Принцип действия и преимущества ультразвуковой сварки

Сварка ультразвуком (УЗС), разработанная еще в середине 20 века, востребована и в веке 21-м для соединения металлов и термопластика. Элементы при соединении сдавливаются друг с другом и подвергаются волновому воздействию. На фоне иных способов, ультразвуковая сварка выгодно выделяется простотой применяемых аппаратов, низкими затратами труда и стоимостью.

Принцип действия и классификация

Принцип действия и преимущества ультразвуковой сваркиПроцесс протекает в три этапа:

  • нагревание элементов, взаимное проникновение материалов друг в друга в зоне контакта,
  • формирование связей на молекулярном уровне,
  • твердение и формирование шва.

Сварка ультразвуком по уровню автоматизации процесса разделяется на:

  1. Ручную. Все характеристики установки контролируются оператором, он же проводит пистолет для сварки по контуру соединения.
  2. Механизированную. Контроль параметров осуществляется оператором, элементы подаются на излучатель.
  3. Автоматическая. Используется в цехах промышленных предприятий, производится без использования рук человека.

По способу подачи энергии в зону сварки отличают одно- и двухсторонний метод.

В соответствии с характером передвижения волновода УЗС бывает:

  1. Импульсной. За единичное перемещение рабочая зона бомбардируется короткими импульсами.
  2. Непрерывной. Излучение воздействует не переставая, волновод передвигается с установленной скоростью вдоль элементов.

По характеру передачи энергии в область сваривания имеются такие режимы УЗС:

  • Контактный. Подразумевает равномерное распределение энергии в объеме элементов. Используется с целью сопряжения пленок и пластиковых изделий внахлест.
  • Передаточный. Колебания образуются одновременно во многих точках, волны проходят толщу элементов, освобождая энергию на участке. Применяется для создания тавровых швов и сопряжения жестких изделий из полимеров встык.

Таблица свариваемости материаловПринцип действия и преимущества ультразвуковой сваркиУльтразвуковая сварка применима для пластмасс и большинства однородных и разнородных металлов. Использование для определенного материала зависит от параметров его кристаллической решетки и твердости – чем она выше, тем ниже свариваемость металлического изделия.

Возможность сопряжения материалов посредством УЗС представлена в таблице.

Суть получения швов

Для соединения металлов ультразвуком требуется предварительный нагрев поверхности и приложение значительного сжимающего усилия, что усложняет конструкцию таких аппаратов. Схема ультразвукового оборудования для сварки полимерных материалов значительно проще.

Соединение осуществляется в следующей последовательности:

  • подключение оборудования, генерирующего ультразвук,
  • прохождение УЗ конвертора, трансформирование его в механические продольно направленные колебания,
  • передача от волновода свариваемым элементам колебательной энергии,
  • интенсивный нагрев поверхности на участке соприкосновения деталей и волновода,
  • возрастание текучести внешнего слоя элементов,
  • формирование связей под воздействием динамических и статических усилий.

Важно! При помощи УЗС возможно сопряжение материалов, различающихся строением, к примеру, пластмассовых элементов и металлических. Разность в температурах расплава может быть колоссальной.

Преимущества

Сварка пластмасс и металлов ультразвуком обладает такими преимуществами:

  • отсутствие необходимости в применении защитных газов, присадочных материалов,
  • не требуется механическая зачистка швов,
  • возможно соединение элементов любой формы,
  • экологическая безопасность, отсутствие вредности для человека,
  • высокая производительность,
  • эстетичность образованного шва.

Недостатки

УЗС также обладает и недостатками:

  • использование для заготовок с максимальными габаритами 25-30 см,
  • невозможность применения для элементов значительной толщины,
  • неэффективность при повышенной влажности заготовок.

Воздействие на материал деталей

Ультразвуковые волны за малый промежуток времени сообщают атомам свариваемых тел большое количество энергии, повышая тем самым амплитуду колебаний молекул в свариваемой области.

Происходит разрыв имеющихся и образование под воздействием давления новых связей – совместных с частицами другого элемента. Образуется надежное соединение, детали становятся единым целым.

