Анализ возможностей ультразвуковой сварки

Трудно представить механизм или конструкцию, в котором бы не требовалось соединение отдельных деталей, частей, материалов. Связь часто необходима жёсткая, монолитная. В таких случаях применяют различные варианты сварки. Универсальным способом, который подходит для металла, пластмассы является ультразвуковая сварка под давлением.Сварочные работы

Плюсы и минусы использования ультразвука

Колебания упругой среды может происходить с различной частотой. В зависимости от частоты, среда по разному реагирует на колебания. В технике, медицине большое распространение нашли ультразвуковые колебания или колебания с частотой более 20кГц.

Интересно! Колебания с частотой от16 кГц до 02 кГц воспринимает человеческое ухо и относится к области слышимых звуков. Ультразвук означает сверх того, что воспринимается как звук.

Одной из областей применения ультразвука является сваривание различных веществ. Используют сварку ультразвуком достаточно широко, особенно при производстве таких веществ, материалов, устройств:

  • полупроводников;
  • микроприборов и микроэлементов для электроники;
  • конденсаторов, предохранителей, реле, трансформаторов;
  • нагревателей бытовых холодильников;
  • приборов точной механики и оптики
  • реакторов;
  • сращивании концов рулонов различных тонколистовых материалов (медь, алюминий, никель и их сплавы) в линиях их обработки.

Автомобильная промышленность так же один из потребителей возможностей ультразвука.

Кроме того это единственный способ соединения полимерных материалов между собой.

Как и любой технологический процесс ультразвуковая сварка имеет свои плюсы и минусы. Плюсами такого способа соединения являются:

  • нагрев свариваемых частей не превышающий пределов пластической деформации;
  • незначительные энергозатраты;
  • предварительный этап по подготовке деталей состоит из их обезжиривания;
  • для сварочных работ такого вида нет ограничений по типу поверхности. Это может быть поверхность оксидированная, плакированная, с изоляционной плёнкой;
  • возможность сваривания материалов различных форматов, например, металлов, пластмасс, полимеров;
  • потенциал в сварочных работах с ультратонкими листами;
  • этот вид сварки может соединить материалы с разнородной структурой в единый пакет;
  • подходит для работы с такими металлами, для которых другие виды сварки невозможны из-за их свойств (молибден, вольфрам, тантал, цирконий);
  • быстрота процесса и значительный уровень автоматизации;
  • высокая прочность сварочного шва;
  • не выделяются вредные вещества в процессе работы.

К недостаткам можно отнести вредное воздействие ультразвука на организм человека и необходимость предварительного сжатия свариваемых деталей. Минусом считается и высокотехнологичные генераторы ультразвука.

Мнение специалиста! Для сварки ультразвуком не подходят толстый детали, так как теряется качество, что связано с физическими особенностями самого процесса.

Физические основы применения ультразвука для сварки

Для выполнения сварочных работ используется оборудование, состоящие их нескольких узлов:

  • источник питания;
  • блок управления технологическим циклом сварки;
  • механическая колебательная система;
  • привод давления.

Основные функции технологического процесса возложены на механическую колебательную систему. Она выполняет такие технологические этапы:

  • преобразует электрическую энергию в механическую;
  • передаёт механическую энергию в зону сварки;
  • синхронизирует внутреннее сопротивление свариваемых деталей с сопротивлением нагрузки;
  • согласует размеры зоны, куда вводится энергия, с параметрами излучателя;
  • концентрирует энергию;
  • обеспечивает получение требуемого показателя колебательной скорости излучателя.

Механические колебаниВ качестве источника механических колебаний выступает электромеханический преобразователь из веществ, обладающих магнитострикционными или электрострикционными свойствами. Это может быть никель, пермендюр, титан бария. В таких веществах переменное электромагнитное поле создаёт механические напряжения, что вызывает упругие деформации. Далее энергия концентрируется и предаётся к сварочному наконечнику — волноводу, а амплитуда механических колебаний увеличивается.

Если приложить колебания ультразвуковой частоты к деталям, в них возникнут касательные напряжения. Эти напряжения вызывают пластические деформации материала, из которого изготовлены свариваемые детали. Механические колебания с частотой свыше 20 кГц в точках соприкосновения со свариваемым материалом станут источниками повышения температуры из-за сил трения. Соединяемые поверхности сближаются на расстояния, при которых в силу вступают силы межатомного взаимодействия.

Мнение специалиста!Сближение на субатомные расстояния возможно благодаря высокой пластичности верхних слоёв металла при повышении температуры, а также разрушению оксидных, жировых плёнок и выпариванию влаги.

После сближения свариваемых поверхностей, соединение происходит за счёт тепловой диффузии атомов поверхностных слоёв.

Основные характеристики ультразвукового сварочного оборудования:

  • сдавливающее усилие — от 0,1кН до 2 кН;
  • потребляемая мощность колеблется в пределах 4-6 кВ;
  • рабочее время сварки — до 3 с;
  • амплитуда механических колебаний — от 10 до 20 мкм

Такие показатели позволяют сваривать детали толщиной около 2 мм, но при этом второй элемент может иметь и большую толщину, которая иногда превышает в 1000 раз.Сварочный аппарат

Как сварить между собой полимеры

Важность применения ультразвука в сварочных работах связана и с возможностью проводить ультразвуковую сварку полимерных материалов. Ультразвуковые колебания увеличивают пластические свойства полимеров там где происходит контакт. При первичном контакте происходит разрыв химических связей и активируются полимерные молекулы. Затем, за счёт химического взаимодействия, наблюдается взаимодействие на поверхностях соединения.

Деформирование полимера с частотой соответствующей ультразвуковой, вызывает его нагрев до определённого значения температуры. Эта температура должна соответствовать определённому состоянию материала:

  • для аморфных полимеров — вязко-текучее состояние;
  • для частично кристаллических полимеров — плавление.

Такое состояние веществ способствует протеканию диффузии.

Некоторые этапы ультразвуковой сварки пластмасс отличаются от аналогичного процесса в металлах. Их можно определить в таком порядке:

  • подключение генератора ультразвуковых колебаний;
  • преобразование ультразвуковых колебаний в механические продольные;
  • создание статического давления;
  • подключение волновода, который создаёт динамическое усилие, а так же увеличивает температуру в зоне сварки.

При такой схеме оба вида усилия лежат в одной плоскости, которая перпендикулярна расположению свариваемой поверхности. Таким способ часто сваривают абсолютно разные по типу химических связей вещества: пластмасс металл, металл-керамика.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*