Ультразвуковая сварка

Метод ультразвуковой сварки был разработан в двадцатом веке. Он предназначается для создания неразъемных соединений разных материалов. Для сваривания детали сдавливают между собой и подвергают действию интенсивных ультразвуковых колебаний.

Именно так можно сваривать термопластик и большинство металлов. Если сравнивать с другими способами сварки, ультразвуковые установки отличительны конструктивной простотой, а сам процесс — невысокой себестоимостью и трудоемкостью.

Рабочий принцип ультразвуковой сварки и классификация

С физической точки зрения, ультразвуковая сварка проходит в три стадии:

• нагрев изделий, активизация диффузии в зоне соприкасания;
• образование связей на молекулярном уровне между вязкотекучими поверхностными слоями
• затвердевание (кристаллизация) и образование крепкого шва.

Есть несколько классификаций ультразвуковой сварки ультразвуковой сварки.

По степени автоматизации отличают:

• Ручная. Оператор контролирует параметры установки и ведет сварочный пистолет по линии шва.
• Механизированная. Параметры задаются оператором и поддерживаются установкой, детали подаются под излучатель.
• Автоматизированная. Используется на массовом производстве. Участие человека исключается.

Схемы колебательных систем для сварки ультразвуком

По способу подведения энергии к рабочей зоне выделяют:

• односторонняя;
• двусторонняя.

По способу движения волновода отмечают:

• Импульсная. Работа короткими импульсами за одно перемещение волновода.
• Постоянная. Систематическое влияние излучателя, волновод двигается с одинаковой скоростью по материалу.

По споосбу определения количества энергии, которая тратится на соединение, есть:

• по времени влияния;
• по величине осадки;
• по величине зазора;
• по кинетической сотавляющей.

В последнем варианте кол-во энергии устанавливается предельной амплитудой смещания опоры.

По методу подачи энергии в зону для работы отличают следующие режимы ультразвуковой сварки:

• Контактная. Энергия делится одинаково по всему сечению детали. Позволяет сваривать детали до 1,5 толщиной. Используется для сваривания внахлест мягких пластиков и пленок.
• Передаточная. В случае высоких значений модуля упругости колебания возбуждаются в нескольких точках. Волна распространяется в середине изделия и освобождает собственную энергию в зоне соединения. Применяется для тавровых швов и соединений встык жёстких пластиков.

Способ подачи энергии колебаний в территорию контакта заготовок устанавливается модулем упругости материала и показателем затухания механических колебаний на ультразвуковых частотах.

Суть получения швов ультразвуком

Сварочный процесс ультразвуком для пластиков и металлов имеет общие физические основы, но значительно отличается по показателям.

Для ультразвуковой сварки металлов требуется нагрев до больших температур и приложение немалых усилий сжатия. Для пластиков можно обойтись гораздо меньшими значениями таких параметров. Установочная схема ультразвуковой сварки пластика также очень и очень просто.

Очередность действий следующая

• Подсоединяют генератор ультразвука.
• Ультразвук, проходя через конвертер, превращается в продолговатые механичные колебания волновода.
• Волновод присоединяется перпендикулярно плоскости шва и передает заготовкам колебательную энергию.
• Механическая энергия превращается в волновую, что обуславливает активный нагрев области соприкасания волновода и заготовки.
• В нагретом поверхностном слое увеличивается текучесть.
• Динамическое усилие, прикладываемое со стороны излучателя, содействует нагреву зоны крнтакта.
• Статическое усилие, приложенное в том же направлении — перпендикулярно поверхности контакта, понуждает к появлению крепкие связи.

Шов сварки после ультразвуковой сварки

Аналогичным способом получается объединять ультразвуком даже разнообразные по собственному строению материалы, например сплавы из металла и пластики.

При этом разница в температурах плавления может быть многократной.

Преимущества

Анализируя характерности ультразвукового сварочного производства, нужно подчеркнуть следующие его положительные качества:

• не требуется защитная газовая среда;
• нет необходимости в старательной механической зачистке зоны сварки;
• отсутствуют ограничения по форме деталей;
• экологичность и жалкий объем выделяющихся вредоносных веществ;
• маленькие температуры нагрева если сравнивать с другими способами;
• не нужны сварочные материалы;
• большая продуктивность, сравнимая исключительно с контактной сваркой — доли секунды.
• невысокие расходы энергии.

