книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

ности деталей из указанных сплавов, полученных прес­ сованием с наложением ультразвуковых колебаний, зна­ чительно выше, чем у литых деталей из этих же сплавов.

Упрочение. Поверхностное пластическое деформиро­ вание широко применяется в промышленности как сред­ ство значительного повышения усталостной прочности деталей машин и конструкций. Схема ультразвукового поверхностного пластического деформирования анало­ гична схеме ультразвукового резания с той лишь разни­ цей, что колебательное движение торца концентратора пе­ редается бойку, который, ударяя по поверхности обраба­ тываемой детали, производит пластическое деформирова­ ние. Колебательная система дополнительно нагружается статической силой. Чтобы обработать всю поверхность, детали сообщается соответствующее движение подачи. Исследованиями установлено, что приращение твердости тем больше, чем мягче (пластичнее) исходный материал. Например, при ультразвуковом поверхностном пластичес­ ком деформировании алюминия А1 микротвердость его поверхности увеличилась вдвое [149].

Сущность упрочнения ультразвуковым инструментом заключается в том, что поверхность детали после обра­ ботки резанием подвергается воздействию шарика, ко­ леблющегося с ультразву­

180

на обрабатываемую деталь, скорость главного движения, скорость подачи (продольной и поперечной), количество проходов, размеры и форма инструмента. Главное движе­ ние создает термодинамические напряжения в поверх­ ностном слое детали. Максимальную и среднюю скорость (м/с) главного движения можно определить из формул

где / — частота колебаний в 1/с; А — амплитуда колеба­ ний в мм.

Вспомогательное движение и число проходов характе­ ризуют количество ударов на единицу обрабатываемой поверхности. Продольная подача имеет характер поступа­ тельного движения. Размеры и форма ультразвукового инструмента влияют на силу удара и тем самым на давле­ ние, испытываемое обрабатываемой поверхностью детали.

Ультразвуковой метод упрочнения по сравнению с дру­ гими механическими способами имеет следующие преиму­ щества: простота приспособления и его установки на суп­ порте токарно-винторезного станка, незначительное по­ стоянное давление, возможность упрочнения деталей с вы­ сокой исходной твердостью, высокая производительность процесса. При ультразвуковом упрочнении возникают силы, отличающиеся от сил при обычных видах нагруже­ ния рядом особенностей. Силы эти импульсивные, дей­ ствуют внезапно, повторяются и распространяются на сравнительно малую площадь. Ультразвуковое упрочне­ ние повышает микротвердость поверхности в 1,5 раза, обе­ спечивает благоприятное ее распределение по глубине наклепочного слоя, снижает шероховатость поверхности на 1 — 2 класса и создает остаточные напряжения сжатия, в результате чего износостойкость стального закаленного инструмента, работающего в условиях ударного нагруже­ ния, возрастает примерно в 2,5-раза.

Характерной особенностью ультразвуковой упрочняю­ щей обработки является возникновение на поверхности детали быстро чередующихся деформаций сжатия и сдвига [118]. На физико-механическое состояние поверх­ ностного слоя (шероховатость, микротвердость, внутрен­ ние остаточные напряжения и др.) большое влияние ока­ зывают специфические для этого процесса элементы: статическая сила прижима шара к детали Рст (рис. 59), амплитуда ее смещения А, частота колебаний f и др. Ста­

181

тическая сила обеспечивает кон­ такт между шаром и обрабаты­ ваемой деталью. Амплитуда и частота колебаний инструмента определяют максимальную ско­ рость деформирования поверх­ ностного слоя обрабатываемой детали

ѵд = 2 nfA,

а также интенсивность ультра­ звука

/ = 2 д2 рс/М2,

где р — плотность среды; с — скорость распространения уль­ тразвука; f — частота ультра­ звуковых колебаний; А — ам­ плитуда смещения

Статическая сила и амплитуда смещения оказывают основное влияние на шероховатость поверхности, степень и глубину наклепа, величину остаточных напряжений, возникающих в поверхностном слое металла, и на другие его физико-механические свойства. Выбор статической силы и амплитуды смещения шара определяют производи­ тельность обработки, величину подачи и скорость вращения дета­ ли, число проходов. Статическая сила должна быть тем выше, чем менее пластичен материал детали, чем выше исходная шероховатость, чем больше диаметры упрочняе­ мой детали и шара, чем больше величина подачи и скорость вра­ щения детали.

