Ультразвуковая сварка

Сварка металлов

Тарас Никифоров

Технический центр «Виндэк» (Россия, г. Подольск)

Владимир Гуреев

TELSONIC AG (Швейцария)

На мировом рынке только за последнее десятилетие объем продаж оборудования для ультразвуковой сварки увеличился в несколько раз, и эксперты пророчат ему дальнейший рост.

Благодаря новым достижениям в разработке технологии данные сварочные системы позволяют решать уникальные задачи в электронной, электротехнической, автомобильной промышленности, а также при производстве аккумуляторов, конденсаторов, солнечных батарей и систем нагрева воды.

В наши дни ультразвуковая сварка металлов находит все более широкое применение и позиционируется чуть ли ни как инновационный продукт. Вместе с тем, мало кто знает, что данный метод был открыт еще в 30-40 годы прошлого столетия, причем, совершенно случайно.

При подготовке поверхности алюминия к контактной сварке экспериментаторы, применившие для этой вспомогательной цели ультразвуковые колебания, неожиданно для себя отметили, что соединение металлических пластин происходит еще до пропускания через них сварочного тока.

Вот так и было положено начало совершенно новому виду сварки.

Как работает?

Область применения такого метода соединения простирается в диапазоне от пластмасс до цветных металлов. Однако, независимо от свариваемых материалов, оборудование для ультразвуковой сварки традиционно состоит из высокочастотного генератора, блока управления, механической колебательной системы и привода давления (Рис.1).

Ультразвуковой генератор преобразует ток электрической сети в ток высокой частоты, который по получении сигнала с блока управления подается на пьезоэлементы колебательной системы.

Преобразование колебаний электрического тока высокой частоты в механические и введение их в зону сварки обеспечивается механической колебательной системой.

Последняя, в свою очередь, состоит из конвертера (преобразователь), бустера (усилитель) и волновода (сонотрод) и является главным узлом технологии ультразвуковой сварки.

Для доступности понимания сравним колебательную систему, обеспечивающую практическую реализацию метода, например, с автомобилем (Рис.2). Конвертер выступает в роли мотора, преобразовывая ток высокой частоты в механические колебания с соответствующей частотой.

Далее бустер, действуя как коробка передач, изменяет амплитуду колебаний в зависимости от передаточного числа и переадресует их на волновод.

Волновод, увеличивая при необходимости амплитуду механических колебаний высокой частоты, передает их непосредственно в зону сварки, приводя в движение верхнюю свариваемую деталь.

В основу работы пьезокерамического конвертера положен хорошо известный многим еще со школьной скамьи пьезоэлектрический эффект.

При воздействии на пьезоэлемент переменного давления возникает переменное электрическое напряжение, а под воздействием переменного электрического поля возникают механические напряжения, которые вызывают упругие деформации материала в следствии чего пьезоэлемент начинает сжиматься и увеличиваться на определенную величину с частотой равной частоте тока.

Величина изменения размера пьезоэлемента соответствует амплитуде механических колебаний (Рис.3), которая зависит от мощности и конфигурации конвертера. Так, при частоте 20кГц амплитуда колебаний пьезокерамического конвектора, как правило, не превышает 10мкм.

Однако, за счет увеличения амплитуды бустером и волноводом можно получить максимальную амплитуду в зоне сварки — до 70мкм. Для ультразвуковой сварки обычно используется частота от 20кГц и выше.

Применение той или иной частоты зависит от материала и габаритов свариваемого изделия.

Применительно к реальным технологиям это явление может иметь очень положительный эффект. Вот и в процессе ультразвуковой сварки металлов колебательные движения волновода совместно с усилием прижатия передаются на верхнюю свариваемую деталь.

Она по определению должна быть подвижной относительно нижней детали, прочно закрепленной на наковальне. В результате между деталями возникает трение с определенной частотой и амплитудой, способствующее их сращиванию между собой (Рис.4).

Именно поэтому ультразвуковую сварку можно еще классифицировать, как механическую сварку трением с высокой частотой без ввода сварочного тока в зону сварки.

В процессе сварки микроскопические смещения деталей относительно друг друга вызывают стирание шероховатостей, разрушение оксидных пленок и возникновение узлов схватывания.

При повышение температуры в зоне сварки, за счет трения и дальнейшей деформации свариваемых деталей, наблюдается повышение пластичности поверхностных слоев металла, вытеснение оксидных пленок и загрязнений из зоны сварки.

Все это приводит к интенсивному разрастанию зон схватывания, диффузии одного материала в другой, локальному плавлению верхних атомарных слоев, появлению новых и стойких межатомных связей. Данные структурные изменения можно воочию наблюдать на фотографии микрошлифа покрытых серебром медных проводов, которые были сварены между собой при помощи ультразвука (Рис.5).

Плюсы применения

Ультразвуковая сварка металлов обладает уникальными технологическими свойствами, которые в практическом применении дают ей сто очков вперед на многих направлениях. Перечислим только главные из них.

Прежде всего, это возможность производить сварку без предварительной подготовки поверхности соединяемых деталей и при весьма незначительном температурном воздействии, оказываемом непосредственно на них. Отсюда вытекает такое существенное преимущество ультразвуковой сварки, как умение накрепко и без печальных последствий соединять между собой термочувствительные элементы.

