимерами и т.п. Используется УЗС также для соединения пластических масс.

Качество соединений при шовной сварке определяется теми же параметрами, что и при точечной, лишь вместо времени сварки вводится скорость движения детали. При правильно выбранных режимах шовной сварки разрушающее усилие сварного соединения выше чем основного металла.

Читайте также:  Сечение и диаметр разница

Все чаще ультразвуковые колебания используются в различных сферах промышленной деятельности. При производстве сварочных работ, ультразвук позволяет повышать механические свойства швов, снижать уровень собственного напряжения материалов и их деформацию, которая наблюдается при традиционных сварочных работах.

Цикл проведения ультразвуковой сварки определяет применяемое оборудование, способ соединения и продолжительность импульса. Ультразвуковую сварку можно условно разделить на механическую и ручную, одностороннюю и двустороннюю, прессовую и непрерывную.

Работа с пластиковыми деталями

Ультразвуковая сварка пластмасс происходит за счет вызываемых искусственным путем механических колебаний, вызывающих нагрев в точке или зоне взаимодействия с материалом.

Сам процесс можно разделить на два этапа. На первом из них происходит нагревание материала, что приводит к диффузии в месте взаимодействия, а на втором образуются крепкие связи в свариваемых деталях, и за счет этого получается слитое, неразъемное соединение.

Как все происходит

Условно процесс ультразвуковой сварки можно разделить на следующие части:

  1. подключается генератор, способный выдавать электрические ультразвуковые колебания при частоте от 20000 Гц;
  2. применяется специальный преобразователь, который превращает сгенерированные ранее электрические колебания в продольные механические;
  3. перпендикулярно месту будущей точки сварки подключается волновод, который осуществляет продольные колебания;
  4. механическая энергия преобразовывается в волновую, материал переходит в текучее состояние за счет оказываемого статического давления (так обеспечивается надежная связь соединения);
  5. динамические усилия, прикладываемые к изделию, увеличивают температуру в месте нагрева.

Ультразвуковая сварка пластика происходит по аналогичной схеме. Помимо этого можно соединять между собой и другие материалы (как разнородные, так и однородные), обеспечивая необходимый уровень температуры плавления.

Ключевым моментом при таких работах является надежность и стабильность технологического процесса. Именно с этой целью для каждого случая проведения ультразвуковой сварки пластмасс оптимальный режим определяется отдельно.

Особенности

Основные особенности данного вида сварки состоит в том, что соединения возможно выполнять в самых труднодоступных точках изделий. Не имеет значения, в каком состоянии находится поверхность продукта (чистая или загрязненная). Исключается вероятность перегрева пластмассы за счет локального выделения тепла.

Надежные неразъемные соединения получаются даже на большом отдалении от точки ввода ультразвуковой энергии. Низкое время нагрева материала обеспечивает быстроту проведения сварки.

Работа с металлическими деталями

Благодаря легкости применения, ультразвуковая сварка металлов в последнее время начинает применяться все чаще. Есть у нее и ряд ряду преимуществ над контактной и холодной сваркой. Она является чрезвычайно полезной и при работе с микроэлектроникой.

Данная технология имеет некоторые схожие особенности с холодной сваркой сдвигом. Неразъемная связь металлов возникает за счет одновременного воздействия механических колебаний повышенной частоты и небольшого уровня сдавливающих усилий.

Ультразвуковую сварку металлов можно производить при более низком уровне температур, что дает возможность без ущерба соединять термочувствительные элементы.

Она позволяет сваривать между собой детали разной толщины и разнородности (например, сварить медь и алюминий, алюминий и никель и т.п.). Прочность, получаемая таким способом, достигает порядка 70% от прочности самого материала.

Металлические изделия можно также сваривать с композиционными, керамическими, стеклянными материалами, полупроводниками. Не менее успешно свариваются тугоплавкие металлы.

Специфика применяемого оборудования

Оборудование, применяемое для сварочных работ с ультразвуком, подразделяется на аппараты, которые обеспечивают точечную контурную прессовую, шовную и шовно-шаговую сварку.