Ультразвуковой наклеп — один из новых методов упрочнения пла-

Рис. 60. Схема ультразвуковой обработки сферических поверхностей шаровым ин­ струментом:

1 — концентратор; 2 — шар-инструмент; 3 — Твердосплавная вставка; 4 — матрица штампа; А — направление колебаний; Р — статиче­ ское давление

182

Г л а в а V У Л Ь Т Р А З В У К О В А Я СВАРКА

Сущность ультразвуковой сварки

Метод ультразвуковой сварки появился сравнительно недавно, поэтому ультразвуковая сварка — это новый технологический способ соединения материалов.

Достоинство ультразвуковой сварки — возможность соединять тонкие листы и фольгу с деталями большей толщины, приваривать спиральные ребра к стержням, гофрированные листы к гладким, сваривать миниатюрные детали приборов. Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно ниже температуры плава­ ния, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. В результате свойства основного металла в зоне сварки изменяются минимально. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при дру­ гих методах сварки. Кроме того, потребляемая электри­ ческая мощность не больше, чем при контактной сварке, и сварку можно выполнять на большом расстоянии от источника тока. Ультразвуковая сварка находит приме­ нение в тонколистовых конструкциях деталей для прибо­ ростроения и радиотехнической промышленности.

При изучении механизма процесса сварки замечено, что после ввода ультразвуковых колебаний между свари­ ваемыми пластинами образуется слой высокопластиче­ ского металла, при этом образцы очень легко поворачи­ ваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только прекращали ультразвуковое излучение, происхо­ дило мгновенное «схватывание» образцов и их взаимное вращение становилось невозможным. Исследования позво­ ляют предположить, что процесс сварки ультразвуком заключается в том, что под действием ультразвуковых колебаний металл в месте соприкосновения переходит

всвоеобразное квазижидкое состояние и перемешивается

врезультате высокочастотной знакопеременной деформа­ ции. После выключения ультразвуковых колебаний ме­ талл вновь переходит в твердое состояние, образуя не­ прерывную металлическую связь, Глубина зрны интен-

184

сивной деформации и ее площадь зависят от режима процесса, при котором большое влияние оказывает вели­ чина сжимающей силы. При сварке ультразвуком сила сжатия выполняет две функции, обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний и уплотняет металл в зоне интенсивной деформации в момент выключения ультра­ звуковых колебаний.

Основные параметры ультразвуковой сварки следу­ ющие: электрическая мощность, подводимая к преобра­ зователю; акустическая мощность, вводимая в сварочную зону; статическое давление; время сварки. Необходимая мощность сварочной машины определяется твердостью и толщиной свариваемого материала. Чем тверже и толще материал, тем большую мощность необходимо вводить в зону сварки. Например, машина мощностью 4 кВт может сваривать листовой алюминий толщиной 2 мм. Статическая нагрузка повышается с увеличением разме­ ров свариваемых деталей и зависит от подводимой к пре­ образователю мощности. Время, необходимое для полу­ чения прочного соединения при ультразвуковой сварке, тем больше, чем толще материал, выше его твердость и меньше мощность машины.