Более того, допустима сварка деталей разной толщины, а также разнородных металлов (медь-алюминий, алюминий-никель и др.). При ультразвуковой сварке достигаются отличные электрические свойства и незначительное переходное сопротивление.

Что очень даже существенно, прочность обеспечиваемых ультразвуком соединений приближается к 70% от прочности основного материала. Дополнительно следует отметить высокую скорость, экологическую чистоту и экономичность процесса.

Проверено практикой

Как уже было сказано, инновационная технология ультразвуковой сварки металлов благодаря своим особым свойствам находит все более широкое применение в самых различных отраслях промышленности.

Например, в автомобилестроении метод активно используется при соединении медных многожильных проводов жгутов электропроводки (Рис.6).

В России данную технологию весьма успешно применяют, в частности, такие производители автокомпонентов, как Leoni Group, Prettl, ИВК, Завод радиоаппаратуры, ПТОО ОАО «АВТОВАЗ» и другие. Конкурентными преимуществами собственной продукции они во многом обязаны внедрению у себя ультразвуковой технологии.

Так ультразвуковые системы TelsoSplice, выпускаемые швейцарской фирмой Telsonic AG, способны сваривать многожильные медные провода суммарным сечением от 0,5 до 45мм2. Также ультразвуковая сварка используется при производстве электромоторов и патронов для подушек безопасности.

Масштабное применение ультразвуковая сварка обрела в электронной и электротехнической промышленности. И ничего удивительного здесь нет.

Ведь ультразвук умеет соединять как миниатюрные изделия, так и проводку большого суммарного сечения до 200мм2 (Рис.7).

Впрочем, в последнем случае описываемые нами системы оснащаются генераторами мощностью в 10кВт и наделяются способностью оказывать усилие в 8000Н.

С помощью ультразвуковой технологии, например, на «Свердловском заводе трансформаторов тока» к медному контакту присоединяют многожильные провода. Тем же способом специалисты ОАО «Протвинский опытный завод «ПРОГРЕСС» приваривают многожильные медные провода к шинам электрических шкафов.

Наглядной демонстрацией преимуществ ультразвуковой сварки можно назвать и ее применение в компании Bosch. В частности, там при изготовлении электродвигателей соединяют провода с контактами без снятия с них защитной эмали, что позволило полностью автоматизировать процесс сборки автомобильных электромоторчиков.Или еще примеры.

Растущая потребность в солнечных батареях и системах нагрева воды повлекла за собой использование ультразвуковой шовной сварки металлов в процессе создания и такого рода устройств. Компания «Элеконд» применяет ультразвук в соединении алюминиевой фольги и контактов.

Кстати будет сказать, что технология применима также и в изготовлении самой алюминиевой фольги. Но продолжим о применениях, так сказать, по прямому назначению.

При производстве литий-ионных аккумуляторов компания VARTA при помощи ультразвука сваривает между собой алюминиевую, медную и никелевую фольгу. На заводе им. Фрунзе при изготовлении предохранителей тем же способом сваривают медные и биметаллические пластины. ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова, используя технологию ультразвуковой сварки, соединяет алюминиевую фольгу толщиной всего от 5мкм.

Примером уникальности метода и его нацеленности на решение сложных задач, недоступных другим технологиям, может служить и соединение медных проводников с контактами в керамической подложке (Рис. 8). Впрочем, как в оценке всего нового, не будем спешить с конечным выводом. В самом ближайшем будущем нам еще предстоит узнать, на что еще способна ультразвуковая сварка.

А о том, что это обозримая перспектива свидетельствует опыт уже упомянутой компании TELSONIC AG. Она выпускает прецизионные сварочные системы, способные работать как автономно, так и в составе автоматизированных линий. Причем, неустанно продолжает поиск новых применений. Официальным дилером этой компании в России является ООО «Технический центр «Виндэк» из подмосковного Подольска.

Подводя итог, следует сказать, что использование ультразвуковых технологий существенно облегчает получение требуемых характеристик сварного соединения и повышает эффективность производства.

Источник: https://windeq.ru/publikatsii/ultrazvukovaya-svarka-metallov/

Ультразвуковая сварка. Принцип действия и область применения

Технология ультразвуковой сварки металлов изобретена достаточно давно, начиная с конца 40-х годов. Последние 20 лет она развивается особо активно вследствие того, что смежные отрасли развиваются тоже достаточно быстро. Машины ультразвуковой сварки все чаще появляется на производствах в России и за границей.

Что же такое по сути УЗВ-сварочный процесс?

Ультразвуковая сварка – это процесс обоюдной диффузии поверхностных слоев металлов под воздействием давления и волновых возмущений ультразвука. Основные частоты для сварки – 20 кГц и 40 кГц. Иногда сваривают на  частоте 60кГц, но это частные случаи. При этом, самим ультразвуком называют частоты, которые находятся за пределами человеческого уха (более 18 килогерц).

Как передается энергия в устройствах УЗВ-сварки?

Электрическая энергия из источника питания преобразуется в механические вибрации в конвертере. Далее колебания передаются в точку сварки через бустер (усилитель, резонатор) и сонотрод (может являться рабочим органом, либо на него устанавливается наконечник).