Мощность таких машин колеблется в диапазоне от 100 до 1500 Вт, а работают они чаще всего на частоте 20000 – 22000 Гц.

Ключевым элементом конструкции оборудования можно назвать электромеханическую колебательную систему. Ее основным назначением является преобразование задаваемых генератором электрических колебаний в механические при неизменной частоте. Данная система определяет уровень и способ передачи энергии к точке сварки, устанавливает скорость осуществляемых колебаний.

Преобразователь

Важной частью ультразвукового аппарата для сварки является магнитострикционный преобразователь. Обычно его выполняют двухстержневым, используя для этого тонкие металлические пластины из магнитострикционного материала, что позволяет снизить потери.

Наиболее оптимальными материалами, из которых делают преобразователи, считаются сплавы железа и кобальта. Также достаточно часто для комплектации пакетов в магнитострикционных преобразователях используется никель.

Он обладает всеми необходимыми для этого свойствами (достаточное удлинение, высокая прочность, меньше подвержен коррозии и его легко паять). Обычно для охлаждения этого элемента используется проточная вода.

Трансформатор

Главной функцией трансформатора упругих колебаний является процесс согласования характеристик работы преобразователей и волновода.

Он позволяет повысить частоты колебаний на выходе волновода. Чаще всего применяются ступенчатые трансформаторы, которые обладают высоким коэффициентом усиления (от 4 до 6).

Волновод-инструмент усиливает частоту сдвига выходного торца трансформатора и передает энергию к точке, в которой проводится сварочная работа. Его рабочая поверхность исполняется в той форме, которая оптимально подходит для свариваемой детали и типа применяемой ультразвуковой сварки.

Материал, который применяется для выполнения волновода и трансформатора, обязан иметь хорошие свойства упругости, низкую степень затухания, хорошую степень обрабатываемости с применением резания.

Не менее важной составной частью ультразвуковой машины является и опора. Она применяется с целью фиксации деталей при проведении сварочных работ. Иногда она может использоваться как элемент для нагрева и охлаждения, выполняться в виде датчика для более точного контроля над процессом сварки. Этот элемент оборудования должен иметь возможность для перемещения, для чего используется автоматический привод.

Выделение тепла

При проведении ультразвуковой сварки выделяется тепло в точке воздействия аппарата. Это происходит за счет образования трения между поверхностями контактируемых материалов, а так же за счет пластических деформаций, без которых любая сварка не обходится.

На повышение температуры в месте сварки влияет твердость материала, его тепловая емкость и тепловая проводимость. Особое влияние на нагрев оказывает режим сварки.

Стоит отметить, что рост температуры при ультразвуковой сварке сильно не сказывается на качестве соединения. Практические исследования показали, что наивысший уровень прочности достигается раньше, чем максимальная температура при этом процессе.

Если предварительно прогреть изделие, то это позволит уменьшить время пропускания ультразвуковых колебаний и приведет к повышению прочности получаемого при сварке соединения.

Преимущества и недостатки

При использовании данного вида сварки наблюдается высокий уровень производительности и низкий уровень затрат, напряжение не подводится непосредственно к точки сваривания, что позволяет избежать радиопомех.

Появляется возможность выполнять швы в разнообразных условиях и разных масштабов, совмещать несколько процедур (сваривать в одной точке и резать в другой). Если правильно подобрать режим сварки, то место соединения будет незаметно, кроме того, нет необходимости применять какие-то дополнительные реактивы или приборы.

По сравнению с вышеперечисленными плюсами ультразвуковой сварки, недостатки не выглядят так критично. Низкая мощность сварки вызывает необходимость использовать двухсторонний способ подвода энергии. Также нет возможности контролировать качество шва на достаточном уровне.

При выполнении сварочных работ своими руками нужно использовать табличные данные, в которых указаны все необходимые параметры, которые нужны для высококачественной ультразвуковой сварки.

Ограничения

Самым главным ограничением, на которое стоит обратить внимание, является размер изделий, свариваемых таким способом. Он не должна составлять более 250 мм (в длину, ширину, высоту).