Соединения, полученные с помощью ультразвука, можно разделить на два типа [113]. Соединения первого типа получаются при больших амплитудах и небольших силах сжатия и имеют характерную микроструктуру со следами значительных пластических деформаций. Соеди­ нения второго типа получаются при малых амплитудах и больших силах сжатия, в их микроструктуре не наблю­ дается значительных пластических деформаций, а, наобо­ рот, обнаруживаются диффузионные явления. Образова­ ние первого или второго типа соединений в большой степени зависит от прочности возникающих зон схатывания и от величины сдвиговых деформаций, которые они испытывают. Больший интерес представляют соединения второго типа. На первой стадии сварки происходит сбли­ жение поверхностей, по-видимому, в условиях предвари­ тельного смещения, и подготовка их к схватыванию. На второй стадии возникают зоны схватывания, в которых имеют место интенсивные диффузионные процессы. Соеди­ нения образуются путем увеличения этих зон и их слия­ ния. Диффузия и выделение тепла в зоне сварки, повидимому, обусловлены высокочастотным пластическим деформированием зон схватывания.

185

Рис. 61. Виды колебательных систем при ультразвуковой сварке:

При ультразвуковой сварке используют несколько ви­ дов колебательных систем [114]: продольная (рис. 61, а), про­ дольно-поперечная (рис. 61, б) и крутильная (рис. 61, в). В каждой из этих систем есть активный элемент—ультра­ звуковой преобразователь и пассивная волноводная си­ стема, колебания которой он возбуждает. Пассивная часть колебательной системы служит для передачи энер­ гии ультразвуковых колебаний сварному соединению, приложения необходимого для сварки давления и согла­ сования преобразователя с нагрузкой, которую пред­ ставляет собой сварное соединение. Продольная и кру­ тильная системы не изменяют тип колебаний, а про­ дольно-поперечная система превращает их в колебания другого типа. По мнению автора работы [114], наиболее перспективны и просты по конструкции продольные и крутильные системы.

В промышленности нашла широкое применение схема ультразвуковой сварки при помощи продольных колеба­ ний, тангенциально вводимых в зону сварки [87]. На торце концентратора в пучности колебаний находится наконечник, расположенный перпендикулярно осевой ли­ нии волновода. Статическое давление может быть направ­ лено как снизу, так и сверху. Для получения шовной сварки наконечнику придают форму ролика, а акусти­ ческую головку вращают. Лучшие результаты получены при использовании клиново-стержневых колебательных систем, в которых продольные колебания горизонтального волновода преобразуются в изгибные колебания вертикаль­ ного волновода, на нижний торец которого направляют наконечник, вводимый в зону сварки. Волновод продоль­ ных колебаний соединяют с вертикальным волноводом в пучности изгибных колебаний. Нижним волноводом колебательная энергия отражается в зону сварки. Давле­

186

ние на свариваемые образцы оказывается снизу и сверху Для повышения мощности колебательной системы в пуч­ ность колебаний вертикального волновода включают две или три акустические головки. Существуют крутильные колебательные системы, применяемые для сварки замкну­ тых кольцевых соединений. Получить крутильные коле­ бания можно с помощью трубчатых цилиндрических пьезоэлектрических или ферритовых преобразователей. Мощные крутильные колебания могут быть созданы и при помощи обычных волноводов продольных колебаний, воздействующих на вертикальный волновод. Возникшие в вертикальном волноводе крутильные колебания пере­ даются на нижний торец волновода и к свариваемым деталям.

В крутильных системах наконечник сопрягается с кон­ центраторами продольных колебаний в узле смещения, т. е. плоскость ввода продольных колебаний в крутиль­ ный концентратор располагается на расстоянии от конца его, равном Ѵ4 длины волны крутильных колебаний [3 4 ]. Направление распространения волны совпадает с осью наконечника, вследствие чего его рабочая часть совершает не только угловые, но и осевые перемещения. Поэтому наконечник рассчитывается так же, как и в случае про­ дольных колебаний, но с учетом скорости распростране­ ния крутильных волн, которая равна

где р — модуль кручения, по величине равной модулю сдвига; р —■плотность материала наконечника; Е — мо­ дуль упругости; а — коэффициент поперечного сжатия.