В целом, процесс происходит следующим образом: одна из свариваемых деталей располагается на, так называемой, наковальне или опоре. Вторая деталь, или каждая последующая, располагаются поверх первой под наконечником на сонотроде.

Детали сжимаются под определенным усилием, и подается ультразвук. Оксидные пленки и остальные посторонние примеси разрушаются.

Пластические деформации сближают частицы металлов на атомарные расстояния, и происходит диффузия поверхностных слоев материалов.

УЗВ – сварка славится тем, что может работать даже без удаления примесей и оксидных слоев. В частности, этот вопрос касается сварки алюминия, на котором оксидный слой образуется мгновенно. Но качество сварного соединения все-таки зависит от того, насколько хорошо были зачищены металлы.

После сварки можно заметить некоторое уменьшение зерна в зоне диффузии и из-за этого металл в зоне шва становится более пластичным.

Кроме всего прочего данным способом можно соединять так же пластмассы, полиэтиленовую пленку и т.д.

Преимущества ультразвуковой сварки

  • Протекает без поглощения и утилизации тепла, т.е. фактически без расплавления материалов. Конечно, в поверхностном слое протекает некий процесс, очень сходный с расплавлением в результате волн ультразвука. Тепло выделяется, но очень не значительное, в разы меньшее, чем при других видах сварки
  • Нет электротока, проходящего через деталь, как, например, при контактной сварке
  • Нет расходных материалов, как при пайке.
  • Более длительное время жизни рабочих органов. Все это приводит к тому, что сам процесс становится сравнительно дешевым.
  • Исключаются вредные для здоровья испарения в процессе сварки. Во время пайки нужны вытяжки на рабочих местах, как и во время контактной сварки.
  • Улучшенный контроль параметров процесса и, как следствие, качество соединения повышается.
Читайте также:  Выполнение работ под напряжением в электроустановках разных классов напряжения: методы, средства защиты

Современные системы УЗВ-сварки широко применяют в следующих отраслях и сферах:

  • автомобильная промышленность;
  • электротехника;
  • производство источников питания и батарей;
  • возобновляемая энергия;
  • медицина;
  • холодильные камеры (герметизация трубок);
  • приборостроение;
  • авиакосмос.

Так же может использоваться для электрических (передача тока) и теплообменных соединений (теплообменники, передача тепла от контура к рабочему телу).

Соединения, полученные УЗВ-сваркой обеспечивают:

  • Отличные электрические и тепловые соединения;
  • Достаточную мехпрочность, которая необходима, чтобы провода не разорвались при определенном механическом воздействии.

Источник: http://svarka-master.ru/ul-trazvukovaya-svarka-printsip-dejstviya-i-oblast-primeneniya/

Ультразвуковая сварка: оборудование и схемы сварки меди и других металлов

Широкие массы общественности чаще всего сталкиваются с многочисленными видами услуг, связанных с ультразвуком в медицине, которые обозначаются популярнейшими тремя буквами – УЗИ, то есть ультразвуковыми исследованиями самых разных органов в самых разных режимах. Мы с вами имеем дело с другими тремя буквами: это УЗК – аббревиатурой, обозначающей ультразвуковые колебания.

Они используются в промышленности весьма широко и в течение многих лет. Более того, научно-технический прогресс не стоит на месте, технологии и оборудование совершенствуются, область применения расширяется. Если говорить о сварочном деле, то ультразвуковая сварка – дело далеко не новое, но чрезвычайно быстро меняющееся и развивающееся.

Все дело в оборудовании

Схема сварки ультразвуком.

Эта динамика развития делится на два направления:

  • Низкоэнергетические колебания, или волны малой интенсивности, которые с успехом применяются в областях измерений, сигнализации, дефектоскопии и т.д.
  • Высокоэнергетические колебания, или волны высокой интенсивности, которые великолепно используются в сварке металлов и пластмасс и процессах очистки деталей.

Вот в каких направлениях используется ультразвуковая сварка:

  • В качестве вспомогательного средства, влияющего на процесс кристаллизации в сварочной ванне для улучшения механических свойств сварочного шва. Это влияние заключается в удалении газов и измельчении структуры сварочного металлического шва.
  • В качестве энергетического ресурса в микроэлектронике и других областях, где требуется неразъединимое соединение тончайших металлических слоев фольги или чего-либо подобного. Такое соединение возможно благодаря разрушению пленок ультразвуковыми колебаниями у металлов с окисленной поверхностью.
  • Для снижения степени деформации и напряжения в процессе. Ультразвук стабилизирует структуру шва и, таким образом, минимизирует самопроизвольное деформирование, которое нередко возникает впоследствии.
  • Для контроля качества швов с помощью специальной дефектоскопии.
  • Соединение пластмасс – термопластических полимеров, где ультразвуковая сварка не имеет альтернативы.

Процесс ультразвуковой сварки

Принципиальная схема сварки.

Суть процесса – действие на обе свариваемые поверхности механических колебаний высочайшей частоты в комбинации с умеренным сдавливанием. Механические колебания такой частоты образуются в результате магнитострикционного эффекта: некоторые металлические сплавы меняют свои размеры из-за действия переменного магнитного поля.

Никель и железнокобальтовые сплавы – лучшие ультразвуковые преобразователи, это хорошие магнитострикционные материалы. Изменение их размеров чрезвычайно мало, поэтому для концентрации энергии и увеличения амплитуды применяются специальные волноводы специфической суживающейся формы.