Требование к размерам связано с тем, что выходная мощность датчика имеет свои пределы, нет возможности выдавать слишком большую мощность ультразвуковых волн, а так же с проблемами при контроле амплитуды колебаний.

Материалы, для соединения которых применяют ультразвуковую сварку, должны быть сухими. Иными словами иметь содержание влаги в них должно быть минимальным, иначе лучше использовать вибрационную сварку.

Читайте также:  Пистолет для монтажной пены это

Для крепления толстостенных деталей не имеет смысла применять ультразвуковую сварку. Хотя бы один из соединяемых элементов должен быть легким, поскольку он поглощает в себя большое количество энергии.

Ультразвуковая высокочастотная сварка воздействует на детали путём акустических колебаний. При этом соединяемый материал должен находиться под небольшим давлением. Самое широкое применение способ получил в работе с термопластом, так как не всегда стандартное сваривание или болтовые соединения могут полноценно решить поставленную задачу.

Процесс ультразвукового склеивания является довольно экономичным со стороны затрат на металлические материалы, а также значительно ускоряет работу производства. Такой способ отличается высоким качеством сварного шва при этом расход металла можно сократить до 30%. Поскольку процесс не является дорогостоящим и трудоёмким, стоимость сооруженных конструкций снижается, что экономит деньги конечного потребителя.

Преимущества

Перед тем как перейти к подробностям, стоит упомянуть о положительных сторонах, которыми обладает ультразвуковая сварка, к ним относят:

  1. Отсутствует потребность в защитной атмосфере;
  2. Нет особых требований к зачистке места стыковки;
  3. Сваривать можно заготовки любых форм;
  4. Есть возможность полностью автоматизировать работу и с легкостью интегрировать сварку с остальными производственными процессами;
  5. Способ является экологически чистым, при его использовании не применяются химикаты, а выделяемые пары образуются в очень небольшом количестве;
  6. Ультразвуковая сварка не предполагает использование сверхвысоких температур, поэтому работать можно с металлами, которые чувствительны к теплу, а также с другими материалами различными по составу;
  7. Расходные материалы, такие как электрод, проволока или припой не используются при ультразвуке;
  8. Чтобы добиться соединения достаточно четверти секунды;
  9. Экономичность со стороны энергозатрат;
  10. Соединение всегда имеет эстетичный вид и высокую надёжность.

Недостатки

Как и любой другой способ соединения, ультразвуковая сварка имеет не только преимущества, но и отрицательные моменты:

  • величина подвергающихся сварке деталей имеет свои ограничения, а именно не более 250 мм. Это объясняется тем, что могут возникать трудности с контролем амплитуды, а также ограничением в выходящей мощности датчика. Ещё это происходит из-за отсутствия возможности сонотрода, передать достаточную мощность звуковой волны;
  • такая сварка не будет актуальной при соединении толстостенных материалов. Это значит, что одна из заготовок должна быть легкой обязательно, ведь она будет поглощать основное количество энергии;
  • влага, которая может находиться в материале, должна присутствовать в небольшом количестве. А если её много, актуальным станет использование вибрационной сварки.

Как ультразвук воздействует на детали?

Все прекрасно понимают и учили ещё в школе, что вся твердая материя состоит из атомов, имеющих определённый порядок построения, это называется кристаллическая решетка. Эти частицы могут совершать возвратно-поступательные колебания, относящиеся к своему изначальному положению. Любое вещество имеет свою внутреннюю энергию, и чем она выше, тем большей будет амплитуда колеблющихся частиц. Когда это происходит, молекулы могут потерять имеющуюся связь между собой. В таком состоянии, но с амплитудой, которая понижена, собственно и происходит рекомбинация тех самых связей внутри вещества.

В итоге ультразвуковая сварка обеспечивает довольно надёжное соединение за очень короткий временной промежуток, путём дополнительного стимула, который даёт толчок для увеличения амплитуды колебаний. Для этого ультразвуковые волны направляются на место будущего соединения, где и происходят данные реакции. Это не занимает много времени и не является сверх трудоёмким процессом. Поэтому ультразвук — это один из самых приемлемых способов соединения для опытных сварщиков.

