Ультразвуковая сварка | Сварка и сварщик

При сварке ультразвуком неразъемное соединение образуется при совместном воздействии на детали механических сдвигающих колебаний с ультразвуковой частоты (f = 20…230 Кгц), относительно небольшом сдавливающем усилии, приложенном перпендикулярно к свариваемым поверхностям и тепловом эффекте вследствие трения при их возвратно-поступательных перемещениях. В результате в зоне сварки наблюдается небольшая пластическая деформация.

В начальный момент действия с ультразвуковых колебаний на свариваемых поверхностях возникает сухое трение, приводящее к разрушению окисных и адсорбированных пленок. После появления ювенильных поверхностей процесс сухого трения переходит в чистое трение, сопровождающееся образованием узлов схватывания. Схватыванию способствует малая амплитуда колебаний трущихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний.

Для получения механических колебаний ультразвуковой частоты используется открытый Р. Джулен в 1847 г. магнитострикционный эффект. Этот эффект заключается в том, что под действием переменного магнитного поля, направленного вдоль магнитопровода, происходит его укорочение или удлинение.

Основной узел машины для ультразвуковой сварки — магнитострикционный преобразователь (рис. 1), обмотка которого питается током ультразвуковой частоты 20…180 Кгц от генератора. Охлаждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод в виде продольных механических перемещений на верхний наконечник

При сварке изделие 4 зажимают между наконечниками, к которым прикладывают усилие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Наиболее распространенными схемами ультразвуковой сварки являются точечная, шовная и по контуру. При точечной сварке наконечниками служат круглые или другой формы стальные пуансоны, при шовной стальные ролики.

Рис. 1. Схема установки для сварки ультразвуком:

1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — волновод; 3 — наконечники; 4 — свариваемые детали.

Основные параметры режимов ультразвуковой сварки: мощность преобразователя, частота и амплитуда колебаний инструмента, усилие сжатия, время сварки.

Мощность ультразвукового преобразователя выбирается в зависимости от толщины и свойств металла свариваемых деталей. Обычно она равна 4…6 кВт. Амплитуда колебаний инструмента (Обычно в пределах 10…20 мкм) является одной из важнейших характеристик сварочного процесса, влияющей на свойства сварного соединения и на его прочность.

Усилие сжатия необходимо для обеспечения требуемого физического контакта между деталями. Он составляет 100…2000 кН. Сила трения при смещении детали друг относительно друга под воздействием ультразвуковых колебаний также зависит от усилия сжатия.

Время сварки тоже оказывает существенное влияние на прочность сварного соединения. При малом времени сварки соединение получается непрочным, так как углы схватывания занимают небольшую часть поверхности контакта. Если же время сварки слишком большое, то на деталях образуются глубокие вмятины от электродов, наблюдается усталостное разрушение сварного соединения и схватывание электродов с деталями. Время сварки при точечном соединении 0.5…3 с.

Процесс ультразвуковой сварки сопровождается выделением тепла в месте образования соединения в результате трения в контакте между деталями. Максимальная температура в зоне сварки не превышает 0.5…0.7 температуры плавления. В некоторых случаях детали перед сваркой подогревают.

Предварительный подогрев приводит к уменьшению времени сварки и способствует повышению прочности соединения. Однако слишком высокая температура нагрева не позволяет повысить прочность вследствие увеличения текучести металла и обусловленного этим ухудшения передачи ультразвуковых волн в зону сварки.

Имеющийся опыт применения сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа:

1. Сварка ультразвуком позволяет соединить разные металлы, хорошо свариваются алюминий, медь, никель, удовлетворительно — высоколегированные стали. Получены соединения на ряде тугоплавких металлов — ниобии, тантале, молибдена и вольфраме. Существенные успехи получены при сварке металлов с неметаллами (полупроводниками, стеклом и некоторыми другими материалами). С помощью ультразвука сваривают детали из пластмасс, получают соединения биологических тканей, что является одним из уникальных примеров использования сварки ультразвуком и одновременно характеризует ее широкие возможности.
2. Возможны соединения тонких и ультратонких деталей, сварка пакетов из фольги, можно приваривать тонкие обшивки и фольгу к элементам несущей конструкции, толщина которых практически не ограничена.
3. Сварка ультразвуком происходит в твердом состоянии без существенного нагрева места сварки, что позволяет соединять химически активные металлы или пары металлов.

4. Не требуется предварительная зачистка поверхности детали, в связи с чем возможна сварка плакированных и оксидированных деталей.
5. Небольшие сдавливающие усилия вызывают незначительную деформацию поверхности деталей в месте их соединения.
6. Сварка ультразвуком более экономична, так как применяется сварочное оборудование малой мощности. Например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100…150 кВт, при ультразвуковой сварке того же соединения — 2.5…5 кВт.

Недостатки ультразвуковой сварки заключаются в следующем. Прежде всего толщина свариваемых деталей ограничена 2,0 мм. Для больших толщин необходимо увеличить частоту колебаний, что приводит к разрушению волновода. Неустойчивость параметров сварки вследствие нестабильности количества энергии, поступающей в зону сварки из-за отклонений в размерах деталей, различного состояния их поверхностей, нестабильности в работе ультразвукового генератора, механизма сжатия и т.п. вызывает значительные колебания прочности сварных соединений.

Ультразвуковая сварка нашла широкое применение для соединения тонких деталей в приборостроении, радиоэлектронной промышленности и особенно в микроэлектронике, а также для полимерных пленок, полимеров.

Ультразвуковая сварка металлов и полимеров: особенности технологии, оборудование

Ультразвук применяется везде, включая промышленную сферу. Особую значимость он приобрел в сварочных работах, особенно при проведении сваривании тонких металлических листов, деталей. Ультразвуковая сварка производится путем акустических колебаний, при этом материал обязательно находится под небольшим давлением.

Применение данной технологии предотвращает деформирование швов, которое часто проявляется при проведении других видов сварки, а сам шов выходить прочным и качественным.

Характеристика метода

Сварка ультразвуком — это метод создания неразъемных соединений. Во время этой технологии генератором производится замена электрических колебаний с определенным показателем частоты на механические колебания аппарата. Показатели электрических колебаний ультразвука могут быть около 30 кГц.

Специфика данного процесса состоит в направлении теплового воздействия. УЗС имеет некоторые отличия от классических методов сваривания, которые состоят в произведении нагревания контактирующих областей деталей. Ее часто используют для разнородных металлов. Это единственный метод сваривания, который может применяться для соединения ряда полимерных материалов.