Эти волноводы имеют средний коэффициент усилия 5,0 с амплитудой примерно 20 – 30 мкм при условии холостого хода. А такой амплитуды колебаний с лихвой хватает для качественного соединения: по многим опытам экспериментальных ультразвуковых процессов даже колебания в 1,3 мкм дают вполне надежный сварочный шов.

В него входят следующие технические компоненты:

  • волновод;
  • опора в виде маятника;
  • диафрагма;
  • подвод тока для преобразователя;
  • привод механического сжатия;
  • система водяного охлаждения в виде кожуха.

Сама же установка для УЗС состоит из следующих составных частей:

  • магнитострикционный преобразователь;
  • сам волновод;
  • ролик для сваривания;
  • токоподвод;
  • водоподвод для охлаждения;
  • прижимной ролик;
  • защитный кожух преобразователя;
  • механический привод вращения.

Схема контактной ультразвуковой сварки.

Ток высокой частоты поступает от ультразвукового генератора на обмотку магнитострикционного преобразователя. Волновод со специальным рабочим выступом усиливает и передает механические колебания к наконечнику сварочного инструмента.

Выступ на волноводе во время процесса принимает высокочастотные колебания, которые по своей природе являются механическими горизонтальными движениями высокой частоты.

Длительность сварочного процесса напрямую зависит от толщины и природы свариваемого металла. Если край металла тонкий, образование шва занимает буквально доли секунды.

Высокочастотные колебания наконечника сварочного инструмента имеют свойство поляризоваться в одной плоскости с поверхностью пластины сверху. Колебания передаются на пластины и опоры с нужными амплитудами с учетом того, что на всех точках передачи энергия колебаний гасится.

Сам процесс соединения начинается с момента соприкосновения микронеровностей поверхностей, которые соединяются, в результате чего происходит их деформация. Как только включаются ультразвуковые колебания, эти микронеровности дополнительно сдвигаются, появляются зоны схватывания.

Если с самого начала ультразвукового воздействия на соединяемых поверхностях возникает трение по сухому типу, разрушающее окисные пленки из жидкостей и газов, то впоследствии сухое трение превращается в чистое трение, которое образовывает и укрепляет зоны схватывания.

Дополнительному укреплению схватывания способствует характер колебаний: возвратно-поступательные движения при малой амплитуде.

В рабочей зоне при УЗС образуется тепло вследствие процесса трения и деформации на соединяемых поверхностях. Температура в рабочей зоне зависит от характеристик металла: его твердости, теплопроводности и теплоемкости.

Соблюдение режима технологии УЗС дает сварочный шов, равный по своей прочности основному металлу.

Преимущества ультразвуковой сварки

Устройство ультразвуковой сварки.

С учетом своей специфики ультразвуковая сварка имеет ряд отличных преимуществ:

  1. Нет нужды нагревать предварительно рабочую зону, что чрезвычайно полезно при работе с химически активными металлами или парами металлов, которые склонны к образованию специфических и хрупких соединений по ходу сварки.
  2. Есть возможность соединения тонких и ультратонких кромок металлических деталей. Также можно приварить фольгу или тонкие листы к любым деталям, можно варить даже пакеты из фольги.
  3. Уникальная техническая «лояльность» к различного рода изоляционным и оксидным пленкам на поверхности металлов и другим загрязнениям – к примеру, плакированным поверхностям.
  4. Малое по силе сдавливание приводит к тому, что деформация свариваемых поверхностей незначительна.
  5. Энергетическая эффективность благодаря малой мощности сварочного оборудования, его простая конструкция.

Область применения

Технология УЗС постоянно совершенствуется, и, как следствие, ее применение расширяется постоянно и самым радикальным образом.

Ультразвуковая сварка отлично справляется с соединением металлов с низкой пластикой, металлов с керамикой и стеклом. Тугоплавкие металлы типа вольфрама или молибдена также легко свариваются УЗС. Возможна сварка с прослойкой из третьего металла, пластмасс.

Источник: https://tutsvarka.ru/vidy/ultrazvukovaya-svarka

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковой сваркой выполняют различные виды соединений (рис. 69). Сваркой внахлест можно соединять две (рис. 69,а) или несколько (рис. 69,б) деталей, а также профили (рис. 69,в), фасонные (рис. 69,г) и пустотелые (рис. 69,д) детали.

При монтаже радиоэлектронной аппаратуры ультразвуковую сварку применяют, например, для соединения цилиндрических деталей с плоскими (рис. 69,е) и торцового соединения с проволочными выводами (рис.

69,ж), когда проволочная заготовка подается в зону сварки через отверстие в инструменте или опоре и оплавляется в месте сварки. Сварку различных цилиндрических проводов можно выполнять при параллельном (рис. 69,з) или крестообразном взаимном расположении.

Пустотелые выводы и контакты соединяют с платами (рис. 69,и) профильными инструментами и опорами. Применяют ультразвуковую сварку и для соединения монтажных лепестков с колпачками (рис. 69,к, л).

