Технология ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка

Мощные ультразвуковые колебания находят широкое приме¬нение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее время в промышленности используются ультразвуковая очистка и обезжиривание различных изделий. Ультразвук применяется для получения высокодисперсных эмульсий, диспергирования твердых тел в жидкости, коагуляции аэрозолей и гидрозолей, дегазации жидкостей и расплавов. Установлено влияние мощных ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства кристаллизующегося расплава.

Ультразвуковые колебания позволяют снимать остаточные напряжения в сварных швах, полученных при дуговой сварке. Обнаружено весьма эффективное воздействие ультразвука на интенсивность полимеризации клеев. Широко внедрена в про¬мышленность обработка твердых и сверхтвердых материалов.

Одним из интересных и перспективных промышленных приме¬нений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС). Этот способ сварки характеризуется весьма ценными технологическими свойствами: возможностью соединения металлов без снятия по¬верхностных пленок и расплавления, особенно хорошей сваривае¬мостью чистого и сверхчистого алюминия, меди, серебра; возмож¬ностью соединения тончайших металлических фольг со стеклом и керамикой.

Ультразвуком сваривается большая половина известных термопластичных полимеров. Ультразвуковая сварка пластмасс тем более ценна, что для ряда полимеров она является единственно возможным надежным способом соединения. Полистирол — один из наиболее распространенных полимеров для изготовления раз¬личных изделий крупносерийного производства — наиболее ра¬ционально сваривать ультразвуком.

Особое внимание исследователей привлекла возможность вне¬дрения УЗС при производстве изделий микроэлектроники.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЧЕСКОЙ

КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

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

Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику обо¬рудования и технологии ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, является механическая колебательная система. Эта система служит для преобразования электрической энергии в ме¬ханическую, передачи этой энергии в зону сварки, согласования сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы и геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излу¬чателя, концентрирования энергии и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя. Система должна работать с максимальным к. п. д. на резонансной частоте неза¬висимо от изменения сопротивления нагрузки.

Типовая колебательная система (рис. 1) состоит из электро¬механического преобразователя 1, волноводного звена — транс¬форматора или иначе концентратора колебательной скорости 2, акустической развязки системы от корпуса машины 3, излуча¬теля ультразвука — сварочного наконечника 4 и опоры 5, на кото¬рой располагаются свариваемые детали 6.

Широко известны колебательные системы с использованием резонирующих стержней 7 (рис. 1, б), работающих в режиме изгибных колебаний.

Электромеханические преобразователи 1 изготовляются из магнитострикционных или электрострикционных материалов (ни¬кель, пермендюр, титанат бария и др.). Под воздействием переменного электромагнитного поля в преобразователе возникают меха¬нические напряжения, которые вызывают упругие деформации материала. Таким образом, преобразователь является источни¬ком механических колебаний.

Волноводное звено 2 служит для передачи энергии к сварочному наконечнику. Это звено должно обеспечить необходимое увеличе¬ние амплитуды колебаний сварочного наконечника по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, трансформировать сопротивление нагрузки и сконцентрировать энергию.

Сварочный наконечник 4 является элементом, посредством которого осуществляется отбор мощности, поглощаемой в зоне сварки. По существу — это звено, определяющее площадь и объем непосредственного источника ультразвука. Так как в процессе сварки наконечник внедряется в

Рис. 1. Типовые колебательные системы: а—продольная; б—про¬дольно-поперечная; в — продольная для сварки пластмасс

свариваемую деталь, то он яв¬ляется также и согласующим волноводным звеном между нагруз¬кой и колебательной системой.

ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ

Особенности технологии УЗС

При вводе механических колебаний в свариваемые металлы изделие начинает вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма колебаний определяется геометрическими размерами изделия. В наиболее простом и распространенном случае — сварка листа прямоугольной формы — в последнем устанавливается стоячая волна с характерным чередованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний. Уровень напряжении, возникаю¬щих в пучностях, определяется мощностью энергии, вводимой в зону сварки. При этом возникает опасность появления микро-и макротрещин в зоне сварки. Образование трещин при достаточ¬ном уровне энергии свойственно металлам, обладающим малой пластичностью, имеющим местные дефекты, чрезмерный наклеп и т. п. Для снижения вредного эффекта вибрации свариваемого изделия применяют струбцины с резиновыми прокладками, пред¬варительное снятие заусенцев, округление углов, если это воз¬можно по условиям изготовления детали, предварительный отжиг места соединения и т. п. Наиболее рациональной мерой является снижение амплитуды колебаний сварочного наконечника.

При использовании некоторых колебательных систем наблюдается самопроизвольное разворачивание дета¬лей относительно друг друга во время сварки. Это означает, что необходимо применение специальных кондукторов, обеспечиваю¬щих фиксированное положение деталей в процессе сварки. Ранее было установлено [2], что закрепление образцов для пре¬дотвращения их перемещения во время сварки снижает качество сварки. Однако позднее, иссле¬дуя это явление, пришли к выводу, что дополнительное “прокру¬чивание” образцов повышает прочность сварки до 60%.

Причиной прокручивания, по-видимому, является следующее. При условии интенсивного внешнего трения между свариваемыми деталями и относительно низком зажимном усилии в процессе образования сварного соединения возникают и разрушаются еди¬ничные узлы схватывания. Вполне естественно, что в некоторый момент времени на данной половине приполированного пятна может образоваться узел, в то время как на другой — нет. Поскольку амплитуда колебаний между деталями в узле схватывания суще¬ственно меньше амплитуды проскальзывания между деталями зоны сварки, в которой еще не возникли узлы схватывания, то наличие результирующей пары сил относительно вертикальной оси узла схватывания вполне вероятно.

При УЗС некоторых металлов наблюдается интенсивное сцеп¬ление сварочного наконечника со свариваемым металлом. С точки зрения передачи энергии в зону сварки исследователи [3] считают, что это рационально. С технологической же точки зре¬ния это совершенно неприемлемо, так как приварка сварочного наконечника к детали исключает нормальную эксплуатацию сва¬рочной машины. Как выявлено, налипание свариваемого металла на сварочный наконечник и износ наконечника имеет сложную природу. По существу — это задача обратная УЗС. Поэтому для сварочного наконечника нужен материал, который обладал бы максимальной когезией поверхностного слоя относительно сва¬риваемого материала.

Один из основных параметров процесса, определяющий выде¬ление энергии в зоне сварки — сопротивление нагрузки, практи¬чески неуправляем. Механические колебательные системы, являющиеся источниками ультразвука, частотно зависимы. Из¬менение реактивности в системе приводит к изменению собствен¬ной частоты системы. Работа системы вне резонанса, как правило, нецелесообразна. Таким образом, нельзя допускать произвольного изменения геометрических размеров системы , в частности стерж¬ней, передающих энергию в зону сварки.

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

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

При УЗС в принципе нет ограничений по нижнему пределу свариваемых толщин различных металлов. Возможно также соеди¬нение с существенным перепадом толщин и свойств сваривае¬мых металлов (металл — стекло; отношение толщин 1 : 1000 и больше).

Для УЗС также характерна: 1) малая энергоемкость; 2) воз¬можность питания нескольких сварочных головок от одного гене¬ратора и возможность выноса их на значительное расстояние;

3) простота автоматизации