Получившийся шов имеет красивый внешний вид и нечасто нуждается в повторной обработке.

Минусы

Есть у способа и минусы:

• Размер заготовки ограниченный 25-30 см. На больших расстояниях волны рассеиваются и поглощаются материалом.
• Невозможность сварки деталей приличной толщины.
• Чувствительность к влаге.

Комбинирование минусов и плюсов метода дает возможность использовать его в разных производствах.

Влияние ультразвука на материал деталей

Атомы твёрдых тел, как кристаллических, так и аморфных, размещены в конкретном порядке, между ними установлены больше или меньше крепкие связи, разрешающие телам хранить собственную форму. Атомы и молекулы способны колебаться относительно собственного начального положения. Чем выше амплитуда данных колебаний, тем выше внутренняя энергия тела. Если амплитуда превосходит конкретный предел, установившиеся связи могут разорваться. Если к телу приложено усилие, не дающее ему потерять целость, взамен разорванных связей появляются новые, данный процесс называют рекомбинацией.

Волны ультразвука высокой интенсивности, сообщая атомам тела очень много энергии в минимально возможное время, делают больше амплитуду колебаний атомов и молекул в зоне влияния. Связи между ними рвутся, и под приложенным давлением появляются новые, с частичками из поверхностных слоев второй заготовки. Так появляется чрезвычайно качественное соединение, превращающее детали в одно целое.

Работа с деталями из металла

Большой эффективностью выделяется использование ультразвуковой сварки к деталям маленьких размеров. Особенно хорошо используют метод в микроэлектронике и приборостроении.

Соединение металлов идет при значительно более малых температурах, чем во время использования «горячих» сварочных технологий, подобных, так электродуговая или газовая сварка. Это открывает большие возможности для быстрого и качественного соединения элементов, чувствительных к перегреву.

Более того, метод способен сварить пары металлов, с огромным трудом соединяемые иными вариантами: Cu+Al, Al+ Ni и т.д.

Характеристики прочности шва могут достигать 70% от значений для начального сплава.

Метод также позволяет сваривать металл, пластик, керамику, композиты, стекло в самых разных комбинациях. Используем он и к тугоплавким сплавам.

Плюсы и минусы во время работы с пластиками

Во время работы с пластмассами есть следующие положительные качества метода:

• большая продуктивность;
• небольшая цена операции;
• герметичность швов на толстостенных заготовках;
• нет потребности в подготовке поверхности;
• отсутствие перегрева;
• отсутствие электрических наводок и электромагнитного излучения;
• совместимость операции с другими операциями тех. процесса, напыления, разреза в прочих плоскостях и т.п.;
• многосторонность по типам пластиков;
• отсутствие используемых материалов и химикатов.
• изящность и малозаметность шва.

Ультразвуковая сварка пластмасс

Выделяют и минусы:

• Небольшая мощность излучателя заставляет подводить энергию с обеих сторон.
• Сложность контроля качества шва.

Качество соединения стильно зависит от точности выбора и стабильности показателей установки в рабочий период.

Характерности сваривания полимерных материалов с применением ультразвука

Для сцепления пластмасс ультразвуком применяется специальное оборудование. Его главные элементы такие:

• Рама, на которой закреплены все главные узлы и детали.
• Блок питания.
• Система управления.
• Генератор ультразвука
• Привод давления.
• Преобразователь колебаний.
• Сварочная головка.

В промышленных моделях есть также стол для работы с механизмом подачи деталей.

Применяемое оборудование

Взяв во внимание высокую цена аппарата УЗ-сварки, многие домашние умельцы думают о самостоятельном изготовлении установки. К несчастью, это не сварочный преобразователь электрической энергии и даже не выпрямитель, и для проектирования и создания аппарата понадобятся серьезные знания и способности в области акустики и электроники. Кроме того, для производства деталей излучателя и волновода необходимы станки высокого класса точности, недоступные дома.

Пресс для ультразвуковой сварки

Оборудование для ультразвуковой сварки делят на три категории:

Диапазон мощности — 50 ватт до 2 киловатт, рабочая частота в районе 20-22 килогерц

Главный узел установки ультразвуковой сварки — генератор колебаний и преобразователь электрических колебаний в механичные той же частоты.

Механичные колебания ультразвукового генератора преобразовуются магнитострикционным преобразователем. Для отведения лишнего тепла применяется гидравлическая система охлаждения

Волновой преобразователь электрической энергии согласует параметры взаимные действия преобразователя и волновода. Он увеличивает частоту колебаний на выходе волновода.

Волновод транспортирует энергетический поток к месту сваривания. На его рабочем завершении установлена сменная сварочная головка. Ее геометрические параметры подбирают, исходя из материала заготовки, его толщины и вида шва. Так, для приваривания выводов микросхем берут головку, заканчивающуюся тонким жалом.

Опорная рама служит для расположения всех узлов и деталей. На ней также устанавливается механизм перемещения заготовки или головки волновода.

Параметры оборудования для сварочных работ

Дабы получить крепкий и надежный шов, следует точно высчитать и тщательно исполнять рабочие параметры аппарата. Они зависят от типа материала заготовок, его толщины, требований к прочности шва. Правильная настройка показателей для любого нового изделия проходит в условиях лаборатории, с многократными испытаниями на разрушение соединения. Самое лучшее комбинирование показателей крепится и применяется в процессе производства.

К важным параметрам относят:

• Амплитуда колебаний. Определяет поток энергии и время операции.
• Усилие прижима. От него зависит крепость шва.
• Частота работы генератора.
• Статическое давление. Устанавливается амплитудой механических колебаний.
• Длительность и скважность импульсов. Также определяет длительность операции.

К дополнительным показателям относят температуру начального прогрева для заготовок приличной толщины, возвышение сварной головки над заготовкой и некоторые прочие.

Установка для точечной сварки ультразвуком

Тепловыделение при сварке ультразвуком

Тепло, выделяющееся при проведении работ по сварке, образуется вследствие пластических деформирований, а еще механического трения свариваемых поверхностей. Температура нагрева не считается неизменной, она устанавливается физико-механическими свойствами: твердостью, теплоемкостью и теплопроводимостью. Оказывает влияние также и пространственная конфигурация заготовок. Воздействие этого тепла на протекание тех. процесса несущественно.

Возможности ультразвука

Применение ультразвука позволяет прочно и долговечно объединять разные, даже очень выделяющиеся один от одного материалы толщиной от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Во время использования ультразвука до минимума сводятся искажения формы свариваемых заготовок.

Применение точечных швов позволяет с большой скоростью выполнить соединение на площадях большого размера. Шаг точек выбирается исходя из толщины заготовок и требований к прочности шва. В регионах изделия, подвергающихся большим напряжениям, шаг делают меньше. Использование роликовых насадок на излучатель дает возможность исполнять сплошные герметичные швы любой формы. Такие соединения используются в упаковочных изделиях и надувных конструкциях.

Листовые и пленочные заготовки объединяют внахлест. Для заготовок в форме стрежней используют тавровые швы.

Лимитированны возможности метода по работе со сверхтонкими материалами. Вследствие большой скорости работы, эко. безопасности и обеспечения нормальных условий труду персонала, востребовательность ультразвука продолжает расти.

Области применения ультразвуковой сварки

Сфере использования ультразвука для создания сварных соединений определяются исходя из специфических особенностей технологии:

• соединяемые материалы обязаны быть пластичными;
• их размеры лимитированны, в первую очередь — толщина;
• температура нагрева ощутимо ниже, чем во время использования «горячих» сварочных технологий.

Технология проучила большое распространение в таких областях:

• приборостроение;
• электроника;
• производство пластиковых оболочек;
• выпуск пластмассовых изделий.

Применяется метод и в остальных отраслях для присоединения маленьких деталей к большим.

Ограничения

Главное ограничение, накладываемое на применимость технологии – это размер свариваемых заготовок. Он ограниченный 25-30 см. Это вызвано небольшой мощностью генератора и высоким затуханием и рассеянием ультразвуковых колебаний в твёрдой обстановке. При прямом увеличении мощности и амплитуды колебаний потребуется непропорциональное увеличение размеров установки и используемой мощности. Это сведет на нет все преимущества в экономическом плане метода.

Более того, материалы, свариваемые ультразвуком, должны содержать небольшую влажность, причем ка на поверхности, таки по всему объему. Если этого нельзя добиться, то необходимо применять прочие технологии.

Процесс ультразвуковой сварки металла

Применение сваривания ультразвуком не имеет экономического смысла и для толстостенных изделий.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.