Перед ультразвуковой сваркой соединяемые поверхности детали очищают от загрязнений и жировых пленок. Эту операцию целесообразно выполнять в ультразвуковых ваннах. В случае невозможности применить ультразвуковую очистку эти поверхности протирают салфетками, смоченными бензином, ацетоном или слабыми щелочными растворами. Ровные и чистые поверхности свариваются быстрее и качественнее.

К особенностям операций ультразвуковой сварки относится содержание рабочего цикла. Рабочим цикл состоит из сжатия свариваемых заготовок при определенном (рабочем) усилии, собственно сварки при включенных ультразвуковых колебаниях, выдержки под рабочим или измененном усилии и освобождении сваренного материала.

Время и последовательность исполнения каждого из указанных элементов рабочего цикла строго увязывается между собой и зависят от вида и свойств свариваемых материалов и акустических параметров процесса (амплитуды колебаний инструмента, частоты и мощности).

Правильный выбор рабочего цикла сварки во многом предопределяет качество соединения.

Рис. 69. Соединения, выполненные ультразвуковой сваркой

Обычно при ультразвуковой сварке принимается такой цикл. Рабочее усилие прикладывается к свариваемым деталям до включения ультразвука и остается постоянным в течение всей сварки.

После некоторой выдержки деталей под нагрузкой включается ультразвук и выполняется сварка. Затем выключают колебания и выдерживают детали в течение определенного времени под нагрузкой; происходит так называемая «проковка», т. е.

окончательное формирование неразъемного соединения. Затем нагрузка снимается.

Практикуется, например, при сварке пластмасс изменение указанной последовательности. Вначале включают ультразвук, а затем прикладывают усилие.

При этом в результате постепенного касания колеблющегося инструмента свариваемых деталей с поверхностей их интенсивно удаляют загрязнения, прежде чем наступает сварка. Снимается нагрузка после выключения ультразвука.

Такой цикл обеспечивает надежное соединение материалов со значительной степенью загрязнения свариваемых поверхностей, однако при этом необходимо с большой точностью регулировать величину и время рабочего усилия.

Также вредно влияет на качество ультразвуковой сварки цикл, при котором колебания инструмента выключаются после нагрузки. При сварке пластмасс по такому циклу можно наблюдать вспучивание в зоне сварного соединения и другие дефекты.

При ультразвуковой сварке металлических материалов, когда направление колебаний инструмента совпадает с плоскостью сварки, колебания могут передаваться свариваемым деталям. Это вредно сказывается на качестве сварки (появляются трещины и другие дефекты) Для предотвращения сдвига детален при ультразвуковой сварке детали необходимо перед сваркой прочие скрепить между собой.

Место крепления должно располагаться как можно ближе к зоне сварки. Для этой цели применяют прихваты и струбцины с эластичными (резиновыми) зажимными элементами. Удобны быстродействующие зажимные устройства (например, пневматические), расположенные вблизи инструмента сварочного станка и являющиеся его элементами.

Такие зажимы применены, в частности, при точечной ультразвуковой сварке листовых материалов. После перемещения свариваемых детален на шаг сварки (расстояние между двумя соседними точками сварки) срабатывает зажим и прочно прижимает детали к опоре. Затем автоматически включаются колебания сварочного инструмента и рабочее усилие — происходит сварка.

После заданной выдержки снимают нагрузку и ультразвуковые колебания, а затем зажим освобождает свариваемые детали для очередного их перемещения.

Такие зажимы предотвращают одновременно проворот деталей во время сварки, что наблюдается при сварке с ультразвуком.

Для этих же целей применяют различные сварочные приспособления — кондукторы, которые фиксируют детали относительно друг друга и по отношению к инструменту, и также обеспечивают их крепление при сварке.

Для ультразвуковой сварки миниатюрных деталей применяют «плавающие» и поворотные столы и другие специальные приспособления.

Читайте также:  Чем асинхронные двигатели отличаются от синхронных

При сварке крупногабаритных листовых деталей для предотвращения их провисания и облегчения работы оператора рядом со сварочным станком располагают столы-рольганги или другие вспомогательные устройства, если таковые не предусмотрены конструкцией самого станка. Такие устройства применяют, в частности, при шовной, а нередко и точечной сварке.

Похожие материалы

Источник: https://www.metalcutting.ru/content/ultrazvukovaya-svarka

Ультразвуковая сварка

Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Волны, распространяющиеся в упругих средах (газах, жид­костях, твердых телах), называются в физике волнами малой ин­тенсивности, Эти волны вызывают слабые механические возму­щения.

Звуковые волны, воздействуя на органы слуха, способны вызывать звуковые ощущения, если частоты звуковых колебаний лежат в пределах 16-20 ООО Гц. Эта область называется областью слышимых звуков.

Упругие волны с частотами 20-100 кГц назы­ваются ультразвуковыми.

Ультразвук (*ультра» означает «сверх») — волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц твердых тел, жидкостей и газов, происходящее с частотами более 16 ООО колебаний в секунду. В физике принято измерять частоты коле­баний в герцах (1 Гц = 1 колебанию в 1 секунду). Ультразвук на­зван так потому, что основная часть людей не слышит колебания свыше 16 кГц.

Сущность процесса ультразвуковой сварки состоит в том, что при приложении колебаний высокой (ультразвуковой) частоты к свариваемым деталям в них возникают касательные напряжения, вызывающие пластические деформации материала свариваемых поверхностей.

В результате механических колебаний в месте со­единения металлов развивается повышенная температура, зави­сящая от свойств материала. Эта температура способствует возник­новению пластического состояния материалов и их соединению. В местах сварки образуются совместные кристаллы, обеспечиваю­щие прочность сварного соединения.

Таким образом, сварка с при­менением ультразвука относится к процессам, в которых использу­ют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. В этом способе сварки тепловая энергия не подводится извне, а образуется в результате действия сил трения, поэтому ультразву­ковая сварка относится к механическому классу.

Силы трения возникают в результате действия механических колебаний с ульт­развуковой частотой на заготовки, сжатые осевой силой Р.

Механические колебания создаются в специальных преобра­зователях, которые преобразуют высокочастотные колебания электрического тока в механические колебания рабочего инстру­мента.

Для этих целей используют магнитострикционный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов при воздействии на них переменного магнитного поля.

Магнитострик — ция как физический эффект была открыта в 1842 г. Дж. П. Джо­улем. Название было дано от латинского слов strictio, что означа­ет сжатие, натягивание.

В настоящее время для магнитострик — ционных преобразователей используют материалы на основе фер­ромагнитных сплавов.

Переменный электрический ток создает в магнитострикци — онвом материале преобразователя переменное магнитное поле. Изменения размеров магнитострикционного материала происхо­дят при каждом полупериоде тока, т. е.

упругие колебания гене­рируются с двойной частотой относительно частоты переменного тока.

Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, Поэтому для передачи к месту сварки ме­ханических колебаний, увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний используют волноводы. В большинстве слу­чаев они имеют сужающуюся форму.

В зависимости от конструкции волновода и крепления инструмента в зоне сварки Можно получить продольные, попереч­ные и крутильные колебания инструмента. Их амплитуда обыч­но бывает в пределах 10-30 мкм.

Мощность генераторов для сварки ультразвуком при рабо­чей частоте 18-25 кГц составляет от 0,4 кВт и до 5 кВт. Применя­ются также генераторы с частотами: 44, 66, 88 кГц.

На рисунке 25 показаны различные виды волноводов (кон­центраторов) для увеличения амплитуды колебаний и передачи их в зону сварки.

Стержневой магнитострикционный преобразователь показан на рисунке 26а, он состоит из сердечника 1 и катушки 2. Пере­менный ток возбуждает в катушке переменное магнитное поле, которое за счет магнитострикционного эффекта в направлении оси сердечника создает упругие напряжения и деформации, т. е. сер­дечник совершает продольные механические колебания.

Продольные механические колебания, возбуждаемые в преобразователе, подаются на инструмент или преобразуются в другие типы колебаний, обусловленные технологией. Это реали­зуется изменением конструкции волновода и инструмента.

Рис. 25. Виды волноводов (концентраторов):

1 — ступенчатый; 2 — конический; 3 — сложной геометрической формы

Рис. 26. Устройства для преобразования колебаний: а — с помощью волновода продольных колебаний; 6-е помощью волновода крутильных колебаний

Устройства для преобразований колебаний показаны на ри­сунке 266.

Изгибные колебания подучают при помощи волновода продольных колебаний, если к нему присоединить стержень 3, имеющий резонансные размеры по отношению к изгибным коле­баниям заданной частоты. Крутильные колебания передаются в зону сварки, например способом, показанным на рисунке 266.

На рисунке 27 показана принципиальная схема ультразву­ковой сварки. При сварке ультразвуком свариваемые заготовки размещают на опоре в.

Наконечник рабочего инструмента 2 со­единен с магвитострикционным преобразователем 4 через транс­форматор продольных колебаний, представляющий собой вмес­те с рабочим инструментом 2 волноотвод 3.

Нормальная сжи­мающая сила Р создается моментом М в узле колебаний.

В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформа­ции, разрушающие поверхностные пленки. При этом тонкие по­верхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях не­много размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на

5Рис. 27. Принципиальная схема ультразвуковой сварки: 1 — свариваемые детали; 2 — инструмент; 3 — волновод;4 — преобразователь; 5 — генератор ультразвуковых колебаний; 6 — опора

расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь.

Экспериментально установлено, что прочность соединений, выполненных сваркой ультразвуком, во многих елучаях превос­ходит прочность соединения, полученного контактной сваркой.

Сравнительно небольшое тепловое воздействие на соединяе­мые материалы обеспечивает минимальное изменение их струк­туры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600°С. При сварке алю­миния и его сплавов температура Составляет 2ОО-30О°С. Это осо­бенно важно при сварке химически активных металлов.

Этим видом сварки соединяют металлы, сплавы металлов и различные материалы в различных сочетаниях толщиной от 0,001 мм идо нескольких миллиметров. При сварке пласт­масс к заготовкам подводятся поперечные ультразвуковые ко­лебания.

В настоящее время ультразвуковая сварка находит широкое применение в радиоэлектронной промышленности, приборостро­ении, авиационной, космической и многих других областях.

Сварка ультразвуком применяется для точечных и шовных соединений внахлестку и по замкнутому контуру.

ультразвуком:

— незначительный нагрев деталей (в пределах пластической деформации);

— для получения сварного соединения требуется незначитель­ная электрическая мощность;

— подготовка деталей ограничивается практически их обез­жириванием;

— возможность производить сварку деталей с оксидирован­ными и плакированными поверхностями, а также с покры­тиями в виде изоляционных пленок;

— возможность сварки разнородных металлов и материалов, в т. ч. и пластмасс;

— возможность сварки ультратонких листов до 0,001мм;

— сваркой ультразвуком можно соединять разнородные материалы в пакет;

— ультразвуковая сварка применима для соединения труд — носвариваемых металлов, например молибдена, вольфра­ма, тантала, циркония;

— сварка происходит практически мгновенно, в момент вклю­чения УЗ-генератора;

— отсутствие вредных выделений при сварке;

— высокая степень автоматизации процесса сварки; — высокая скорость сварки (до 150 м/час) и прочность

соединения.

-применение специальных генераторов ультразвука;

— относительно небольшой диапазон толщин свариваемых материалов;

— вредное воздействие ультразвука на организм человека;

— необходимость применения устройств для предваритель­ного сжатия деталей.

Сварочный кабель подбирают соответственно силе тока. Обычно для малых токов до 200 А рекомендуется провод сече­нием 25 мма. Провод марки типа ПРГ — «провод резиновый гибкий» или типа ПРНГ — …

Молоток, зубило, металлические щетки, зажимы типа струб­цин, пенал для электродов диаметром 50-70 мм, длиной 300 мм. Понадобятся также углошлифовальная машинка («болгарка»)и электродрель. Далее при профессиональной работе вы сами опре­делите необходимый …

Электрододержатели применяют для закрепления электро­да и подвода к нему тока при ручной дуговой электросварке. Они должны прочно удерживать электрод, обеспечивать удобное и прочное крепление сварочного кабеля. Электрододержатель дол­жен обеспечивать возможность …

Источник: https://msd.com.ua/svarochnye-raboty-sovremennoe-oborudovanie-n-texnolo-giya-rabot/ultrazvukovaya-svarka/

Ультразвуковая сварка

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет им. первого президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра «Экономика и управление качеством продукции»

Курсовой проект

По технологическим основам производства на тему:

«Ультразвуковая сварка»

Выполнил студентка гр.ЭУ-27081

Колясникова Ю.А..

Проверил Еланцев А.В.

Екатеринбург 2008

Содержание

Введение

Часть 1

Физическая сущность и основные способы сварки

Виды сварных соединений и швов

Строение сварного шва

Часть 2

Ультразвуковая сварка

Часть 3

Приложение

Часть 4

Литература

Введение

В настоящее время нет ни одной стройки, ни одного предприятия строительной индустрии и промышленности, где бы не применялась сварка.

Широкое применение сварки в строительстве и на предприятиях строительной индустрии объясняется ее технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими способами соединения металлических заготовок и деталей.

Экономия металла, ускорение производственного процесса, снижение стоимости продукции и высокое качество сварных соединений сделали сварку прогрессивным технологическим процессом. Например, при замене клепаных конструкций сварными расход металла сокращается на 15-30%. Сварка позволяет получать более рациональные конструкции, используя различные профили проката.

Стоимость сварных конструкций значительно снижается, так как уменьшается трудоемкость таких подготовительных работ, как резка, пробивка или сверление отверстий, чеканка.

Некоторые литые изделия можно заменить более легкими сварными; при этом экономия металла может достигать 40-50% массы изделия.

Изготовление, монтаж металлических и сборных железобетонных конструкций и сооружений во многих случаях неразрывно связаны с применением различных сварочных процессов.

Часть1

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или при пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.

Сварное соединение металлов характеризуется непрерывностью их структур. Для получения сварного соединения нужно осуществить межмолекулярное сцепление между свариваемыми деталями, которое приводит к установлению атомарной связи в пограничном слое.

Если зачищенные поверхности двух соединяемых металлических деталей при сжатии под большим давлением сблизить так, чтобы могло возникнуть общее, электронное облако, взаимодействующее с ионизированными атомами обоих металлических поверхностей, то получаем прочное сварное соединение. На этом принципе основана холодная сварка пластичных металлов.

При повышении температуры в месте соединения деталей, амплитуда колебания атомов относительно постоянных точек их равновесного состояния увеличивается, и тем самым создаются условия более легкого получения связи между соединяемыми деталями. Чем выше температура нагрева, тем меньшее давление требуется для осуществления сварки, а при нагреве до температур плавления необходимое давление становится равным нулю.

Физическая сущность процесса сварки очень проста. Поверхностные атомы куска металла имеют свободные, ненасыщенные связи, которые захватывают всякий атом или молекулу, приблизившуюся на расстояние действия межатомных сил.

Сблизив с помощью сварочного оборудования поверхности двух кусков металла на расстояние действия межатомных сил или, говоря проще, до соприкосновения поверхностных атомов, получим по поверхности соприкосновения сращивание обоих кусков в одно монолитное целое с прочностью соединения цельного металла, поскольку внутри металла и по поверхности соединения действуют те же межатомные силы. Процесс соединения после соприкосновения протекает самопроизвольно (спонтанно), без затрат энергии и весьма быстро, практически мгновенно.

Читайте также:  Экономичные и эффективные решения в части реконструкции электроснабжения объектов

Объединение отдельных объемов конденсированной твердой или жидкой фазы в один общий объем сопровождается уменьшением свободной поверхности и запаса энергии в системе, а потому термодинамический процесс объединения должен идти самопроизвольно, без подведения энергии извне. Свободный атом имеет избыток энергии по сравнению с атомом конденсированной системы, и присоединение свободного атома сопровождается освобождением энергии. Такое самопроизвольное объединение наблюдается между объемами однородной жидкости.

Гораздо труднее происходит объединение объемов твердого вещества. Приходится затрачивать значительное количество энергии и применять сложные технические приемы для сближения соединяемых атомов. При комнатной температуре обычные металлы не соединяются не только при простом соприкосновении, но и при сжатии значительными усилиями.

Две стальные пластинки, тщательно отшлифованные и «пригнанные», подвергнутые длительному сдавливанию усилием в несколько тысяч килограмм, при снятии давления легко разъединяются, не обнаруживая никаких признаков соединения. Если соединения возникают в отдельных точках, они разрушаются действием упругих сил при снятии давления.

Сварка представляет собой технологический процесс получения плотного неразъемного соединения деталей с использованием сил молекулярного сцепления при этом материал соединения (сварной шов) имеет те же физические и механические характеристики, что и соединяемые детали (сварочные аппараты).

Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический. К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.). К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

Свариваемость свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

На рисунке 1 представлена классификация основных видов сварки.

Термины и определения основных понятий по сварке металлов устанавливает ГОСТ 2601—84. Сварные соединения подразделяются на несколько типов, определяемых взаимным расположением свариваемых деталей.

Основными из них являются стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные и торцовые соединения. Для образования этих соединений и обеспечения требуемого качества должны быть заранее подготовлены кромки элементов конструкций, соединяемых сваркой.

Формы подготовки кромок для ручной дуговой сварки стали и сплавов на железоникелевой и никелевой основе установлены ГОСТ 5264—80.

Стыковыми называются соединения, в которых элементы соединяются торцами и один элемент является продолжением другого (рис. 2, а-ж). Такие соединения наиболее рациональны, так как имеет наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий, экономичны и удобны для контроля. Стыковые соединения листового металла выполняют прямым или косым швом.

ГОСТ 5264—80 предусмотрено 32 типа стыковых соединений, условно обозначенных Cl, С2, С28 и т.д., имеющих различную подготовку кромок в зависимости от толщины, расположения свариваемых элементов, технологии сварки и наличия оборудования для обработки кромок.

При большой толщине металла ручной сваркой невозможно обеспечить проплавление кромок на всю толщину, поэтому делают разделку кромок, т. е. скос их с двух или одной стороны.

При толщине металла 3—60 мм кромки окашивают на строгальном станке или термической резкой (плазменной, газокислородной). Общий угол скоса (50±4)°, такая подготовка называется односторонней со скосом двух кромок.

При этом должна быть выдержана величина притупления (нескошенной части) и зазор, величины которых установлены стандартом в зависимости от толщины металла.

Шов стыкового соединения называют стыковым швом, а подварочный шов — это меньшая часть двустороннего шва, выполняемая предварительно для предотвращения прожогов при последующей сварке основного шва или накладываемая в последнюю очередь, после его выполнения.

При подготовке кромок стали толщиной 8—120 мм обе кромки свариваемых элементов скашивают с двух сторон на угол (25±2)° каждую, при этом общий угол скоса составляет (50± ±4)°, притупление и зазор устанавливаются стандартом в зависимости от толщины стали. Такая подготовка называется двусторонней со скосом двух кромок.

При этой подготовке усложняется обработка кромок, по зато резко уменьшается объем наплавленного металла по сравнению с односторонней подготовкой. Стандартом предусмотрено несколько вариантов двусторонней подготовки кромок: подготовка только одной верхней кромки, применяемая при вертикальном расположении деталей, подготовка с неравномерным по толщине скосом кромок и др.

Соединениями внахлестку называются такие, в которых поверхности свариваемых элементов частично находят друг на друга (рис. 2, ж). Эти соединения широко применяют при сварке листовых конструкций из стали небольшой толщины (2-5 мм), в решетчатых и некоторых других видах конструкций.

Нахлесточные соединения просты в сборке, обеспечивают возможность подгонки размеров за счет регулирования величины нахлестки, не требуют подготовки кромок. Недостатками нахлесточных соединений являются изменение направления силового потока и возможность образования щели между элементами.

Неравномерное распределение силового потока вызывает концентрацию напряжений, и поэтому такие соединения не рекомендуется применять в конструкциях, воспринимающих переменные или динамические нагрузки, а также эксплуатируемые при низких температурах; проникновение влаги в щель между соединяемыми элементами может привести к щелевой коррозии и разрушению сварных швов за счет распирающего воздействия продуктов коррозии. Разновидностью соединений внахлестку являются соединения с накладками, которые применяют для соединения элементов из профильного металла и для усиления стыков.

Источник: http://MirZnanii.com/a/191509/ultrazvukovaya-svarka

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.

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.

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.

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.

В 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.

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.

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.

Источник: http://stroitel5.ru/analiz-vozmozhnostejj-ultrazvukovojj-svarki.html

Ссылка на основную публикацию