Ультразвуковая сварка

Ультразвуковые колебания в настоящее время широко используются в различных отраслях промышленности и при исследовании физических явлений. Современный этап развития ультразвуковой техники характеризуется как совершенствованием ранее разработанных способов, так и расширением числа новых областей применения УЗК.

Промышленное использование УЗК развивается в двух направлениях:

• применение волн малой интенсивности (низкоэнергетических колебаний) (0,8¸12,0 МГц) ð для дефектоскопии, измерений, сигнализации, автоматизации производства и т.д.

• применение высокоэнергетических колебаний (волн высокой интенсивности) для активного воздействия на вещества и различные технологические процессы ð очистка деталей, сварка металлов и пластмасс, механическая обработка и т.д.

Ультразвук низкой интенсивности и высокой частоты (МГц) используют в технике более 60 лет.

Ультразвуковые колебания высокой интенсивности (более нескольких Вт/см²) и f=18¸44 кГц применяют для активного воздействия на вещества и технологический процессы около 40 лет.

В сварочной технике ультразвук используют в следующих направлениях:

1. Для улучшения механических свойств сварного соединения при воздействии на сварочную ванну в процессе кристаллизации. Улучшение механических свойств сварного соединения происходит благодаря измельчению структуры металла шва и удалению газов.

2. В качестве источника энергии для получения точечных и шовных соединений (особенно в микроэлектронике) ультразвуковые колебания активно разрушают естественные и искусственные пленки, что позволяет сваривать металлы с окисленной поверхностью, покрытые слоем лака и т.д., возможно соединение тончайших металлических фольг.

3. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформации, возникающие при сварке. Им можно стабилизировать структурные составляющие металла сварного соединения, устраняя возможность самопроизвольного деформирования сварной конструкции со временем.

4. Для оценки качества сварных соединений (ультразвуковая дефектоскопия) из различных металлов и сплавов.

5. Ультразвуком сваривается большая часть термопластичных полимеров (например, полистирол).

Первые опыты по ультразвуковой сварке (УЗС) металлов предпринимались в Германии в 1936-37г.г., а работы по созданию оборудования и технологии УЗС начались в США в начале 50-х годов.

В СССР первые работы по УЗС металлов появились в 1958 году.

Исследованиями и опытно-конструкторскими работами в области УЗС занимаются ВНИИСО г.Ленинград, МВТУ им.Баумана г.Москва, НИИТОП г.Н.Новгород и другие.

Процесс ультразвуковой сварки металлов

При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий, приложенных нормально к поверхности их соприкосновения (f=10¸100 кГц, амплитуда колебаний x=1¸100 мкм).

Для получения механических колебаний высокой частоты обычно используют магнитострикционный эффект. Он состоит в изменении размеров некоторых сплавов под воздействием переменного магнитного поля.

Для ультразвуковых преобразователей обычно используется чистый никель или железокобальтовые сплавы. Изменение размеров магнитострикционных материалов очень мало: для никеля магнитострикционное удлинение составляет 40×10^-6. Поэтому для увеличения амплитуды и концентрации энергии колебания, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы, которые имеют, как правило, суживающую форму. Коэффициент усилия волноводов обычно равен 5, амплитуда на конце волновода при холостом ходе должна быть 20¸30 мкм. Опыт УЗ микросварки показал, что величины амплитуды колебания x=1¸3 мкм уже обеспечивают образование надежного соединения.

Волноводы передают энергию колебания плоской волны от магнитострикционного преобразователя к сварочному наконечнику (инструменту)

Рис.1. Внешний вид волноводов

Коэффициент усиления амплитуды колебательного смещения при d₁¹d₂ К_у=d₁²/d₂², где d₁, d₂ - диаметры входного и выходного торцов волновода.

Основной узел машины для УЗС - магнитострикционный преобразователь. Его схема для точечной сварки имеет следующий вид.

1-магнитострикционный преобразователь; 2-волновод; 3-выступ; 4-привод сжатия (механизм сжатия); 5-изделие; 6-маятниковая опора; 7-диафрагма; 8-токоподвод; 9-кожух водяного охлаждения.

Рис.2. Схема установки для точечной сварки

1-магнитострикционный преобразователь; 2-волновод; 3-сваривающий ролик; 4-прижимной ролик; 5-изделие; 6-кожух преобразователя; 7-подвод тока для магнитострикционного преобразователя; 8-привод вращения; 9-подвод охлаждающей воды.

Рис.3. Схема установки для шовной сварки ультразвуком

Обмотка магнитострикционного преобразователя питается током высокой частоты от ультразвукового генератора. Механические колебания передаются и усиливаются волноводом. На конце волновода имеется рабочий выступ. При сварке высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на рабочий выступ в виде горизонтальных механических перемещений высокой частоты.

Длительность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины, для малых толщин она исчисляется долями секунды.

Рис.4. Схема процесса УЗС металлов

Колебания наконечника поляризованы в плоскости, совпадающей с поверхностью верхней пластины.

Колебания наконечника (рабочий выступ, инструмент) вызывают колебания пластин и опоры с амплитудами x₁, x₂, x₃, причем x₀>x₁>x₂>x₃, так как в каждой из областей «наконечник-деталь», «деталь-деталь», «деталь-опора» происходит поглощение энергии колебаний.

1. Процесс сварки начинается с взаимодействия микронеровностей соединяемых поверхностей под действием силы N, происходит их деформация.

2. После включения УЗК в результате относительных колебаний соединяемых поверхностей контактирующие микронеровности испытывают сдвиг и частично деформируются, происходит сближение, очистка поверхности, возникают зоны схватывания и т.д.

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 образования ювенильных поверхностей процесс сухого трения переходит в чистое трение, которое сопровождается образованием узлов схватывания. Схватыванию способствуют малая амплитуда колебания трущихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний.

Металлографические исследования образцов различных металлов, сваренных на различных режимах сварки (мощности, продолжительности, при различных давлениях), не обнаружили в зоне сварки литой структуры или воздействия на металл высоких температур. Установлено, что температура в зоне сварки не выше, чем 0,6 от температуры плавления.

Некоторые данные по температуре (t°) в зоне сварки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Материал	d, мм	Режим сварки		Темпера-
		Продолжительность сварки, с	Pсжатия, кгс(дан)	тура, °С
Алюминий	0,5 + 0,5	0,5	¾	200¸300
Медь	1,0 + 1,0	1,5	440	300¸500
Цинк	0,85 + 0,85	0,6	220	100¸150
Железо	0,4 + 0,4	0,4	260	800¸900

В результате в зоне сварки наблюдается небольшая пластическая деформация (5¸20%) от их первоначальных размеров.

Свариваемость металлов ультразвуком определяется:

1. их физико-механическими свойствами при t° сварки;

2. свойствами механической колебательной системы, видом обработки поверхности перед сваркой и т.д.

Сварное соединение при правильном режиме сварки обладает прочностью, равной прочности основного металла.