Форма наконечника выбирается такой, чтобы в нем гарантировалось усиление колебаний, т. е. конической, экспоненциальной и т. п. К крутильным по своей природе близки поперечные или сдвиговые колебания. Они воз­ никают при возбуждении в твердом теле продольных ко­ лебаний и могут быть выделены в преобразователе для сварки соответствующим подбором размеров наконечника. Зная, что скорости распространения поперечных и кру­ тильных волн равны, наконечник для поперечных колеба­ ний можно рассчитывать аналогично наконечнику для крутильных колебаний. Собственная частота изгибных колебаний наконечника должна отличаться от рабочей и, следовательно, от собственной частоты продольных и

187

поперечных колебаний. Поэтому при ультразвуковой ми­ кросварке целесообразно применять продольно-попереч­

ные колебания.

Ультразвуковая сварка может выполняться точечным и шовным методами. При выполнении точечного и шовного соединений размер сварной точки и шва может выби­ раться в широких пределах. Минимальный размер точек или шва ограничивается появлением чрезмерной дефор­ мации (продавливание металла), а максимальный — труд­ ностью параллельной установки контактных поверхно­ стей инструмента и опоры или мощностью преобразова­ теля. Ультразвуковая сварка является в основном методом соединения металлов внахлестку. Время сварки в точеч­ ных аппаратах или скорость сварки в шовных аппаратах изменяется в пределах 0,2—4,0 с или соответственно 1 0 0 — 2 0 0 мм/мин и определяется твердостью и толщиной свариваемых материалов. С увеличением их значений время сварки увеличивается. Значение контактной силы и время сварки в определенных границах связаны между собой примерно обратной пропорциональной зависи­ мостью. При одних и тех же условиях время сварки умень­ шается при увеличении контактной силы и наоборот, т. е. эти параметры могут до известной степени компенси­ ровать друг друга.

Промышленное применение

ультразвуковой сварки

Целесообразность применения ультразвуковой сварки свя­ зана с различными и прежде всего прочностными харак­ теристиками получаемых соединений. Например, ультра­ звуковая сварка меди дает вдвое большую, чем электро­ контактная, прочноть соединения, при этом затраты энергии в 10 раз меньше. У ультразвуковой сварки много и других преимуществ: простая и точная дозировка мощности (от долей ватт до киловатт); отсутствие значи­ тельных тепловых воздействий, резких изменений меха­ нических свойств на границе литое ядро — основной металл; отсутствие насыщения газами, трещин, поводки, образования хрупких интерметаллических фаз и др.

С помощью ультразвука можно сваривать следующие материалы: алюминий и его сплавы в любом состоянии; медь и ее сплавы; железо и стали, золото, серебро, пла­ тину и их сплавы в виде фольги (минимальная толщина

188

до 4 мкм) и проволоки (минимальный диаметр до 12 мкм) с металлизированным стеклом, керамикой, полупровод­ никовыми материалами; жаропрочные металлы и их сплавы; никель и свинец с мелкодисперсным торием и др. Ультразвуковая сварка применима для соединения не только однородных, но и разнородных материалов. Ха­ рактерным примером такой сварки ультразвуковым мето­ дом является сварка алюминия с медью, дающая прочные пластичные соединения.

Большое место ультразвуковая сварка занимает в ра­ диоэлектронике (ультразвуковая микросварка). Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки при изготовлении полупроводниковых приборов и микро­ схем. Ультразвуковая микросварка позволяет получать соединения однородных и разнородных материалов, при­

или локального разогрева изделий и с небольшой дефор­ мацией привариваемых элементов, что способствует улуч­ шению качества продукции. В последнее время ультразву­ ковая сварка применяется для приваривания проволоч­ ных (диаметр 10 мкм) и ленточных (толщина 70— 100 мкм)

Т а б л и ц а 18

Возможные сочетания материалов проводников и тонких пленок при ультразвуковой микросварке

189