Используемое оборудование

Все оборудование для ультразвукового контроля сварки включат в себя несколько составляющих:

  1. Механика, создающая давление на соединяемые детали;
  2. Акустический узел, включающий в себя волновод;
  3. За качеством и контролем процесса следит специальная аппаратура;
  4. Генератор электроколебаний.

Некоторые задумываются о том, стоит ли пытаться сделать такое устройство своими руками? Это уместно только в том случае, если речь идет о высококвалифицированном работнике, так как дело придётся иметь с физическими, а также математическими расчетами. Если все правила не будут учитываться и произойдёт хотя бы малейшее отклонение от схемы требуемого оборудования, добиться качественного результата не получится, а в худшем случае детали не будут соединяться вовсе. Поэтому, прежде чем садится за такой проект, нужно быть на 100% уверенным в своих силах, обладать соответствующими знаниями и опытом.

Сферы использования ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка не может похвастаться своей универсальностью в сваривании конструкций. С одной стороны, это идеальный способ соединения большего количества материалов. С другой, они должны отличаться высокой пластичностью и не иметь огромных линейных размеров. Только в таком случае с помощью ультразвука можно будет добиться самого качественного результата.

А вот если речь идёт о сварке более мягких материалов (например, пластика), то в таком случае ситуация будет выглядеть намного положительней. Здесь не будут распространяться вторичные звуковые волны, а частицы на месте стыков будут быстро активироваться, что приведёт к скорейшему и качественному соединению.

Поэтому самым распространённым подвидом ультразвуковой сварки, является соединение с её помощью пластмасс. Её часто используют при большом промышленном производстве, а также во многих специализированных мастерских. Сварка актуальна в случае, когда невозможно применять стандартные методы, подразумевающие использование высоких температур, что не приведёт к положительному результату ремонт детали, которая имеет высокую чувствительность к теплу.

Выделение тепла при сварке ультразвуком

При работе с металлическими деталями, сварка с помощью ультразвука будет сопровождаться выделением определённого количества тепла. Оно образуется за счет пластической деформации и возникновением трения на поверхностях, подвергающихся соединению. Сама температура не является постоянной, а будет зависеть от ряда факторов, таких как твёрдость металла, а также его физических свойств (имеется в виду теплоёмкость и теплопроводность). Незначительным образом на это также повлияет выбранный режим сварочной работы.

В процессе сварки, специалисты заметили, что качество и надёжность соединения не зависит от температурных показателей. Это объясняется тем, что максимальная сцепка свариваемых поверхностей образуется ещё до того, как температура дойдет до своего пика. Иногда используется подогрев заготовок ещё до начала сварки, это поможет сделать швы намного прочнее и увеличит показатель пропускания ультразвуковых посылов через стыки конструкции.

Как работает оборудование?

Установка надёжной ультразвуковой сварки должна просчитываться до мелочей. Если все условия выполнены, она будет работать четко и без перебоев. Генератор нужен для создания электрических колебаний. Они переходят в состояние звуковых волн с высокой частотностью. Волны являются упругими. Значит передаваться, они будут через волноводы, сконструированные в виде стержней или полых трубок.

Как говорили ранее, молекулы характеризуются определённой частотой колебаний, и когда волны, совпадающие по частоте, входят в реакцию, это образует резонанс, то есть амплитуда движения частиц начинает увеличиваться. Это как раз то, что помогает сварить конструкцию. Когда молекулы начинают смещаться друг к другу, этого уже достаточно для надёжной стыковки. Но чтобы соединять различные материалы, нужны и разная частота колебаний, которая регулируется соответствующей аппаратурой.

Вывод

Способ сваривания деталей с помощью ультразвука, это эффективный метод, но не всегда. Стоит учитывать ряд физических и математических особенностей, которые необходимы для получения качественного результата. Процесс довольно сложный и требует высокой квалификации специалиста проводящего работы с соединениями, то же самое касается сооружения аппарата самостоятельно. Зачастую это не приводит к ожидаемому успеху.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector