13.4 Ультразвуковая сварка

Способ ультразвуковой сварки обеспечивает получение неразъемных сварных соединений в твердом состоянии.

Данный вид сварки осуществляется при воздействии ультразвуковых колебаний в процессе механического воздействия на свариваемые заготовки.

По этой причине ультразвуковая сварка относится к механическому классу способов сварки.

Усилия сжатия свариваемых элементов изменяются от десятых долей ньютона (сварка элементов микросхем и полупроводниковых приборов) до 10²10⁴ Н при сварке деталей оборудования электротехнической, химической и автомобильной отраслей промышленности. Частота ультразвуковых колебаний, используемых при ультразвуковой сварке составляет 15-80 кГц, амплитуда колебаний в процессе сварки – 1020 мкм, время сварки 0,5-5 с, толщина свариваемых заготовок может изменяться в широких пределах от 0,001 мм до нескольких мм.

Ультразвуковую сварку производят на специальных сварочных машинах, которые включают: источник генерации ультразвуковых колебаний – магнитострикционный преобразователь 1; механическую колебательную систему 2, 3; наконечник из твердого сплава 6; механизм сжатия заготовки 7 и аппаратуру управления процессом сварки.

1 – магнитострикционный преобразователь; 2 и 3 – волновод;

4 – свариваемые детали; 5 – опора; 6 – наконечник из твердого металла;

7 – направление сдавливающего усилия

Рисунок 13.5 - Схема ультразвуковой сварки

В источнике генерации ультразвуковых колебаний используется явление магнитострикционного эффекта, заключающегося в изменении размеров некоторых материалов при воздействии на них переменного магнитного поля. В качестве таких материалов используют титанит бария, перминдюр, ниобат свинца и др. Генерируемые в магнитострикционном преобразователе колебания подвергаются в элементах волновода 2, 3 изменению в сторону увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний.

В зависимости от формы сварочного наконечника 6 ультразвуковая сварка подразделяется на точечную, шовную и кольцевую.

Ультразвуковая шовная сварка, показанная на рисунке 13.5, производится следующим образом.

Исходные свариваемые детали 4 помещают на специальную опору 5, оборудованную необходимыми элементами закрепления заготовок и механизмом передвижения опоры относительно наконечника из твердого сплава 6.

Наконечник 6, входящий в систему волновода с функциональными элементами 2 и 3 получает ультразвуковые колебания от магнитострикционного преобразователя 1. Одновременно наконечник 6 с требуемым усилием 7 (условно изображенным на рисунке стрелкой) прижимается к свариваемым деталям 4.

Под воздействием ультразвуковых колебаний от прижатого к свариваемым деталям 4 наконечника 6 в зоне контакта деталей создаются необходимые условия образования сварного соединения. Энергия колебаний создает сложное напряженное состояние в зоне контакта (напряжения среза, сжатия и растяжения). В результате такого воздействия величина воздействующего усилия превышает предел упругости и происходит пластическая деформация контактирующих поверхностей свариваемых деталей.

В процессе пластической деформации металла и диспергирующего воздействия ультразвуковых колебаний происходит разрушение поверхностных большей частью оксидных пленок, повышается температура в зоне контакта (обычно она составляет (0,3-0,5) Т_пл) и благодаря созданию условий действия единого энергетического поля, в конечном результате происходит образование сварного соединения. Заметим, что воздействие на структуру околошовной области при ультразвуковой сварке минимально.

Ультразвуковая сварка позволяет соединять заготовки толщиной от 0,005 до 3,0 мм. Разнотолщинность при выполнении сварки может достигать соотношения 1:100.

Типовой технологический процесс ультразвуковой сварки включает следующие операции: подготовка свариваемых поверхностей, сборка узлов, прихватка, сварка и правка.

Рекомендуется для деталей ответственного назначения производить подготовку свариваемых поверхностей в виде обезжиривающей обработки.

Основными параметрами, определяющими режим ультразвуковой сварки, являются: а) амплитуда колебаний наконечника из твердого сплава; б) сварочное усилие; в) время сварки.

Величина амплитуды наконечника является определяющим параметром сварки и назначается, исходя из следующих условий:

а) наличие или отсутствие оксидной пленки;

б) толщины свариваемых заготовок;

в) величины предела текучести и твердости заготовок.

Величина амплитуды колебаний находится в прямо пропорциональной зависимости от физико-механических характеристик свариваемого металла и обычно находится в пределах 0,5÷50 мкм.

Ультразвуковая сварка находит широкое применение для получения неразъемных соединений при различном сочетании исходных материалов.