Работа с металлическими деталями

Соединение металлических заготовок осуществляется под значительно меньшим температурным воздействием, чем при применении иных «горячих» способов сварки – газовой либо электродуговой. Эта особенность позволяет шире раскрыть возможности для надежного и быстрого сопряжения элементов, эксплуатационные свойства которых снижаются при перегреве. Помимо этого, УЗС позволяет сваривать пары металлов, не соединяемых или с трудом соединяемых иными способами – например, медь с алюминием, алюминий с никелем.

Прочность шва соответствует ГОСТ и составляет порядка 70% от аналогичного показателя исходного материла.

Преимущества и недостатки для пластиков

Сварка пластиков ультразвуком имеет такие преимущества:

  • обеспечение непроницаемости швов толстостенных деталей,
  • отсутствие излишнего перегрева заготовок,
  • отсутствие электромагнитных полей и излучений,
  • совмещение процесса с иными операциями,
  • незаметность и эстетичность сформированного шва,
  • отсутствие химикатов и присадок.

К недостаткам относятся:

  • низкая мощность излучателя требует подведения энергии с обеих сторон,
  • сложность проведения контроля качества выполнения работ,
  • параметры шва зависимы от стабильности характеристик и подбора типа установки.

Особенности у полимеров

Для сопряжения полимерных материалов используется специализированный ультразвуковой сварочный аппарат, главными частями которого являются:

  • рама для крепления деталей и узлов,
  • блок питания с кабелем для подключения к сети,
  • генератор УЗ-колебаний,
  • пресс,
  • преобразователь колебаний,
  • сварочная головка.

Устройства для промышленного применения дополнительно оснащаются рабочим столом и механизмом для подачи заготовок.

Используемое оборудование

Принцип действия и преимущества ультразвуковой сварки

Аппарат для УЗС изготовить «на коленке» невозможно, для его создания требуется определенный уровень знаний и навыков в сфере электроники и акустики. Помимо этого, также требуются высокоточные станки и мощный пресс для подачи требуемого давления.

Установки для УЗС разделяются на несколько групп:

  • шовные,
  • точеные,
  • шагово-шовные.

Диапазон мощности находится в пределах 0,05-2 кВт, частота – от 20 до 22 кГц.

Основные рабочие узлы – генератор и магнитострикционный преобразователь колебаний в механические с сохранением частоты. Теплоотведение осуществляется посредством водяной охлаждающей системы.

Согласование совместной работы волновода и преобразователя производится волновым трансформатором, повышающим на выходе частоту колебаний.

Посредством волновода выполняется передача потока энергии к зоне сваривания. На его конце размещена сварочная головка, размеры которой подбираются по материалу и толщине заготовок, типу шва.

Рама служит базой для всех узлов и элементов. На ней закрепляются головки волновода и механизм, посредством которого производится смещение заготовок.

Подключение к сети осуществляется через питающий провод.

Параметры

Для получения долговечного и прочного шва предварительно следует соблюдать параметры функционирования аппарата. Точная настройка оборудования для изделий выполняется в лаборатории с проведением испытаний шва на разрушение.

Основные параметры следующие:

  1. Амплитуда колебаний, определяющая срок процесса и мощность энергетического потока.
  2. Давление сжатия, от которого зависит прочность рубца.
  3. Частота генератора.
  4. Статическое давление.
  5. Скважность и длительность импульсов.

Выделение тепла

Образование тепла при УЗС происходит из-за пластических деформаций и трения между собой соединяемых заготовок. Температура нагрева не постоянна и зависит от твердости, теплоемкости и теплопроводимости элементов.

На процесс выделяющиеся излишки тепла оказывают незначительной влияние.

Возможности ультразвука

Принцип действия и преимущества ультразвуковой сваркиПрименение УЗС позволяет эффективно сопрягать разнообразные материалы, значительно отличающиеся толщиной – от пары микрон до нескольких миллиметров. При этом форма заготовок практически не изменяется.