Преимущества

Ультразвуковая сварка металлов и полимеров обладает многими положительными особенностями, поэтому она пользуется популярностью в области промышленности.

К основным преимуществам данной технологии относят:

1. Высокая скорость выполнения работ, которая оказывает положительное воздействие на производственный процесс.
2. При проведении сварки не выделяются вредные испарения, которые могут оказать негативное воздействие на состояние дыхательной системы человека.
3. Для защиты свариваемой области не требуется применять инертные газы.
4. Этот метод обладает высокой экономичностью, потому что во время него не нужно применять электроды, присадочную проволоку.
5. При помощи влияния высокочастотных колебаний производится самостоятельная предварительная очистка поверхностей от мусора и оксидных пленок.
6. На всех стадиях работ не проявляются внутренние напряжения шва.
7. Аккуратно делает соединения с малозаметными следами прижима сварочного стержня.
8. Не наблюдается деформирования в области сваривания. Это обеспечивается за счет точечного и кратковременного механического воздействия механических колебаний.
9. Позволяет производить швы во всех пространственных положениях.
10. Возможность производить сваривание изделий из металла и полипропилена.
11. Простое проведение, сварочный процесс смогут выполнить даже новички.
12. Не наблюдается электрического напряжения на свариваемой детали.

Стоит отметить! При проведении ультразвукового сварочного процесса шов всегда получается ровным, прочным. Он не нуждается в проведении дополнительной обработки.

Используемое оборудование

Перед проведением этого сварочного процесса стоит рассмотреть важные особенности ультразвукового сварочного аппарата, который применяется при сваривании разных деталей из металла и полипропилена. Оборудование разделяется на аппараты, при помощи которых можно выполнять точечную контурную прессовую, шовную и шовно-шаговую сварку.

Показатель мощности аппаратов колеблется в диапазоне от 100 до 1500 Вт. Работают в основном на частоте 20000-22000 Гц.

В качестве главного элемента конструкции выступает электромеханическая колебательная система. Ее основное назначение состоит в преобразовании задаваемых генератором электрических колебаний в механические при неизменной частоте.

Кроме этого при проведении ультразвукового сварочного процесса стоит использовать другие необходимые элементы:

• акустический узел с волноводом;
• прессовый механизм;
• привод для увеличения давления;
• ультразвуковой излучатель для сварки;
• аппаратура для контролирования процесса.

Часто применяется ультразвуковая швейная машина для сварки полимеров, при помощи которой можно производить сваривание, резку, обработку пластикового материала. Чтобы процесс был удобным, элемент фиксируется на рабочем столе. К положительным особенностям данного оборудования относится высокая скорость, отличное качество шва.

Особенности технологии

Чтобы понять, как работает ультразвуковая сварка стоит рассмотреть ее основные особенности:

• первым делом требуется подключить прибор, это необходимо для начала выработки тока с нужной частотой и преобразования его в механические колебания;
• на область подставки оборудования помещается нижняя сторона свариваемой детали;
• сверху выкладывается вторая часть с таким же размером. Детали должны располагаться точно, это необходимо для сохранения симметрии и правильности сборки;
• стороны сжимаются прессом и закрепляются;
• в конце процесса устанавливается сварочная головка для излучения импульсов с заданной временной длиной;
• по окончанию воздействия ультразвука пресс отводится вверх, а элемент проверяется на качество соединения.

Ультразвуковая сварочная технология считается уникальной, она позволяет сваривать тонкие металлические и полипропиленовые изделия, которые не могут сварить другие виды сварок. При этом получается прочный и ровный шов без деформаций. Но чтобы выполнить все правильно стоит предварительно рассмотреть основные особенности и нюансы.

Интересное видео

Технология и оборудование ультразвуковой сварки металлов (1часть)

Ультразвук находит широкое применение в науке для исследования некоторых физических явлений и свойств веществ. В технике ультразвуковые колебания используют для обработки металлов и в дефектоскопии.

В сварочной технике ультразвук может быть использован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения благодаря измельчению структуры металла шва и удалению газов.

Ультразвук может быть источником энергии для создания точечных и шовных соединений. Ультразвуковые колебания активно разрушают естественные и искусственные пленки, что позволяет сваривать металлы с окисленной поверхностью, покрытые слоем лака и т. п. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформации, возникающие при сварке. Им можно стабилизировать структурные составляющие металла сварного соединения, устраняя возможность самопроизвольного деформирования сварных конструкций со временем.

В качестве источника энергии при сварке металлов ультразвук еще не нашел широкого применения, хотя этот способ имеет ряд преимуществ и особенностей по сравнению с контактной и холодной сваркой.

При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. В принципе этот метод сварки имеет много общего с холодной сваркой сдвигом.

Для получения механических колебаний высокой частоты обычно используется магнитострикционный эффект, состоящий в изменении размеров, некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля. Для ультразвуковых преобразователей обычно используют чистый никель или железо-кобальтовые сплавы. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень малы: так, для никеля магнитострикционное удлинение составляет 40-10^-6. Поэтому для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний, а также Для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы или концентраторы, которые в большинстве случаев имеют сужающуюся форму.

Эксперименты показывают, что для сварки металлов достаточно иметь волноводы с коэффициентом усиления около 5, при этом амплитуда на конце волновода при холостом ходе должна быть 20—30 мкм. Магнитострикционный преобразователь и волноводы должны быть рассчитаны и изготовлены на заданную частоту ультразвукового генератора.

Основной узел машины для выполнения точечных соединений с помощью ультразвука — магнитострикционный преобразователь (рис. 8).

Рис.8. Схема установки для точечной сварки ультразвуком:1—магнитострикционный преобразователь;2— диафрагма;3 — механизм нажатия;4 — выступ;5 — маятниковая опора;6 — волновод;7 — кожух водяного охлаждения;8 — изделие

Его обмотка питается током высокой частоты от ультразвукового генератора. Охлаждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 изготовлен из пермендюра (К49Ф2), он служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания, которые передаются волноводу 6. На конце волновода имеется рабочий выступ 4. При сварке изделие 8 зажимают между рабочим выступом 4 и механизмом нажатия 3, к которому прикладывают усилие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Сварка происходит при включенном преобразователе. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на рабочий выступ 4 в виде горизонтальных механических перемещений высокой частоты. Длительность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины, для малых толщин она исчисляется долями секунды.

Основные узлы машины для выполнения шовных соединений при помощи ультразвука (рис. 9): вращающийся магнитострикционный преобразователь 1 н волновод 2. Конец волновода имеет форму ролика 3. Изделие 5, подлежащее соединению, зажимают между вращающимся роликом 3 волновода и холостым роликом 4, Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на ролик, который вращается вместе с волноводом.

Рис.9.Схема установки для роликовой сварки ультразвуком:1—магнитострикционный преобразователь; 2 — волновод; 3 — сваривающий ролик;4 — прижимной ролик; 5 — изделие; 6 — кожух преобразователя; 7 — подвод тока от ультразвукового генератора;8 — привод; 9 — подвод охлаждающей воды

Изделие, зажатое между роликами, перемещается, и одновременно создается герметичное соединение.

Сварка по контуру, разработанная в МВТУ — МЭИ, обеспечивает получение герметичного шва практически самого сложного контура. Простейший ее вид — сварка по кольцу. В этом случае конический штифт, вставляемый в волновод, имеет форму трубки (рис. 10). При равномерном поджатии деталей к сваривающему штифту получается герметичное соединение по всему контуру.

Процесс ультразвуковой сварки происходит при воздействии сдвигающих высокочастотных колебаний, давления, приложенного перпендикулярно к поверхности листа, и теплового эффекта, сопровождающего процесс сварки. В результате в зоне сварной точки наблюдается небольшая пластическая деформация.

Исследование процесса образования сварного соединения при ультразвуковой сварке медных пластин толщиной 0,35 + 0,35 мм показывает, что при малом времени пропускания ультразвука (менее 0,05 с) сварка не происходит.

Рис.10.Схема установки для ультразвуковой сварки по контуру:1— волновод;2 — сменный полый штифт; 3 — сменный прижимной штифт; 4 — прижимная опора; 5 — свариваемое изделие

Рис.11. Макроструктура мест разрушения сварных соединений меди после различной продолжительности пропускания ультразвука. Х16

После разъединения образцов на их поверхности непосредственно под сваривающим выступом наблюдается пятно, имеющее полированную поверхность (рис. 11, а). Диаметр полированного пятна возрастает при увеличении времени сварки (рис. 11, а—д). При пропускании ультразвука в течение 0,1 с в местах контакта обнаруживаются не только зашлифованные поверхности, но и вы- рывы металла, свидетельствующие об образовании прочных соединений, так называемых узлов схватывания. На рис. 11, б виден один узел схватывания на зашлифованной поверхности.

Пропускание ультразвука в течение 0,73 с привело к дальнейшему увеличению площади зашлифованного пятна, при этом площадь узла схватывания также возросла. Вокруг основного узла схватывания возникли отдельные небольшие участки схватывания, удлиненные в направлении ультразвуковых колебаний. С увеличением времени пропускания ультразвука более 0,73 с площадь зашлифованного участка почти не изменяется (рис. 11, г, д), но площадь узлов схватывания начинает увеличиваться более интенсивно. При пропускании ультразвука свыше 1,06 с происходит разрушение сварного соединения с вырывом точки по всему контуру.

Проведенные измерения микротвердости поверхности зашлифованного пятна и основного металла вблизи пятна показали, что микротвердость поверхностного слоя зашлифованного пятна выше (Н₅₀ 42—44), чем у основного металла (Н₅₀ 28—30). Образование полированного пятна на свариваемых поверхностях указывает на то, что оно возникло вследствие трения под действием высокочастотных колебаний соприкасающихся поверхностей непосредственно под контактным выступом.

Таким образом, процесс ультразвуковой сварки происходит под действием трения, вызванного микроскопическим возвратно-поступательным перемещением трущихся поверхностей.

Ультразвуковая сварка пластмассы, металла и проводов: технология

Ультразвуковая сварка – это процесс соединения различного материала, при котором источником энергии выступает ультразвуковое колебание.
Общие сведения

Сущность ультразвуковой сварки является метод звукового колебания как одним из наиболее действенных инструментов для соединения конструкций твёрдых металлов. Она успешно используется для варки однородных и неоднородных соединений. Это возможно при подаче механической колебательной энергии в область сварки.

Схемы типовых колебательных систем металлов предоставлена на рисунке ниже: а – продольная; б – продольно-поперечная; в – продольно-вертикальная; г – крутильная; 1 – электроакустический преобразователь; 2 – волновое звено; 3 – акустическая развязка; 4 – сварочный наконечник; 5 – свариваемые детали.

Схема типовых колебательных соединений

Сварка металлических конструкций выполняется под действием системы стержневых колебаний.

Составляющим является ультразвуковой концентратор. Он оснащён преобразователем резонанса и сварочным наконечником.

В зависимости от разновидности соединений, их толщины, заготовки сжимаются с определённой силой.

Область применения

1. Ультразвуковая сварка как метод соединения широко применяется в несущих конструкциях авиационных линий.
2. Ультразвуковая сварка активно используется в автомобильной отрасли. Им можно успешно сваривать многожильные медные провода. Общий объём сечения может колебаться от 0,5 мм² , и достигать 45 мм² .
3. Ультразвуковая сварка задействована для производства электрических силовых агрегатов и патронов для подушек безопасности.
4. Данный метод хорошо зарекомендовал себя в электротехнической и электронной промышленности. Ультразвуковая сварка меди является качественным соединением с использованием ультразвука.
5. Ультразвуковая сварка даёт возможность качественного соединения фольги, проволоки и листов. А также в микроэлектронике для изготовления полупроводниковых приборов.
6. С помощью данного метода соединения выпускаются нагреватели бытовых холодильников.

Преимущества и недостатки

Рассматривая каждый метод варки однородных и неоднородных соединений нельзя пройти мимо положительных и отрицательных качеств. К плюсам использования метода, о котором идёт речь, можно отнести:

1. возможность выполнять работы без предварительной подготовки.
2. T ^{режим может быть не большим.}
3. Возможность прочно соединять термочувствительные конструкции.
4. Проведение варки элементов различной толщины.
5. Ультразвуковая сварка позволяет соединять разнородные металлы.
6. Варка характеризуется хорошими электрическими свойствами при небольшом переходном сопротивлении.

«На заметку!

Показатель прочность соединений на уровне 70% от прочности основного металла.»

Нельзя не согласиться, что данный метод – это скорость, экологическая чистота и экономичность.

Не будем восхищаться вышеперечисленными положительными моментами. Просто зафиксируем их в памяти. Хотя, и негатив нельзя откинуть в сторону, он существует:

• так при выполнении процесса рабочие детали может разворачивать;
• от используемого инструмента на рабочих поверхности остаются видимые вмятины;

Кроме этого, устройство ограничено эксплуатационным сроком. Возникают, определенного рода проблемы, в процессе проведения ремонтных работ.

Несмотря на это, можно утверждать, что ультразвуковая сварка прогрессивный метод , имеющий больше положительных моментов, нежели отрицательных.

Виды ультразвуковой сварки

В процессе рассмотрения эффективности использования данного метода варки, необходимо остановиться на соединении полупроводников.

В данном случае используется нахлёсточный способ соединения. К этому добавляется конструктивное оформление рабочих элементов. Данная технология ультразвуковой сварки заключается в соединении конструкций точечным методом с использованием одной или нескольких точек. Это может быть непрерывный шов или замкнутый круг. Когда проводится формовка проволочной рабочей заготовки, выполняется тавровое соединение с её плоскостью.

«Обратите внимание!

Этот вариант допускается при предварительной формовке!»

Ультразвуковая сварка проводников

Предусмотрена возможность пакетирования: одновременное соединение нескольких материалов воедино.

Ультразвуковая сварка пластика и пластмасс

Ультразвуковая сварка пластмасс. Варка этим способом возможна с использованием спецмашин. Это сложное, в технологическом плане устройство, где есть рабочие узлы, а именно:

1. Источник питания.
2. Колебательная система механического принципа действия.
3. Блок управления.
4. Привод давления.
5. Электромеханический преобразователь с обмоткой, заключённый в корпус с жидкостью для охлаждения.
6. Трансформатор упругих колебаний.
7. Сварочный наконечник.

Ультразвуковая сварка пластмасс

А также опора с механизмом давления на рабочие поверхности.

Ультразвуковая сварка пластмасс даёт возможность соединения микро/деталей.

Технологические схемы

Технологические схемы можно различить по характеру колебаний. Существует несколько вариантов, таких как:

1. Крутильный.
2. Изгибный.
3. Продольный.

Изгибные и продольные колебания используются для контурного, шовного и точечного соединения рабочих поверхностей.

Схема ультразвуковой сварки

К особенностям рабочего процесса УЗ/С можно отнести возможность формирования положительных соединений.

Создание нивелирных участков на обрабатываемых деталях, а также физический контакт возможен с использованием специального инструмента.

Видео-пример ультразвуковой сварки

 

Техника безопасности

При проведении работ соблюдение технологического процесса выполняется с использованием методов и условий противопожарной безопасности.

Неотъемлемой частью выполнения работ для обслуживающего персонала является использованием средств и методов индивидуальной защиты.

Рабочий процесс условно можно разделить на два этапа:

• подготовительные мероприятия;
• и рабочий цикл.

На первом этапе нужно подготовить рабочий материал, привести в соответствие рабочую площадь, освободив её от посторонних предметов, и проверить оборудование. Обратить внимание на исправность электрических соединений.

«Важно!

Осуществлять допуск к работе только для лиц достигших 18 летнего возраста и закончивших специальные курсы.»

Перед началом работ, мастер или ответственное лицо назначенное приказом, проводит инструктаж по ТБ (технике безопасности). О чём должна быть соответствующая роспись ознакомленного сотрудника в журнале инструктажа ТБ. Подробно о соблюдении ТБ написано в инструкции по проведению работ.

В интернете достаточно литературы по этому вопросу. Есть обучающие ролики, где показано не только видеоматериал данного метода, рабочих процессов, но и в полном объёме раскрывается тема ТБ.

Заключение

Ультразвуковая сварка в отдельных отраслях народного хозяйства стала незаменимым методом соединения однородных и неоднородных деталей, пластичных и твёрдых материалов.

Инженеры и сегодня трудятся над усовершенствованием рабочих инструментов. Цель научных работ – обеспечить ультразвуковой контроль сварки. Сделать варочный процесс более качественным и эффективным, обеспечив его новым оборудованием.

Сегодня не только в производстве возможно использование данного метода. Возможна ультразвуковая сварка своими руками при выполнении несложных в техническом плане работ. Это может быть ультразвуковая сварка проводов различных бытовых приборов и металлов.

Ультразвуковая сварка металлов | Публикации Виндэк

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.

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.

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 . 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.

Технология и оборудование ультразвуковой сварки металлов (2 часть)

В начальный момент действия ультразвуковых колебаний на свариваемых поверхностях возникает сухое трение, приводящее к разрушению окисных пленок и пленок из адсорбированных газов и жидкостей. После появления ювенильных поверхностей процесс сухого трения переходит в чистое трение, которое сопровождается образованием узлов схватывания. Схватыванию в значительной степени способствует малая амплитуда колебаний трущихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний.

Металлографические исследования образцов различных металлов, сваренных при повышенных давлениях, мощности и продолжительности, не обнаружили в зоне сварки литой структуры или воздействия на металл очень высоких температур. На рис. 12 видны общие зерна, принадлежащие обеим свариваемым поверхностям и пересекающие границу раздела. Сварка может также происходить путем образования общей границы между поверхностными зернами.

Рис.12. Микроструктура соединений дюралюминия марки Д16АТ. Х350

В этих обоих случаях сварное соединение обладает прочностью, равной прочности основного металла.

На рис. 13, а приведена зависимость резрушающей нагрузки на точку при срезе от продолжительности пропускания ультразвука. Испытывали медные образцы толщиной 0,35 0,35 мм. Разрушающая нагрузка возрастает с увеличением продолжительности пропускания ультразвука. Увеличение разрушающей нагрузки объясняется расширением площади схватывания (рис. 13, б). Даже в случае минимальной продолжительности пропускания ультразвука образующееся соединение имеет высокую прочность, которая не изменяется с увеличением продолжительности пропускания ультразвука и площади узлов схватывания (рис. 13, в). Аналогичные результаты получены при испытании на срез соединения из алюминия. Средняя величина предела прочности 5,8 кгс/мм² (56,8 МН/м²) оставалась примерно постоянной и не зависела от времени сварки.

Испытания на отрыв сварных соединений медных образцов показали высокий предел их прочности, около 20 кгс/мм² (196 МН/м²), близкий к пределу прочности основного металла.

Высокие значения предела прочности ультразвуковых сварных соединений подтверждают то, что они образуются вследствие возникновения металлических связей в узлах схватывания, имеющих такую же прочность и природу, как и основной металл.

Процесс ультразвуковой сварки сопровождается выделением теплоты в зоне сварки, вызванной трением на контактных поверхностях и пластическими деформациями металла.

Рис.14.Тепловыделение при ультразвуковой сварке;а—термические циклы при сварке алюминия толщиной 0,5+0,5 мм в зависимости от продолжительности пропускания ультразвука и усилия сжатия; б— влияние температуры подогрева на прочность соединений алюминиевых проводников диаметром 0,1 мм с алюминиевыми пленками на ситалле (f =60 кГц; Р=0,2 кгс; А = 1,5 мкм)

Температура в зоне сварки зависит от прочностных характеристик, главным образом от твердости металла, его теплофизических свойств (теплопроводности и теплоемкости) и от режима сварки. Существует оптимальное давление, при котором развивается максимальная температура, дальнейшее увеличение давления приводит к увеличению скорости нарастания в начале сварки и уменьшению значения максимальной температуры (рис. 14, а). Это вызвано уменьшением мощности, передаваемой в зону сварки вследствие выхода из резонанса колебательной системы, увеличением площади контакта в зоне сварки и т. п. Повышение температуры не является определяющим фактором, так как максимальная прочность сварных соединений достигается ранее, чем максимальная температура в контакте.

Предварительный подогрев изделия способствует уменьшению длительности пропускания ультразвуковых колебаний и увеличению прочности сварного соединения (рис. 14, б).

При малых давлениях прочность точки в значительной степени зависит от продолжительности прохождения ультразвука. С повышением давления сварные соединения прочнее при меньшей продолжительности прохождения ультразвука. При очень продолжительном пропускании ультразвука и большом давлении сварное соединение некачественно вследствие значительных деформаций основного металла и приваривания его к электроду (рис. 15). При шовной сварке прочность сварных соединений обычно выше прочности основного металла и разрушение происходит по основному металлу.

Технология и оборудование ультразвуковой сварки металлов (4часть)

Установки типа УЗС (рис. 16) и УЗС-2 предназначены для присоединения круглых (диаметром 0,03—0,1) и плоских проводников толщиной до 0,1 мм из пластичных металлов (золота, алюминия) к тонким золотым, алюминиевым и медным пленкам, напыленным на диэлектрические подложки. Установки комплектуются ламповыми ультразвуковыми генераторами.

Полуавтомат МС41П2-1 предназначен для соединения деталей микросхем в круглом и плоском корпусах ультразвуковой сваркой золотыми и алюминиевыми проводниками диаметром 20—25 мкм. Высокая производительность станка (до 800 сварок в час) обеспечивается автоматической подачей и обрывом проволоки. В полуавтомате для повышения стабильности прочностных показателей использован сопутствующий подогрев. Полуавтомат состоит из следующих узлов: сварочной головки, кассеты с проволокой, ультразвукового генератора, блока регулирования температуры подогрева, манипулятора и микроскопа МБС-2.

Электрическая схема управления машиной выполнена на транзисторных конических элементах с бесконтактной коммутацией цепей. Ультразвуковой генератор на транзисторах имеет автоматическую подстройку частоты, чем достигается стабильность амплитуды колебания сварочного инструмента. Кинематическая схема полуавтомата МС41П2-1 приведена на рис. 17.

Корпус сварочной головки 1 может перемещаться вертикально в направляющих. Ее подъем и опускание осуществляются кулачком 2. В установленном положении сварочная головка фиксируется стопором. Механическая колебательная система 6 укреплена в корпусе на оси 5. Поворот системы достигается с помощью кронштейна 8 от кулачка 12, который поворачивается от перемещения тяги 13 при нажатии на педаль 14. Обратный ход кулачка происходит под действием пружины 12. Начальное положение сварочного наконечника 7 относительно свариваемой детали регулируют перемещением ползуна 9 с роликом 10 в пазу кронштейна 8. Усилие сжатия регулируют ручкой 3 механизма 4 давления.

Установка для ультразвуковой сварки с импульсным косвенным нагревом УЗСКН-I (рис. 18) предназначена для изготовления полупроводниковых приборов, тонкопленочных и полупроводниковых интегральных схем.

Рис. 16. Установка УЗС

Рис.17.Кинематическая схема полуавтомата МС41П2-1

В установке использован комбинированный цикл — ультразвуковая сварка в сочетании с импульсным косвенным нагревом. Установка предусматривает возможность сварки как комбинированным циклом с любой последовательностью импульсов ультразвука и нагрева и с разной длительностью смещения моментов их включения, так и сварке только ультразвуком или только косвенным нагревом. Свариваемые элементы нагреваются за счет теплопередачи от сварочного инструмента (пуансона), нагреваемого импульсом проходящего через него тока промышленной частоты (50 Гц).

Для осуществления токоподвода к сварочному инструменту применена конструкция «расщепленного» преобразователя ультразвуковых колебаний, в котором волновод разрезан на две равные части, между которыми расположен тонкий слой изоляции (рис. 19). Сварочный инструмент в виде V-образной иглы вставляется в отверстие на рабочем конце «расщепленного» волновода между его обеими частями и стягивается винтом для обеспечения хорошего акустического и электрического контакта.

На установке УЗСКН-1 можно приваривать круглые (диаметром 0,03—0,1 мм) и плоские (толщиной до 0,05 мм) проводники из алюминия, золота, меди к контактным площадкам из золота, алюминия, меди, тантала, никеля, напыленные на диэлектрические полупроводниковые подложки.

Опыт эксплуатации сварочных ультразвуковых установок показал, что этот метод наиболее перспективный в микроэлектронике, так как обеспечиваем получение высоконадежных соединений, исключает общий разогрев изделия, позволяет соединять трудносвариваемые обычными методами сочетания материалов и т. п.

ВНИИЭСО разработан ряд ультразвуковых сварочных машин типа КТУ и МТУ (табл. 7). Акустический узел (рис. 20) этой серии машин состоит из резонирующего стержня со сварочным наконечником 1, концентратора с магнитострикционным преобразователем 2 с обмоткой. Диаметр контактной площади наконечника определяется технологическими требованиями к сварной точке.

Рис.18.Установка для ультразвуковой сварки с импульсным косвенным нагревом УЗСКН-1

Рис.19.Преобразователь ультразвуковых колебаний к установке УЗСКН-1

Рис.20. Акустический узел машины МТУ-0,4

Технические характеристики машин типа МТУ и КТУ

Показатели	МТУ-0,4	МТУ-1,5	КТУ-1,5	МТУ-4
Мощность, кВт	0,4	1,5	1,5	4,0
Частота, кГц	22,0	22,0	22,0	18,0
Усилие сжатия, кгс	6—60	15—150	15—120	50—550
Толщина свариваемых металлов (медь), мм	0,01—0,2	0,1—0,5	0,1—0,5	0,3—1,2
Масса машины, кг	76	82	80	105
Примечание.Производительность машин до 60 точек в минуту.

Сварочный наконечник изготовлен из высоколегированной стали, применение которой исключает налипание свариваемых металлов (медь, алюминий) на наконечник и не требует зачистки даже после сварки 5—20 тыс. точек. Усилие сжатия свариваемых деталей создается приводом давления. Акустический узел в горизонтальном направлении может перемещаться специальным приводом.

Принцип построения механической колебательной системы сварочной головки ультразвуковых сварочных клещей КТУ-1,5 (рис. 21) аналогичен системе, принятой в сварочных ультразвуковых машинах.

Имеющийся опыт применения сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа:

Рис.21. Сварочная головка клещей КТУ-1,5

Рис.22. Медные проводники диаметром 0,3 мм, покрытые лаковой изоляцией, приваренные с помощью ультразвука к клеммной колодке

1. Сварка ультразвуком происходит в твердом состоянии без существенного нагрева места сварки, что позволяет соединять химически активные металлы или пары металлов, склонные образовывать хрупкие интерметаллические соединения в зоне сварки.

2. Возможны соединения тонких и ультратонких деталей, приварка тонких листов и фольги к деталям неограниченной толщины, сварка пакетов из фольги.

3. Снижены требования к чистоте свариваемых поверхностей, в связи с чем возможна сварка плакированных и оксидированных поверхностей и вообще сварка металлических изделий, поверхности которых покрыты различными изоляционными пленками.

4. Небольшие сдавливающие усилия (10—250 кгс 98—2450 Н) вызывают незначительную деформацию поверхности деталей в месте их соединения (вмятина, как правило, не превышает 5—10%).

5. Применяется оборудование малой мощности и несложной конструкции (если, например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100—150 кВА, то при сварке ультразвуком аналогичного соединения — всего 5—2,5 кВА).

Ультразвуковая сварка нашла достаточно широкое применение для соединения тонких деталей из однородных и разнородных материалов в приборостроении и радиоэлектронной промышленности.

Рис.23. Контакты, приваренные к контактным пружинам с помощью ультразвука

Рис.24.Сварные корпусы приборов типа П6

Что такое ультразвуковая сварка

НАЖМИТЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ДЛЯ БОЛЬШЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Рисунок 1
Хотя средства, с помощью которых создаются вибрации в системе клин-язычок, отличаются от системы бокового привода, результаты те же.

Ультразвуковые колебания используются для сварки металлов и пластмасс с 1950-х годов. Для ультразвуковой сварки металлов твердотельный характер процесса, а также другие преимущества привели к широкому применению в электронной, автомобильной, аэрокосмической, бытовой и медицинской промышленности.Различные особенности ультразвуковой сварки металлов, а также последние тенденции в развитии процессов определяют путь к более широкому использованию этого процесса в ряде секторов промышленности.

Системы ультразвуковой сварки

При ультразвуковой сварке ультразвуковые колебания создают относительное движение, подобное трению, между двумя поверхностями, которые удерживаются вместе под давлением. Движение деформирует, срезает и сглаживает локальные неровности поверхности, рассеивая оксиды и загрязнения на границе раздела, чтобы обеспечить контакт металла с металлом и соединение между поверхностями. ^{1, 2} Процесс является твердотельным, что означает, что он происходит без плавления или плавления основных металлов.

На рисунке 1 показаны два основных типа систем, используемых для ультразвуковой сварки металлов, а также показаны детали локального поведения в зоне сварного шва. Система бокового привода состоит из ультразвукового преобразователя, усилителя и рупора / сонотрода. Источник питания подает высокочастотную электрическую энергию к пьезоэлектрическому преобразователю, создавая высокочастотную механическую вибрацию на конце преобразователя.Типичная рабочая частота составляет 20 кГц, но возможна частота 30 кГц и выше. Эта вибрация передается через секцию усилителя, которая может быть сконструирована для усиления вибрации, а затем передается на рупор / сонотрод, который передает вибрации на детали.

НАЖМИТЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ДЛЯ БОЛЬШЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Рисунок 2a
Показанная здесь система сварки с боковым приводом обеспечивает высокочастотную электрическую мощность на пьезоэлектрический преобразователь, создавая высокочастотную механическую вибрацию на конце преобразователя. Фото любезно предоставлено EWI.

Заготовки, обычно два тонких листа металла в простом соединении внахлест, прочно зажимаются между сонотродом и жесткой наковальней статической силой. Верхняя заготовка удерживается на движущемся сонотроде рифленым рисунком на поверхности сонотрода. Аналогичным образом нижняя заготовка удерживается на опоре рифленым рисунком на опоре. Ультразвуковые колебания сонотрода, которые параллельны поверхностям заготовки, создают относительное трение, подобное движению между поверхностью раздела заготовок, вызывая деформацию, сдвиг и выравнивание неровностей, отмеченных ранее.

Компоненты сварочной системы размещены в кожухе, который захватывает сварочную сборку в критических местах, чтобы не гасить ультразвуковые колебания, и обеспечивать средство приложения силы и перемещения сборки для приведения сонотрода в контакт с деталями. и приложите статическую силу. Пример сварочного аппарата с боковым приводом показан на , рис. 2А, .

Второй тип системы ультразвуковой сварки металла известен как клин-язычок. Ключевыми элементами этой системы являются пьезоэлектрический преобразователь, который приводит в действие бустер, который из-за своей отличительной формы называется клином (но в остальном играет ту же роль, что и ранее описанный бустер).Затем клин приводит вертикальный стержень (язычок) в изгибную вибрацию. Затем вибрация на конце язычка передается через сонотрод на язычке на заготовки (см. , рис. 2В, ).

Расположение заготовки аналогично системе бокового привода — она ​​зажата между сонотродом и опорой статическим усилием. Наковальня системы клин-язычок не жесткая (как в случае с боковым приводом), а предназначена для небольшого изгиба под действием ультразвуковых колебаний.Хотя способ, которым вибрации создаются в язычке-клине, отличается от бокового привода, результаты те же: колебательное движение сонотрода, параллельное поверхностям заготовки и создающее относительное движение, подобное трению на заготовках. ‘интерфейс.

Это проявляется при более подробном рассмотрении зоны сварного шва ( Рисунок 1 ), который показывает, что две системы производят одинаковый эффект в зоне соединения сварным швом тонкой области пластически деформированного материала, где происходит соединение твердого тела. между деталями произошел без плавления материалов.

Системы ультразвуковой сварки аналогичны устройствам для точечной сварки, поскольку они обеспечивают соединение на небольшой площади деталей (обычно порядка 40 мм. ² ). Также возможно произвести ультразвуковую сварку шва путем непрерывного катания твердого диска, подвергающегося ультразвуковой вибрации, по заготовке. Другие типы систем ультразвукового соединения включают торсионную вибрацию и ультразвуковое микробондирование, которые широко используются в электронной промышленности для соединения тонких проволок со схемами и микрочипами, и где размеры сварных швов порядка 0.150 мм ² .

Параметры ультразвуковой сварки

НАЖМИТЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ДЛЯ БОЛЬШЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Рисунок 3a
Фото любезно предоставлено Sonobond Corp.

На процесс сварки может влиять ряд параметров, таких как частота ультразвука, амплитуда вибрации, статическая сила, мощность, энергия, время, материалы, геометрия детали и инструменты.

Ультразвуковая частота. Преобразователи для ультразвуковой сварки предназначены для работы на определенной частоте от 15 до 300 кГц для различных систем и приложений.Большинство систем для сварки металлов работают на частоте от 20 до 40 кГц, причем наиболее распространенной является частота 20 кГц.

Амплитуда колебаний. Амплитуда вибрации сварочного наконечника напрямую зависит от энергии, подводимой к сварному шву. Амплитуды ультразвуковых колебаний довольно малы — 10, 30 или 50 микрон в сварном шве и редко превышают 100 микрон (приблизительно 0,004 дюйма). В некоторых сварочных системах амплитуда является зависимой переменной; то есть это связано с мощностью, подаваемой в систему.В других системах амплитуда является независимой переменной, которую можно устанавливать и регулировать на источнике питания через систему управления с обратной связью.

Статическая сила. Сила, прилагаемая к заготовкам через сварочный наконечник и опору, создает тесный контакт между противоположными поверхностями, когда начинаются колебания сварного шва. Величина силы, которая зависит от материалов и толщины, а также от размера сварного шва, может составлять от десятков до тысяч ньютонов.Например, для изготовления сварного шва 40 мм ² из алюминия серии 6000 может потребоваться усилие 1500 Н, в то время как для сварного шва 10 мм ² на мягком медном листе толщиной 0,5 мм потребуется всего 400 Н.

Мощность, энергия и время. Хотя параметры сварного шва указаны как отдельные, мощность, энергию и время лучше всего исследовать вместе, поскольку все они тесно связаны. Когда выполняется сварка, напряжение и ток от источника питания приводят к появлению электроэнергии, которая течет к преобразователю во время цикла сварки.Доставляемая энергия — это площадь под кривой мощности сварки. Большинство источников сварочного тока рассчитаны на максимальную мощность, которую они могут выдать, от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт. Обычно время сварки составляет менее одной секунды. Если исходить из постоянной выходной мощности, сварка за 0,4 секунды сварочным аппаратом мощностью 2 кВт даст 800 джоулей энергии.

Материалы. Это охватывает широкий круг вопросов и параметров, относящихся к ультразвуковой сварке металлов. Во-первых, это тип материала или комбинация материалов.Было обнаружено, что большинство материалов и комбинаций материалов тем или иным образом поддаются сварке, хотя для большинства из них, как правило, отсутствуют данные о конкретных параметрах сварки и характеристиках. Свойства материала, включая модуль, предел текучести и твердость, являются ключевыми факторами.

Вообще говоря, мягкие сплавы, такие как алюминий, медь, никель, магний, золото, серебро и платина, легче всего сваривают ультразвуком. Более твердые сплавы, такие как титан, железо и сталь, а также аэрокосмические сплавы на основе никеля и тугоплавкие металлы (молибден и вольфрам) являются более сложными.

Характеристики поверхности материала — это еще один параметр, включая отделку, оксиды, покрытия и загрязнения.

Геометрия детали. Форма свариваемых деталей играет важную роль, причем преобладающим фактором является толщина детали. Вообще говоря, у тонких деталей больше шансов на успешную ультразвуковую сварку. Увеличение толщины детали, в частности детали, контактирующей со сварочным наконечником, требует большей площади сварочного наконечника, большей статической силы и большей мощности сварки.Максимально достижимая толщина зависит от материала и доступной мощности источника сварочного тока.

Инструмент. Состоящий из сонотрода / сварочного наконечника и наковальни, инструмент служит для поддержки деталей и передачи ультразвуковой энергии и статической силы. В большинстве случаев наконечник инструмента обрабатывается как неотъемлемая часть сплошного сонотрода (см. , рис. 2A ), но в некоторых случаях используются съемные наконечники. Контактные поверхности инструмента обычно имеют механически обработанные рифленые рисунки канавок и площадок или другую шероховатость поверхности для улучшения захвата заготовки.

Хотя контактные поверхности наконечника сварного шва и опоры обычно плоские, наконечник сварного шва может иметь небольшую выпуклую кривизну, чтобы изменять контактные напряжения.

Применения для ультразвуковой сварки

НАЖМИТЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ДЛЯ БОЛЬШЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Рисунок 3e
Фото любезно предоставлено Dukane Corp.

Ультразвуковая сварка применяется в электротехнической / электронной, автомобильной, аэрокосмической, бытовой и медицинской промышленности.В настоящее время наиболее широкое применение в этих отраслях промышленности включает сплавы меди, алюминия, магния и родственных более мягких металлов, включая золото и серебро. Вот несколько примеров:

• Соединения медных проводов в якорях двигателя ( Рисунок 3A ).
• Жгуты проводов, которые распределяют электрические сигналы и мощность по всей конструкции кузова автомобиля и требуют нескольких ответвлений и объединений плетеных и сплошных проводов различных размеров. Подобные приложения, хотя и в меньшем масштабе, можно найти в индустрии бытовой техники (, рис. 3B, ).
• Упаковки, требующие ультразвуковой сварки, кручения или традиционной точечной сварки. Сварка кручением используется для герметизации многих типов цилиндрических контейнеров, содержащих высокореактивное или термочувствительное содержимое, а также для приварных шпилек (, рис. 3C, ).
• Соединения в батареях и топливных элементах, изготовленные из тонких медных, никелевых или алюминиевых пластин, слоев фольги или металлических сеток и пен. Рисунок 3D — аккумуляторная батарея, запаянная сваркой швов, включая присоединение клемм.Шовная сварка также обычно используется для герметичного шва фольги для пищевых продуктов и пакетов для готовки, а также для сращивания рулонов фольги во время их изготовления.
• Несколько тонких пленок, позволяющие сочетать тонкие и толстые (, рис. 3E ). Простое электрическое соединение с точечной сваркой показано на рис. , рис. 3F , а медные контакты на клеммной пластине — на рис.

Будущее ультразвуковой сварки

Будущая тенденция использования ультразвуковой сварки — в конструкционных автомобильных и аэрокосмических приложениях, для соединения тонкостенных листов алюминия и других легких металлов.Возможность этого процесса была продемонстрирована для закрывающих панелей как на вертолетах, так и на самолетах.

Разрабатываются более мощные сварочные системы мощностью 5 кВт и более. Это позволит сваривать более сложные материалы и более толстые соединения.

Исследования, ведущие к лучшему пониманию этого процесса сварки, проводятся в нескольких промышленных и университетских лабораториях с целью определения всего диапазона материалов и областей применения, которые можно реально соединить.Некоторый прогресс наблюдается в конфигурациях соединений, помимо наиболее распространенных соединений внахлест; в качестве примера сообщалось о достижении стыковых швов. Более широкое использование датчиков процесса может позволить контролировать и улучшать качество соединений.

Недавно появившаяся область применения ультразвуковой сварки — это аддитивное производство, в котором тонкие металлические ленты свариваются вместе с перемежающимися операциями механической обработки для производства твердых металлических деталей. Это приложение может найти специальное применение в области быстрого прототипирования.

Преимущества

• Сваривает комбинации тонких и толстых материалов.
• Отлично подходит для алюминия, меди и других материалов с высокой теплопроводностью, которые часто трудно соединить в процессе плавления.
• Сварка через оксиды и загрязнения, что является признаком трения на границе раздела.
• Твердотельный процесс, при котором материалы не плавятся.
• Успешно соединяет множество комбинаций разнородных материалов.
• Сварка без присадочных металлов и газов.
• Быстро и легко автоматизировать.

Недостатки

• Только на коленях.
• Ограниченная толщина шва.
• Сложно для высокопрочных и высокотвердых материалов.
• Возможна деформация материала под инструментом.
• Может создавать слышимый шум из-за частичного резонанса.
• Процесс незнаком многим инженерам.

Доктор Карл Графф — технологический лидер в области ультразвука, а Мэтт Блосс — инженер проекта в Институте сварки Эдисона, 1250 Arthur E. Adams Drive, Columbus, OH 43221, 614-688-5000, [email protected].

.

Как работает ультразвуковая сварка | HowStuffWorks

Ультразвуковая сварка имеет много преимуществ перед традиционными методами. Во-первых, сварка происходит при низких температурах по сравнению с другими методами. Таким образом, производителю не нужно расходовать огромное количество топлива или другой энергии для достижения высоких температур. Это удешевляет процесс. Также это быстрее и безопаснее.

Процесс происходит от долей секунды до секунды. Таким образом, это можно сделать быстрее, чем другими методами.Фактически, он склеивает пластик лучше и быстрее, чем клей. Например, в новых смарт-ключах в автомобилях есть транспондерный чип. Автомобиль может запуститься только тогда, когда он обнаружит чип. Чтобы сделать ключ, один конец металлической заготовки ключа и микросхема помещаются в одну половину пластмассовой крышки. Другая половина помещается поверх них и прикрепляется к основной половине. Это соединение обычно выполняется с помощью клея, который требует времени для застывания. Эту же задачу можно выполнить с помощью ультразвуковой сварки менее чем за секунду.

Объявление

Ультразвуковая сварка не требует горючего топлива и открытого огня, поэтому по сравнению с другими методами сварки это более безопасный процесс.Рабочие не подвергаются воздействию горючих газов или ядовитых растворителей. В электронике медные провода обычно прикрепляются к электрическим контактам на печатных платах припоем. Эту же задачу можно решить с помощью ультразвуковой сварки за меньшее время, не подвергая рабочих воздействию дыма от тлеющего свинцового припоя. Хотя слух рабочих может быть поврежден воздействием высокочастотного звука, эту потенциальную опасность легко уменьшить, поместив ультразвуковой сварочный аппарат в защитный бокс или клетку и / или используя средства защиты слуха.

Наконец, ультразвуковые сварочные швы столь же прочны и долговечны, как и обычные сварные швы из тех же материалов — это лишь одна из причин, по которой этот метод используется в производстве автомобилей. Чтобы сделать автомобили легче и более экономичными, автопроизводители обращаются к алюминию как к основному металлу в кузовах автомобилей. Ультразвуковая сварка позволяет склеить металл за меньшее время и при более низких температурах, чем традиционная сварка.

Однако у ультразвуковой сварки

есть свои ограничения.Во-первых, глубина сварных швов составляет менее миллиметра, поэтому этот процесс лучше всего работает с тонкими материалами, такими как пластмассы, проволока или тонкие листы металла. Ультразвуковая сварка стальной балки для здания нецелесообразна. Во-вторых, он лучше всего работает при сварке аналогичных материалов, таких как аналогичные пластмассы или аналогичные металлы. Как вы видели на примере обуви New Balance, для ультразвуковой сварки разнородных материалов требуется дополнительный материал — в случае обуви New Balance это пленка, которая может быть склеена между синтетической замшей и сеткой.

Несмотря на эти ограничения, популярность и потенциал ультразвуковой сварки продолжают расти.

.

[Видео] Ультразвуковая сварка металлов

Ультразвуковое сварочное оборудование состоит из пресса, генератора ультразвуковой сварки, преобразователя ультразвуковой сварки, ультразвукового рупора, вспомогательного оборудования и усилителя.

Ультразвуковой сварочный преобразователь

разработан для работы на определенной частоте от 15 до 300 кГц для различных систем и приложений. Большинство систем для сварки металлов работают на частоте от 20 до 70 кГц, причем наиболее распространенной является частота 20 кГц.

Датчик ультразвуковой сварки

https://www.bjultrasonic.com/shop/ultrasonic-welding-transducer/ Генератор ультразвуковой сварки
https://www.bjultrasonic.com/shop/ultrasonic-welding-generator/ Ультразвуковой рог
https: //www.bjultrasonic.com/shop/ultrasonic-horn/

Предлагаемые нами ультразвуковые продукты

• 

  Другие продукты

• 

  Пьезоэлектрическая керамика

• 

  Ультразвуковой очиститель

• 

  Ультразвуковой генератор

• 

  Ультразвуковой увлажнитель воздуха

• 

  Ультразвуковой процессор

• 

  Ультразвуковой преобразователь

• 

  Оборудование для ультразвуковой сварки

.