Ультразвуковая сварка металла

Мощные ультразвуковые колебания находят широкое применение в различных отраслях экономики. Ультразвуковые колебания позволяют снимать остаточные напряжения в сварных швах, полученных при дуговой сварке. Широко внедрена в промышленность обработка твердых и сверхтвердых материалов.

Одним из интересных и перспективных промышленных применений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС). Этот способ сварки характеризуется весьма ценными технологическими свойствами: возможностью соединения металлов без снятия поверхностных пленок и расплавления, особенно хорошей свариваемостью чистого и сверхчистого алюминия, меди, серебра; возможностью соединения тончайших металлических фольг со стеклом и керамикой. Ультразвуком сваривается большая часть известных термопластичных полимеров.

Характеристика механической колебательной системы

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки, независимо от физико-механических свойств свариваемых материалов, которые являются непосредственными объектами интенсивного воздействия ультразвуковых колебаний, имеет одну структуру и состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической колебательной системы и привода давления.

Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику оборудования и технологии ультразвуковой сварки металлов, является механическая колебательная система. Эта система служит для преобразования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону сварки, согласования сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы и геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излучателя, концентрирования энергии и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя. Система должна работать с максимальным КПД на резонансной частоте независимо от изменения сопротивления нагрузки.

Типовая колебательная система состоит из электромеханического преобразователя, волноводного звена трансформатора, или, иначе, концентратора колебательной скорости, акустической развязки системы от корпуса машины, излучателя ультразвука сварочного наконечника и опоры, на которой располагаются свариваемые детали. Широко известны колебательные системы с использованием резонирующих стержней, работающих в режиме изгибных колебаний.

Электромеханические преобразователи изготовляются из магнитострик ц ионных или электрострикционных материалов (никель, титанат бария и др.). Под воздействием неременного электромагнитного поля в преобразователе возникают механические напряжения, которые вызывают упругие деформации материала. Таким образом, преобразователь является источником механических колебаний. Волноводное звено служит для передачи энергии к сварочному наконечнику. Это звено должно обеспечить необходимое увеличение амплитуды колебаний сварочного наконечника по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, трансформировать сопротивление нагрузки и сконцентрировать энергию.

Сварочный наконечник является элементом, посредством которого осуществляется отбор мощности, поглощаемой в зоне сварки. По существу, это звено, определяющее площадь и объем непосредственного источника ультразвука. Так как в процессе сварки
наконечник внедряется в зону сварки, то он является также и согласующим волноводным звеном между нагрузкой и колебательной системой.

Технология ультразвуковой сварки

При вводе механических колебаний в свариваемые металлы изделие начинает вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма колебаний определяется геометрическими размерами изделия.
В наиболее простом и распространенном случае сварки листа прямоугольной формы в последнем устанавливается стоячая волна с характерным чередованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний. Уровень напряжений, возникающих в пучностях, определяется мощностью энергии, вводимой в зону сварки.

При этом возникает опасность появления микро и макротрещин в зоне сварки. Образование трещин возможно при достаточном уровне энергии, что свойственно металлам, обладающим малой пластичностью, имеющим местные дефекты, чрезмерный наклеп и т. п.

Для снижения вредного эффекта вибрации свариваемого изделия применяют струбцины с резиновыми прокладками, предварительное снятие заусенцев, округление углов, если это возможно по условиям изготовления детали, предварительный отжиг места соединения и т. п. Наиболее рациональной мерой является снижение амплитуды колебаний сварочного наконечника.

При использовании некоторых колебательных систем наблюдается самопроизвольное разворачивание деталей относительно друг друга во время сварки. Это означает, что необходимо применение специальных кондукторов, обеспечивающих фиксированное положение деталей в процессе сварки. Ранее было установлено, что закрепление образцов для предотвращения их перемещения во время сварки снижает качество сварки.

Однако позднее, исследуя это явление, пришли к выводу, что дополнительное «прокручивание» образцов повышает прочность сварки до 60%. Причиной «прокручивания», повидимому, является следующее. При условии интенсивного внешнего трения между свариваемыми деталями и относительно низком зажимном усилии в процессе образования сварного соединения возникают и разрушаются единичные узлы схватывания. Вполне естественно, что в некоторый момент времени на одной половине приполированного пятна для сварки может образоваться узел, в то время как на другой - нет.

Поскольку амплитуда колебаний между деталями в узле схватывания существенно меньше амплитуды проскальзывания между деталями зоны сварки, в которой еще не возникли узлы схватывания, то наличие результирующей пары сил относительно вертикальной оси узла схватывания вполне вероятно. При УЗС некоторых металлов наблюдается интенсивное сцепление сварочного наконечника со свариваемым металлом. С точки зрения передачи энергии в зону сварки исследователи считают, что это рационально.

С технологической же точки зрения это совершенно неприемлемо, так как приварка сварочного наконечника к детали исключает нормальную эксплуатацию сварочной машины. Как выявлено, налипание свариваемого металла на сварочный наконечник и износ наконечника имеют сложную природу. По существу, это задача, обратная УЗС. Поэтому для сварочного наконечника нужен материал, который обладал бы максимальной когезией поверхностного слоя относительно свариваемого материала. Один из основных параметров процесса, определяющий выделение энергии в зоне сварки - сопротивление нагрузки, зависит от формы и характера контактирования сварочного наконечника с деталью, практически неуправляем. Механические колебательные системы, являющиеся источниками ультразвука, частотно зависимы. Изменение реактивности в системе приводит к изменению собственной частоты системы. Работа системы вне резонанса, как правило, нецелесообразна. Таким образом, нельзя допускать произвольного изменения геометрических размеров системы, в частности стержней, передающих энергию в зону сварки.

Изложенные особенности ряда технологических факторов весьма существенны. Любой из этих недостатков, выраженный в крайней форме, может поставить под сомнение целесообразность применения УЗС. Вместе с тем УЗС характеризуется весьма ценными технологическими особенностями. Так, микросмещения деталей относительно друг друга вызывают дробление твер-дых окислов и выгорание жировых пленок, что приводит к самопроизвольной очистке поверхностей свариваемых металлов и к последующей их сварке. Это позволяет наиболее эффективно решать проблему присоединения токоотводов в различного рода электро и радиотехнических устройствах, так как УЗС обеспечивает переходное сопротивление на уровне сопротивления свариваемых металлов. Температура в зоне соединения составляет 0,4-0,6 от температуры плавления металла. Это обеспечивает минимальное искажение исходной структуры, отсутствие выплесков и брызг металла.

В силу специфичности процесса при УЗС хорошо свариваются металлы, обладающие малым электрическим сопротивлением: электротехническая медь, чистый и сверхчистый алюминий, серебро.

При УЗС в принципе нет ограничений по нижнему пределу свариваемых толщин различных металлов. Возможно также соединение с существенным перепадом толщин и свойств свариваемых металлов (металл/стекло; отношение толщин 1:1000 и больше).

Для УЗС также характерны:

1)   малая энергоемкость;
2) возможность питания нескольких сварочных головок от одного генератора и возможность выноса их на значительное расстояние;
3)   простота автоматизации процесса работы колебательной системы;
4)   гигиеничность процесса.

Одной из особенностей технологии сварки ультразвуком является ограниченность диапазона форм свариваемых деталей. Это объясняется тем, что геометрические размеры элементов колебательной системы зависят от заданной частоты. Произвольное изменение размеров резонирующих элементов, посредством которых энергия подводится к зоне сварки, производить нельзя.

В этом отношении УЗС обладает существенно меньшими технологическими возможностями, чем, например, контактная сварка.

Зона доступа к сварочному наконечнику, а точнее, возможный диапазон форм изделий, которые можно сварить УЗС, в различных вариантах построения механических колебательных систем складывается из сочетаний нескольких элементов.

Например, известны системы, состоящие из преобразователя, волновода продольных колебаний и сварочного выступа. Зона доступа к сварочному наконечнику в этом случае определяется длиной волновода продольных колебаний и высотой сварочного выступа в сочетании с конусностью волновода и точкой его закрепления.

Сварочный выступ (выступает от образующей концентратора на 25 мм) является нерезонансным элементом произвольной формы. Свариваемые детали располагаются на массивной опоре. Технологические возможности такой механической колебательной системы ограничиваются относительно простыми формами изделий.

Более совершенной является модификация этой системы. Зона доступа в этом случае увеличена за счет применения резонансного звена и удлинения плеча поворота системы. Такими же возможностями обладают системы с продольно-поперечной схемой волноводов. Однако при этом следует отметить, что передача усилия сжатия происходит посредством перемещения опорного элемента.

Варианты механических колебательных систем для точечной сварки

Опора перемещается вместе со свариваемыми изделиями. Изделия необходимо фиксировать дополнительным устройством. Такая кинематическая схема ограничивает верхний предел производительности сварочной машины.

Колебательная система, разработанная фирмой Sonobond Ultrasonics, работает в сочетании с резонансной опорой, которая позволила значительно увеличить рабочее пространство у сварочного наконечника.

Применение продольно-поперечной системы со стержнем постоянного сечения также не позволяет решить такую задачу, так как при УЗС в зависимости от механических свойств и соотношения толщин свариваемых металлов положение деталей относительно сварочного наконечника имеет большое значение. Решить такие задачи можно при применении модификаций стержня колебательной системы. Для сварки изделий в труднодоступных местах можно воспользоваться стержнем с Г-образным наконечником.

Экспериментально была установлена возможность применения выступа в пределах Уд длины волны в стержне. Смещение точки съема энергии относительно оси стержня существенно увеличивает возможный диапазон форм свариваемых деталей.

Источник: Металлопрокат 

Размещение рекламы в каталоге

Перейти в раздел: Сварочное Оборудование.