При устройстве точечных швов соединения могу выполняться на участках значительной площади. Шаг выбирается по материалу изделий и требуемой прочности шва. Для выполнения сплошных герметичных швов используются роликовые насадки к излучателю.

Пленки и листовые изделия сопрягаются внахлест, для стержневых элементов используется тавровый шов.

Сферы использования

Область использования УЗС определяется в соответствии с ее особенностями:

  • материал сопрягаемых заготовок должен быть пластичным,
  • толщина и размеры элементов невелики,
  • температура прогрева значительно ниже, чем при применении «горячих» методов сварки.

В связи с такими особенностями, УЗС широко распространена в следующих отраслях промышленности:

  • электронике,
  • приборостроении,
  • производстве изделий из пластика.

Также ультразвуковая сварка применяется и в иных сферах для присоединения мелких элементов к более крупным изделиям, например, зубов к пластиковым шестеренкам.

Ограничения

Главным ограничением применения УЗС является размер свариваемых элементов, составляющий 25-30 см. Это обусловлено небольшой мощностью генератора, а также рассеянностью и затуханием УЗ-колебаний в твердых телах.

Для прямого повышения амплитуды колебаний и выходной мощности оборудования потребуется неоправданное увеличение габаритов и подводимой мощности, что сделает применение метода экономически неэффективным.

Помимо этого, свариваемые заготовки должны обладать минимальной влажность – как поверхностной, так и объемной.

Технология для металлов

Техпроцесс УЗС металлов состоит из нескольких операций, выполняемых последовательно. К основным можно отнести:

  • подготовка и сборка элементов,
  • прихват,
  • сваривание,
  • оправка.

Подготовка поверхностей

Исходя из полученных на практике результатов, на качество соединения при УЗС предварительная обработка подлежащих соединению участков существенно не влияет.

Но удаление оксидных пленок с поверхностей целесообразно, так как они могут снизить прочность шва, а в иных случаях и свести к минимуму технологический эффект. Потому перед выполнением работ следует провести хотя бы обезжиривание.

Выбор режимов

Принцип действия и преимущества ультразвуковой сваркиОсновными параметрами сварочных режимов являются амплитуда колебаний наконечника, частота, прилагаемое усилие и продолжительность операции.

Амплитуда влияет на качество удаления оксидных пленок, нагревание и размеры участков пластических деформаций. Ее величина назначается по показателю текучести материала, толщины заготовок, выполнения предварительной очистки поверхностей от оксидных пленок. Чем выше указанные параметры, тем большей назначается амплитуда, как правило, в пределах 0,5-50 мкм.

Величина усилия определяет образование пластических деформаций на участке сварки, способствует передаче УЗ-волн. Сварочное усилие назначается тем большим, чем выше твердость, показатель текучести и толщина заготовок.

На скорость процесса влияет амплитуда, толщина металлов и их физико-химические свойства, сварочное усилие.

Применение в промышленности

В промышленном производстве УЗС применяется для изготовления проволоки, фольги, тонколистовых изделий. От других методов соединения способ отличается возможностью сопряжения термочувствительных и разнородных материалов, так как процесс протекает при минимальном нагревании либо полном его отсутствии.

Способ широко применяется в производстве микроприборов и элементов мобильных телефонов, конденсаторов, полупроводников, микросхем. Не менее часто УЗС используется для изготовления высокоточных оптических и вакуумных приборов, реакторов, автомобилестроении.

Георгий Кондратьев, сварщик, стаж работы 26 лет: «Аппараты для УЗ-сварки стоят недешево и в домашних условиях изготовить их практически нереально. Потому перед приобретением оборудования необходимо просчитать возможную экономическую эффективность данной покупки. Сам же процесс сварки не сложен и овладеть им может любой человек».

Про другие виды сварки читайте на нашем сайте:

  • Особенности технологии механизированной сварки.
  • Технология и принцип действия импульсной сварки.
  • Особенности технологии электродуговой сварки.
  • Сварка на электронно-лучевых установках.

 

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Строительный портал Greendom74.ru: пошаговые инструкции от фундамента до крыши, постройка загородного дома и дачи своими руками
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: