Технология ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка металлов. Схемы, технология и оборудование для сварки ультразвуком

Содержание

Понятие и определение ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка (УЗС) — эти вид сварки давлением, который происходит под воздействием ультразвуковых колебаний (ГОСТ 2601, СЭВ 5277).

Неразъёмное соединение под воздействием ультразвуковых волн образуется в процессе сжатия свариваемых деталей, которое происходит при относительно небольшом усилии (порядка нескольких единиц ньютона, или даже десятых долей ньютона при соединении элементов микросхем и порядка 104Н при сварке толстых листом). Одновременно с приложенным усилием, на соединяемые детали воздействуют механические колебания с частотой 15-80 кГц.

Сущность ультразвуковой сварки

При УЗС металлов, необходимые условия для образования сварного соединения происходят под воздействие ультразвуковых волн, преображённых в механические колебания. Энергия вибрации формирует сложные растягивающие и сжимающие напряжения, а также напряжения среза.

Когда напряжения превысят предел упругости свариваемых материалов, на плоскости их контакта происходит пластическая деформация. Под воздействие ультразвука и пластической деформации, поверхностные оксидные плёнки разрушаются и удаляются с поверхности, после чего образуется сварное соединение.

При этом, повышение температуры в зоне сварки не оказывает существенного влияния на процесс сваривания. При ультразвуковой сварке структура и свойства свариваемых металлов изменяются незначительно.

Основные схемы процесса сварки ультразвуком

Ультразвуковая сварка выполняется на специальных установках, в которых встроен генератор электромагнитных волн высокой частоты. Также в установке имеется механическая колебательная система, аппаратура управления процессом сварки и привод, создающий давление на сварное соединение. Основные схемы установок для ультразвуковой сварки металлов представлены на рисунке:

Трансформирование электромагнитных волн в механические колебания и подача их в зону сварки осуществляется с помощью колебательной системы. Основным узлом колебательных систем (см. рисунок) является преобразователь (поз.1). Преобразователь производит механические колебания. При помощи волноводного звена (поз. 2) происходит передача энергии к сварочному наконечнику и увеличивается амплитуда колебаний, по сравнение с амплитудой исходных волн преобразователя. Кроме этого, преобразователь трансформирует сопротивление нагрузки и концентрирует энергию в заданной области сварного соединения (поз. 5).

При помощи акустической развязки (поз. 3) от корпуса машины, почти вся энергия механических колебаний преобразовывается и концентрируется на участке контакта. Сварочный наконечник (поз. 4) является проводным волноводным звеном между нагрузкой и колебательной системой. При помощи него задаётся необходимая площадь и объём непосредственного источника ультразвуковых колебаний в зоне сварки.

Преимущества ультразвуковой сварки

Большой мировой опыт в применении ультразвуковой сварки позволяет выделить ряд преимуществ, характерных для этого процесса. Выделим основные из них:

1. Процесс сварки происходит при твёрдом состоянии металла без сильного нагрева сварного соединения. Благодаря этому, появляется возможность сваривания химически активных металлов, а также разнородных материалов, которые склонны к образованию хрупких соединений в результате нагрева.

2. При помощи УЗС возможно получить сварные соединения металлов, которые сложно получить другими способами сварки в силу экономических и технологических ограничений, например, сварку меди или сварку алюминия.

3. Данный вид сварки позволяет сваривать между собой тонкие и сверхтонкие элементы (сварка пакетов из фольги), а также приваривать их к элементам большой толщины. При этом, толщина последних практически не ограничена.

4. При УЗС металлов нет высоких требований к чистоте свариваемых поверхностей, что во многих случаях позволяет производить сварку поверхностей, с имеющимися на них оксидными плёнками, а также сварку тех деталей, на соединяемых поверхностях которых имеются различные изоляционные плёнки.

5. Поверхности соединяемых деталей в зоне стыка не подвергаются сильной деформации из-за малой величины сварочного усилия.

6. Установки для УЗС металлов имеют несложную конструкцию и обладают небольшой мощностью.

7. Процесс ультразвуковой сварки можно легко автоматизировать.

8. Данный вид сварки очень выгоден в плане экологии и гигиены.

Технологические возможности ультразвуковой сварки

При помощи УЗС можно сваривать различные части изделий толщиной 0,005-3,0мм и диаметром 0,01-0,5мм. При этом, если необходимо приварить тонкий лист или фольгу к детали, то толщина последней практически не ограничена. Разница в толщине свариваемых частей может достигать в сто раз! На рисунке ниже представлены наиболее характерные соединения для сварки ультразвуком:

Таблица свариваемости материалов при сварке ультразвуком

С помощью ультразвуковой сварки можно сваривать как однородные металлы и их сплавы, так и разнородные и даже с некоторыми неметаллическими материалами. Свариваемость того или иного материала зависит от его твёрдости и кристаллической решётки. Чем выше твёрдость, тем хуже свариваемость стали. На рисунке ниже дана таблица свариваемости некоторых материалов при УЗС:

Технология ультразвуковой сварки металлов

Технологический процесс сварки металлов ультразвуком представляет собой ряд последовательно выполняемых операций, главными из которых можно выделить: подготовка соединяемых деталей, их сборка, прихватка, сварка и правка. В каждом отдельном случае объём работ по каждой из операций может существенно различаться.

Подготовка свариваемых поверхностей

Результаты, полученные на практике, показывают, что влияние оксидных плёнок на сварных кромках почти не влияет на прочность сварного соединения при ультразвуковой сварке. Поэтому, можно получить качественное сварное соединение при УЗС даже без предварительной обработки свариваемых участков.

Но, результаты некоторых отдельных исследований говорят о том, что целесообразнее будет удалять оксидные плёнки с соединяемых поверхностей, т.к. они могут снизить качество сварного соединения, а в ряде случаев и вовсе технологический эффект не может быть достигнут. Для подготовки поверхностей под УЗС хорошо подходит обезжиривающая обработка.

Выбор режимов сварки

Главными показателями режима ультразвуковой сварки являются частота и амплитуда колебаний сварочного наконечника, величина усилия и продолжительность процесса.

Амплитуда является важнейшим параметром, от него зависит эффективность удаления оксидных плёнок, нагрев, а также зоны пластической деформации. Амплитуду назначают исходя из предела текучести и твёрдости свариваемых материалов, толщины свариваемых элементов и от того, очищались ли сварные кромки от оксидных плёнок, или нет. Чем выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых материалов, тем выше должна быть амплитуда колебаний. В большинстве случаев, она находится в диапазоне 0,5-50мкм.

Величина сварочного усилия определяет эффективность передачи ультразвуковых волн и способствует возникновению пластической деформации в зоне сварки. Чем выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых элементов, тем выше должно быть сварочное усилие. При этом усилие напрямую связано с величиной амплитуды колебаний и при увеличении амплитуды, усилие необходимо снижать. При соединении элементов приборов и микросхем усилие составляет от десятых долей до нескольких ньютонов, а при сваривании относительно толстых листов усилие может составлять до 10 000Н. Величина усилия в процессе сварки может оставаться постоянной или же изменяться по определённой программе.

Продолжительность процесса зависит от амплитуды колебаний, усилия сварки, толщины свариваемого металла и его физических свойств. Зависимость времени от амплитуды и свойств такая же, как и зависимость усилия сварки.

Видео: технология ультразвуковой сварки

Оборудование и установки для ультразвуковой сварки

Для ультразвуковой сварки существует много различных универсальных и специализированных установок, которые широко применяются при изготовлении большого количества изделий.

В настоящее время достаточно широко распространена ультразвуковая микросварка для сваривания элементов в микросхемах и полупроводниковых приборах. Отличительными особенностями установок для микросварки ультразвуком являются высокая производительность и степень автоматизации всего процесса, начиная со сборки и заканчивая сваркой.

Применение ультразвуковой сварки в промышленности

Вид сварки ультразвуком используют для сварки фольги, проволоки, тонких листов и других элементов. От других видов сварки его выгодно отличает возможность сваривания разнородных и термочувствительных материалов, ведь процесс может происходить без нагрева, или при минимальном нагреве.

Ультразвуковую сварку широко используют в таких областях промышленности, как производство микросхем, полупроводников, микроприборов, микроэлементов для электроники, чипов, конденсаторов, трансформаторов, мобильных телефонов, для изготовления многих элементов в различных видах домашней техники. Также этот вид сварки нашёл применение в оптических приборах и приборах точной механики, в изготовлении реакторов, вакуумных сушильных установок, соединении концов рулонов тонколистовых материалов, в автомобильной промышленности и многих других областях науки и техники.

Суть и особенности ультразвуковой сварки пластмасс

Сваривание пластмасс ультразвуком — это распространенный метод сварки полимеров , например, изделий из полипропилена . Ультразвуковая сварка пластмасс прочно заняла свое положение в промышленности, поскольку позволяет сократить расходы, при этом увеличить эффективность и качество сварочных работ.

В этой статье мы подробно разберем, что такое ультразвуковая сварка, какое оборудование необходимо для сварки пластмасс ультразвуком и какие есть преимущества у этого метода.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ

Итак, что из себя представляет ультразвуковой метод сварки? Говоря простыми словами, ультразвуковое оборудование генерирует механические колебания, которые затем преобразовывает в тепловую энергию, которая как раз и используется для выполнения соединений. Этот процесс также называется «использование энергии преобразования», в нашем случае преобразования механической энергии в тепловую.

Сам процесс условно состоит из двух этапов. На первом этапе тепловая энергия, полученная в результате преобразования механических колебаний, и точечно направленная на место сварки увеличивает диффузию молекул у пластмассовых деталей. После этого границы свариваемых деталей начинают плавиться и скрепляться между собой. На втором этапе границы свариваемых деталей остывают и образуют прочный шов . Это примерное описание принципа действия ультразвуковой сварки. Далее мы более подробно разберем, как получаются такие соединения.

СУТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ШВОВ УЛЬТРАЗВУКОМ

Классическая ультразвуковая сварка существенно отличается от привычной для многих сварки металла . Для сварки металла требуется крайне высокая температура плавления, но в случае с ультразвуком необходима лишь энергия, исходящая от ультразвуковой волны, и одновременное механическое воздействие на предполагаемое место будущего шва . Поэтому нет необходимости использовать дополнительные расходники, вроде электродов или проволоки.

Сварщик подключает к ультразвуковому сварочную оборудованию генератор, благодаря которому образуются ультразвуковые колебания. Эти колебания преобразовываются в механические, происходит это с помощью специального преобразователя. Затем подключается волновод, который колеблется перпендикулярно сварному шву. За счет этого преобразованные колебания напрямую попадают в предполагаемое место будущего сварного соединения, также образуется статическое и динамическое давление. Статическое и динамическое давление направлено перпендикулярно деталям, при этом каждое из типов давлений выполняет свою функцию. Динамическое давление позволяет достичь необходимой температуры плавления для того или иного вида пластмассы , а статическое способствует формированию прочного соединения .

Благодаря всем этим особенностям с помощью ультразвуковой сварки можно соединить даже металл и пластмассу , хотя их температура плавления существенно отличается. Также пластмассу можно соединить с любым другим материалом, способным выдержать ультразвуковую сварку.

КАКИЕ ЕСТЬ ПАРАМЕТРЫ У УЛЬТРАЗВУКОВОГО СВАРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Для работы с ультразвуковым оборудованием следует ознакомиться с основными параметрами, которые можно отрегулировать в зависимости от вашей работы. Итак, вы можете регулировать:

• Амплитуду колебаний торца волновода (этот параметр позволяет настроить время сварки и прочность готового шва)
• Частоту электрических колебаний и силу давления волновода на пластмассу .
• Продолжительность импульса (этот параметр регулирует скорость сварки).
• Статистическое (сварочное) давление (этот параметр зависит от амплитуды колебаний и влияет на качество готового шва ).

Также существуют дополнительные параметры. К примеру: температура предварительного разогрева детали, параметры, учитывающие размер и форму деталей, и многие другие.

Для каждого отдельного типа пластмассы и шва, который необходимо получить, устанавливаются свои индивидуальные параметры. Их совокупность называется режимом сварки. Оптимальный режим сварки для тех или иных деталей в промышленных условиях выбирается только после проведенных исследований. Специалисты в лаборатории выполняют соединения с различными режимами и тестируют швы на герметичность, надежность и прочие качества. Конечно, если вы планируете использовать ультразвуковое сварочное оборудование для личных целей, вы не будете проводить исследования. Но мы рекомендуем все же потренироваться на небольших образцах. Лишь пройдя путь проб и ошибок вы сможете найти оптимальные параметры для каждого типа сварки.

ПОДРОБНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

Мы классифицировали ультразвуковой метод сварки на несколько категорий, которые в свою очередь имеют свои подвиды. Итак, ультразвуковая сварка пластмасс подразделяется по:

• Принципу перемещения вдоль шва . Может быть ручным, когда сварщик сам направляет сварочный инструмент, или механическим, когда сварка происходит с использованием автоматического оборудованию по заранее заданным параметрам. Механический способ точнее, чем ручной, но при этом нет возможности оперативно изменить направление шва, если это необходимо.
• Принципу подачи энергии. Может быть двусторонней или односторонней. Односторонняя больше предназначена для сваривания толстых деталей и, а двусторонняя — для тонких. Но для двусторонней необходимо дополнительное охлаждение.
• Принципу перемещения волновода. Может быть непрерывным, когда волновод перемещается с постоянной скоростью, а может быть прерывным, совершая одно короткое движение с заданными промежутками.

Более глобально ультразвуковую сварку разделяют на контактную и передаточную. Контактная сварка нужна для соединения тонких пластмассовых деталей (до 2 мм). Для выполнения шва детали укладывают друг на друга с небольшим нахлестом и по уже по нему выполняется шов.

Передаточная сварка используется во всех остальных случаях, а еще в те моменты, когда свариваемые пластмассы обладают высокими акустическими свойствами. Суть передаточной сварки заключается во введении механических колебаний в определенные точки. При этом энергия выделяется в том количестве, которое необходимо, чтобы ультразвуковая волна могла сама равномерно распространиться. В таком случае шов получается надежным и качественным. Передаточная сварка часто применяется при сварке мягкой пластмассы (ее необходимо предварительно заморозить) или для стыковых швов у полистирольных, полиамидных и поликарбонатовых деталей.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ

У этого метода сварки есть масса преимуществ, благодаря чему он и стал настолько популярен в промышленности и не только. Вот некоторые из них:

• Обеспечивает высокую производительность при относительно небольших затратах.
• Позволяет получить на деталях любой толщины качественные герметичные швы, устойчивые к механическому воздействию.
• Дает возможность проводить сварочные работы с деталями в любом состоянии, поверхность не нужно предварительно очищать.
• Тепло выделяется только в одной конкретной точке, поэтому отсутствует вероятность перегрева сварного шва .
• Напряжение не подводится к поверхности свариваемых деталей, из-за чего исключено формирование радиопомех.
• Можно выполнять различные швы: от точечного ремонта до непрерывного соединения деталей в промышленных масштабах. При этом не нужно соблюдать особые условия, сварку ультразвуком можно проводить в любом месте, где есть электроэнергия.
• Этот метод позволяет комбинировать сразу несколько задач. Например, можно сваривать пластмассу и одновременно наносить какое-либо полимерное напыление или осуществлять резку.
• Можно сварить друг с другом любые пластмассы.
• Если точно выбрать режим сварки, то можно добиться практически незаметного шва.
• Не нужно использовать в работе расходники, а также клей или растворитель, который может оказать пагубное влияние на организм.

Но, как и у любого метода сварки , здесь не обошлось без недостатков:

• Частная необходимость применения двусторонней подачи энергии из-за маленькой мощности процесса сварки.
• Не существует единого способа контроля качества свариваемого соединения, из-за этого работа может получиться некачественной.

Как видите, недостатков мало. Но учтите, что все достоинства сварки ультразвуком доступны лишь в случае, если вы правильно настроите режим. Если вы начинающий, то мы рекомендуем выбрать оборудование с автоматическим определением оптимального режима сварки.

Если вы намерены выбирать режим вручную, то воспользуйтесь таблицей, приведенной ниже (здесь в качестве примера параметры для сварки пластиковых труб ). В ней указаны рекомендуемые параметры. Со временем вы получите больше опыта и сможете самостоятельно выбирать оптимальный режим.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ УЛЬТРАЗВУКОМ

Комплект ультразвукового оборудования состоит из ультразвукового генератора, пресса, опоры, преобразователя, волновода и сварочного инструмента. При этом выделяют несколько основных узлов, играющих первостепенную роль. К ним относятся:

Генератор вырабатывает ультразвуковые колебания, а затем преобразовывает их в механические, при этом сохраняя ту же частоту. Также с помощью генератора можно регулировать скорость колебаний и определять способ передачи ультразвуковой энергии.

Преобразователь (чаще всего пьезокерамический или магнитострикционный) в связке с генератором отвечает за преобразование электрической энергии в механическую и используется в аппаратах с двусторонним подводом энергии. При этом важно учесть, что такому оборудованию необходимо постоянное охлаждение, например, водное или воздушное.

• Трансформатор упругих колебаний

Трансформатор упругих колебаний согласовывает между собой работу преобразователя и волновода, по сути являясь связующих звеном. Также он способен повысить амплитуду колебаний с торца волновода.

Волновод передает механическую энергию и создает давление в определенных местах. Роль волновода может выполнять акустический трансформатор.

Опора необходима для надежного фиксирования деталей. В некоторых случаях она напрямую используется для сварки в качестве дополнительного волновода.

Дополнительно оборудование может быть оснащено функцией автоматического или ручного контроля параметров работы. Мы рекомендуем использовать именно такое оборудование, поскольку оно позволяет выполнить работу по-настоящему качественно. Лишь в таком случае можно достигнуть максимальной прочности сварных швов .

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Мы убедились, что ультразвуковая сварка — это очень технологичный и эффективный метод соединения различных полимеров . Качество получаемых швов не сопоставимо с другими методами сварки , оно на голову выше. Особенно, если применяется механический способ сварки ультразвуком.

Конечно, необходимо обладать большим опытом и высокой квалификацией, чтобы соединения получилось идеальным. При этом большинство действий опытный сварщик выполняет интуитивно, а для этого нужно десять раз совершить ошибку, чтобы на одиннадцатый раз получить по-настоящему качественный шов. Тем не менее, мы рекомендуем обучиться хотя бы азам сварки ультразвуком. Это откроет для вас больше возможностей. Делитесь в комментариях своим опытом, наверняка начинающие умельцы будут рады услышать мнение профессионалов. Удачи!

Технология ультразвуковой сварки

В чем особенности процесса? Какое оборудование применяется? Каковы достоинства ультразвуковой сварки? Об этом вы узнаете из данного материала.

Использование ультразвука сегодня охватило даже промышленную сферу. Классический пример тому — сварка ультразвуковая. Она основана на ряде физических закономерностей, о которых стоит знать перед началом работ. В чем особенности процесса? Какое оборудование применяется? Каковы достоинства ультразвука при сварке? Об этом вы узнаете из данного материала.

Общие сведения

Ультразвуковая сварка — это метод создания неразъемных соединений, при котором электрические колебания определенной частоты при помощи генератора меняются на механические колебания аппарата. Электрические колебания ультразвука составляют в среднем 30 кГц.

Специфика операции — в направлении теплового воздействия. УЗС отличается от классических методов сварки тем, что нагреваются лишь контактирующие участки деталей, а не все целиком. Она применима при обработке разнородных материалов, а для ряда полимерных выступает единственно верным способом соединения.

Время сваривания определяется характеристиками материалов и варьируется от десятых долей до нескольких секунд. При помощи ультразвука идеально свариваются поликарбонат, ПВХ, полипропилен, кожи и ткани с синтетическими волокнами.

Специфика процесса

У/З волна направленного действия попадает в предполагаемое место стыка деталей. Под ее воздействием происходит ранее описанный процесс — возбуждение молекул. Достаточно сблизить заготовки, чтобы процесс их слияния стал неизбежным.

Достоинства ультразвуковой сварки

• отменная прочность соединенных деталей;
• отсутствие необходимости предварительной подготовки поверхностей (шлифовка, очищение грязи и т.п.), а также зачистки шва после кристаллизации;
• внутренние напряжения шва отсутствуют на всех стадиях работы;
• внешне шов не различим;
• процесс может протекать без участия оператора;
• повышение эффективности производства за счет экономии времени сварщиков на работу;
• возможность совмещения ряда операций (с резкой металла, либо нанесением рисунка);
• при сварке ультразвуковой дополнительные расходные или соединительные элементы не требуются (клей, нитки, растворители);
• при действии волны ультразвука на человека не оказывают негативное влияние какие-либо ее составляющие;
• не требуется защитная среда (газовая);
• экономичность использования электроэнергии.

Одинаково хороши оба известных способа ультразвуковой сварки — шовный и прессовый. Первый используется для получения швов длиной менее 250 мм, второй — при точечном или контурном соединении.

Коротко об установках

• генератор электрических колебаний;
• акустический узел с волноводом;
• прессовый механизм;
• контролирующая процесс аппаратура.

В самостоятельном изготовлении устройства нет необходимости, и на то есть ряд причин. Первая и основная — создание машины потребует множества математических и физических расчетов. Минимальное отклонение приведет к появлению резонанса в месте контакта деталей, что снизит качество сварного соединения.

Разновидности УЗС

Сварка ультразвуком классифицируется по ряду критериев. Первый — способ передачи энергии. Так выделяют:

Первая обычно используется для соединения мягких пластмасс, пленок, синтетики толщиной до 5 мм. Наиболее распространенный метод сварки — внахлест. Вторая применима при обработке жестких пластмасс (полистирол, капрон и т.п.). Соединение — стыковое.

• способ перемещения волновода (прессовая — за одно короткое движение элемента; непрерывная — за продолжительное воздействие на участок сварки);
• способ дозировки вводимой механической энергии (с фиксацией времени воздействия у/з импульса, осадкой либо зазором).
  • Особенности сварочного оборудования

В отличие от ручной или полуавтоматической работы, где можно использовать разные типы электродов или проволок, а также изменять другие параметры процесса, в оборудовании для ультразвуковой сварки все рассчитано до мелочей. Процесс протекает следующим образом:

• генератор создает электрический импульс;
• колебания преобразуются в высокочастотную звуковую волну;
• волна передается через волновод к месту соединения деталей;
• здесь она создает резонанс;
• смещение материалов друг к другу приводит к их мгновенному соединению.

В зависимости от физических характеристик соединяемых материалов подбирается частота колебаний. Далее — некоторые примеры установок.

Оборудование для ультразвуковой сварки

Примером первой группы является машина ультразвуковой сварки SportTex EU 1300. Визуально она напоминает обычную швейную машинку.

Технические характеристики:

• напряжение — 220 В;
• частота — 50 Гц;
• мощность — 1,5 кВт;
• рабочая поверхность — 50 мм;
• производительность — до 10 м/мин;
• давление рабочее — до 7 бар;
• рабочая частота — до 20 кГц;
• габариты — 1200х1200х550 мм;
• вес — 110 кг.

Стоимость установки составляет не менее 200 тысяч рублей, поэтому используется она обычно на производстве.

К более компактным устройствам относится ультразвуковой модуль настольного типа для соединения тубов (небольших продолговатых емкостей, например, для зубных паст, кремов и т.д.). Скорость работы настольных установок варьируется от 0,3 до 1,5 с и зависит от ширины шва (до 70 мм).

• рабочая частота — до 35 кГц;
• мощность — до 1,5 кВт;
• пневматический привод;
• габариты — 533х261х219 мм;
• вес — 30 кг.

Стоимость подобных установок на порядок ниже, чем стационарных.

Самые компактные устройства для ультразвуковой сварки применяются для клепки пластмасс, прихватки небольших деталей, фиксации элементов на несущие конструкции. Пример — ручная машинка Handy Star. Ее мощность, частота и скорость работы похожи на настольные устройства, однако габариты и масса существенно ниже, что отражается на стоимости. Рассматриваемый инструмент в сумме трех измерений дает 720 мм, а масса составляет лишь 4,5 кг. Используется такое оборудование для ультразвуковой сварки в автомобильной промышленности, ремонте брезентовых изделий, производстве ленточных транспортеров.

Важно помнить ряд моментов. Первый — длина свариваемых деталей не должна превышать четверть метра. Это обусловлено конструкцией установок. Второй — соединяемые детали должны быть сухими. Третий — как минимум одна из деталей должна быть тонкостенной.

Известны ли вам особенности работы с оборудованием для ультразвуковой сварки и сталкивались ли вы с ним на практике? Если вам есть, чем поделиться с читателями, оставьте свой отзыв в комментариях к статье.

Ультразвуковая сварка — технология и особенности

Ультразвуковая высокочастотная сварка воздействует на детали путём акустических колебаний. При этом соединяемый материал должен находиться под небольшим давлением. Самое широкое применение способ получил в работе с термопластом, так как не всегда стандартное сваривание или болтовые соединения могут полноценно решить поставленную задачу.

Процесс ультразвукового склеивания является довольно экономичным со стороны затрат на металлические материалы, а также значительно ускоряет работу производства. Такой способ отличается высоким качеством сварного шва при этом расход металла можно сократить до 30%. Поскольку процесс не является дорогостоящим и трудоёмким, стоимость сооруженных конструкций снижается, что экономит деньги конечного потребителя.

Преимущества

Перед тем как перейти к подробностям, стоит упомянуть о положительных сторонах, которыми обладает ультразвуковая сварка, к ним относят:

1. Отсутствует потребность в защитной атмосфере;
2. Нет особых требований к зачистке места стыковки;
3. Сваривать можно заготовки любых форм;
4. Есть возможность полностью автоматизировать работу и с легкостью интегрировать сварку с остальными производственными процессами;
5. Способ является экологически чистым, при его использовании не применяются химикаты, а выделяемые пары образуются в очень небольшом количестве;
6. Ультразвуковая сварка не предполагает использование сверхвысоких температур, поэтому работать можно с металлами, которые чувствительны к теплу, а также с другими материалами различными по составу;
7. Расходные материалы, такие как электрод, проволока или припой не используются при ультразвуке;
8. Чтобы добиться соединения достаточно четверти секунды;
9. Экономичность со стороны энергозатрат;
10. Соединение всегда имеет эстетичный вид и высокую надёжность.

Недостатки

Как и любой другой способ соединения, ультразвуковая сварка имеет не только преимущества, но и отрицательные моменты:

• величина подвергающихся сварке деталей имеет свои ограничения, а именно не более 250 мм. Это объясняется тем, что могут возникать трудности с контролем амплитуды, а также ограничением в выходящей мощности датчика. Ещё это происходит из-за отсутствия возможности сонотрода, передать достаточную мощность звуковой волны;
• такая сварка не будет актуальной при соединении толстостенных материалов. Это значит, что одна из заготовок должна быть легкой обязательно, ведь она будет поглощать основное количество энергии;
• влага, которая может находиться в материале, должна присутствовать в небольшом количестве. А если её много, актуальным станет использование вибрационной сварки.

Как ультразвук воздействует на детали?

Все прекрасно понимают и учили ещё в школе, что вся твердая материя состоит из атомов, имеющих определённый порядок построения, это называется кристаллическая решетка. Эти частицы могут совершать возвратно-поступательные колебания, относящиеся к своему изначальному положению. Любое вещество имеет свою внутреннюю энергию, и чем она выше, тем большей будет амплитуда колеблющихся частиц. Когда это происходит, молекулы могут потерять имеющуюся связь между собой. В таком состоянии, но с амплитудой, которая понижена, собственно и происходит рекомбинация тех самых связей внутри вещества.

В итоге ультразвуковая сварка обеспечивает довольно надёжное соединение за очень короткий временной промежуток, путём дополнительного стимула, который даёт толчок для увеличения амплитуды колебаний. Для этого ультразвуковые волны направляются на место будущего соединения, где и происходят данные реакции. Это не занимает много времени и не является сверх трудоёмким процессом. Поэтому ультразвук — это один из самых приемлемых способов соединения для опытных сварщиков.

Используемое оборудование

Все оборудование для ультразвукового контроля сварки включат в себя несколько составляющих:

1. Механика, создающая давление на соединяемые детали;
2. Акустический узел, включающий в себя волновод;
3. За качеством и контролем процесса следит специальная аппаратура;
4. Генератор электроколебаний.

Некоторые задумываются о том, стоит ли пытаться сделать такое устройство своими руками? Это уместно только в том случае, если речь идет о высококвалифицированном работнике, так как дело придётся иметь с физическими, а также математическими расчетами. Если все правила не будут учитываться и произойдёт хотя бы малейшее отклонение от схемы требуемого оборудования, добиться качественного результата не получится, а в худшем случае детали не будут соединяться вовсе. Поэтому, прежде чем садится за такой проект, нужно быть на 100% уверенным в своих силах, обладать соответствующими знаниями и опытом.

Сферы использования ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка не может похвастаться своей универсальностью в сваривании конструкций. С одной стороны, это идеальный способ соединения большего количества материалов. С другой, они должны отличаться высокой пластичностью и не иметь огромных линейных размеров. Только в таком случае с помощью ультразвука можно будет добиться самого качественного результата.

А вот если речь идёт о сварке более мягких материалов (например, пластика), то в таком случае ситуация будет выглядеть намного положительней. Здесь не будут распространяться вторичные звуковые волны, а частицы на месте стыков будут быстро активироваться, что приведёт к скорейшему и качественному соединению.

Поэтому самым распространённым подвидом ультразвуковой сварки, является соединение с её помощью пластмасс. Её часто используют при большом промышленном производстве, а также во многих специализированных мастерских. Сварка актуальна в случае, когда невозможно применять стандартные методы, подразумевающие использование высоких температур, что не приведёт к положительному результату ремонт детали, которая имеет высокую чувствительность к теплу.

Выделение тепла при сварке ультразвуком

При работе с металлическими деталями, сварка с помощью ультразвука будет сопровождаться выделением определённого количества тепла. Оно образуется за счет пластической деформации и возникновением трения на поверхностях, подвергающихся соединению. Сама температура не является постоянной, а будет зависеть от ряда факторов, таких как твёрдость металла, а также его физических свойств (имеется в виду теплоёмкость и теплопроводность). Незначительным образом на это также повлияет выбранный режим сварочной работы.

В процессе сварки, специалисты заметили, что качество и надёжность соединения не зависит от температурных показателей. Это объясняется тем, что максимальная сцепка свариваемых поверхностей образуется ещё до того, как температура дойдет до своего пика. Иногда используется подогрев заготовок ещё до начала сварки, это поможет сделать швы намного прочнее и увеличит показатель пропускания ультразвуковых посылов через стыки конструкции.

Как работает оборудование?

Установка надёжной ультразвуковой сварки должна просчитываться до мелочей. Если все условия выполнены, она будет работать четко и без перебоев. Генератор нужен для создания электрических колебаний. Они переходят в состояние звуковых волн с высокой частотностью. Волны являются упругими. Значит передаваться, они будут через волноводы, сконструированные в виде стержней или полых трубок.

Как говорили ранее, молекулы характеризуются определённой частотой колебаний, и когда волны, совпадающие по частоте, входят в реакцию, это образует резонанс, то есть амплитуда движения частиц начинает увеличиваться. Это как раз то, что помогает сварить конструкцию. Когда молекулы начинают смещаться друг к другу, этого уже достаточно для надёжной стыковки. Но чтобы соединять различные материалы, нужны и разная частота колебаний, которая регулируется соответствующей аппаратурой.

Вывод

Способ сваривания деталей с помощью ультразвука, это эффективный метод, но не всегда. Стоит учитывать ряд физических и математических особенностей, которые необходимы для получения качественного результата. Процесс довольно сложный и требует высокой квалификации специалиста проводящего работы с соединениями, то же самое касается сооружения аппарата самостоятельно. Зачастую это не приводит к ожидаемому успеху.