Ультразвукова зварка пластику, пластмас, металів, полімерних матеріалів, алюмінієвих профілів. Ультразвукова зварка: технологія, шкідливі фактори

Ультразвукова зварка металів являє собою процес, у ході якого отримують нероз'ємне з'єднання у твердій фазі. Формування ювенільних ділянок (в яких утворюються зв'язку) і контакт між ними відбуваються під впливом спеціального інструменту. Він забезпечує спільну дію відносних знакозмінних тангенціальних переміщень невеликої амплітуди і стискаючої нормальної сили на заготовки. Розглянемо детальніше, що являє собою технологія ультразвукового зварювання.

Механізм з'єднання

Малоамплітудні зміщення відбуваються між деталями з ультразвуковою частотою. За рахунок них мікронерівності на поверхні деталей піддаються пластичній деформації. Разом з цим із зони з'єднання евакуюються забруднення. Ультразвукові механічні коливання передаються до ділянки зварювання від інструменту з зовнішньої сторони заготовки. Весь процес організовується таким чином, щоб виключити проковзування пристосування і опори по поверхонь деталей. В процесі проходження коливань крізь заготовки відбувається розсіювання енергії. Це забезпечується зовнішнім тертям між поверхнями на початковій стадії зварювання і внутрішнім тертям в матеріалі, розташованому між опорою і інструментом після формування ділянки схоплювання. У з'єднанні при цьому підвищується температура, що полегшує деформацію.

Специфіка поведінки матеріалу

Тангенціальні переміщення між деталями і напруги, які викликаються ними і діють разом зі стисненням від сили зварювання, забезпечують локалізацію інтенсивної пластичної деформації в невеликих обсягах в приповерхневих шарах. Весь процес супроводжується роздрібненням і механічної евакуацією оксидних плівок і інших забруднень. Ультразвукова зварка забезпечує зниження межі текучості, завдяки чому полегшується пластична деформація.

Особливості процесу

Ультразвукова зварка сприяє формуванню необхідних умов для з'єднання. Це забезпечується за рахунок механічних коливань перетворювача. Завдяки енергії вібрації створюються складні напруги зрізу, стиснення і напруги. Пластична деформація виникає при перевищенні меж пружності матеріалів. Отримання міцного з'єднання забезпечується за рахунок збільшення площі безпосереднього зіткнення після евакуації поверхневих оксидів, органічних і адсорбованих плівок.

Застосування УЗ

Ультразвук широко використовується в науковій сфері. З його допомогою вчені досліджують ряд фізичних властивостей речовин і явищ. У промисловості ультразвук застосовується для знежирення і очищення виробів, роботи з важкооброблюваними матеріалами. Крім цього, коливання сприятливо впливають на кристалізуються розплави. Ультразвук забезпечує в них дегазацію і подрібнення зерна, підвищення механічних властивостей литих матеріалів. Коливання сприяють зняття залишкових напруг. Вони також широко застосовуються для збільшення швидкості повільно протікають хімічних реакцій. Ультразвукова зварка може використовуватися в різних цілях. Коливання можуть стати джерелом енергії для утворення шовних і точкових сполук. При впливі ультразвуку на зварювальну ванну при кристалізації поліпшуються механічні властивості з'єднання за рахунок подрібнення структури шва і інтенсивного видалення газів. За рахунок того, що коливання активно видаляють забруднення, штучні і природні плівки, можна з'єднувати деталі, з окисленої, лакованої тощо поверхнею. Ультразвук сприяє зменшення або усунення власних напружень, що з'являються при зварюванні. За рахунок коливань можна стабілізувати складові структуру сполуки. Це, в свою чергу, дозволяє запобігти ймовірність мимовільної деформації конструкцій згодом. Ультразвукова зварка знаходить останнім часом все більш широке застосування. Це обумовлено безперечними перевагами цього способу з'єднання в порівнянні з холодним і контактним методами. Особливо часто використовуються УЗ коливання в мікроелектроніці. Перспективним напрямком вважається ультразвукове зварювання полімерних матеріалів. Деякі з них неможливо поєднати ніяким іншим методом. На промислових підприємствах в даний час здійснюється ультразвукове зварювання тонкостінних алюмінієвих профілів, фольги, дроту. Особливо ефективний цей метод для з'єднання виробів з різних видів сировини. Ультразвукова зварка алюмінію використовується у виробництві побутових приладів. Цей метод ефективний при зрощенні листового сировини (нікелю, міді, сплавів). Ультразвукове зварювання пластмас знайшла застосування у виробництві приладів оптики і тонкої механіки. В даний час створені і впроваджені у виробництво машини для з'єднання різноманітних елементів мікросхем. Пристрої оснащуються автоматичними пристроями, за рахунок яких істотно підвищується продуктивність.

Потужність УЗ

Ультразвукова зварювання пластику забезпечує нероз'ємне з'єднання за рахунок спільної дії високочастотних механічних коливань і порівняно невеликій здавлює сили. Цей метод має багато спільного з холодним способом. Потужність УЗ, яку можна передати через середовище, буде залежати від фізичних властивостей останньої. При перевищенні меж міцності в зонах стиснення, твердий матеріал зруйнується. В аналогічних ситуаціях в рідинах виникає кавітація, що супроводжується появою дрібних бульбашок і їх наступним зачиненням. Разом з останнім процесом виникають місцеві тиску. Таке явище використовується при очищенні і обробці виробів.

Вузли пристроїв

Ультразвукова зварка пластику здійснюється з використанням спеціальних машин. В них присутні наступні вузли:

Джерело живлення.

Коливальна механічна система.

Апаратура управління.

Привід тиску.

Коливальна система використовується для перетворення електричної енергії в механічну для подальшої її передачі на ділянку з'єднання, концентрування її та отримання необхідної величини швидкості випромінювача. На цьому сайті присутні:

Електромеханічний перетворювач з обмотками. Він поміщений в металевий корпус і охолоджується водою.

Трансформатор пружних коливань.

Зварювальний наконечник.

Опора з механізмом тиску.

Кріплення системи здійснюється за допомогою діафрагми. Випромінювання ультразвуку відбувається тільки в момент зварювання. Процес відбувається під впливом коливань, тиску, прикладеного під прямим кутом до поверхні, і теплового ефекту.

Можливості методу

Ультразвукова зварка найбільш ефективна для пластичного сировини. Вироби з міді, нікелю, золота, срібла тощо можуть з'єднуватися один з одним, так і з іншими малопластичными виробами. З підвищенням твердості зварюваність ультразвуком погіршується. Ефективно з'єднуються за допомогою УЗ тугоплавкі вироби з вольфраму, ніобію, цирконію, танталу, молібдену. Ультразвукове зварювання полімерів вважається відносно новим способом. Такі вироби можуть з'єднуватися як один з одним, так і з іншими твердими деталями. Що стосується металу, то його можна поєднувати зі склом, напівпровідниками, керамікою. Пов'язувати заготовки можна і через прошарок. Наприклад, сталеві вироби зварюють один з одним через алюмінієву пластику. За рахунок короткочасності перебування під підвищеною температурою виходить високоякісне з'єднання різнорідних виробів. Властивості сировини піддається незначним змінам. Відсутність сторонніх домішок – одне з переваг, яким має ультразвукове зварювання. Шкідливі фактори для людини також відсутні. При з'єднанні створюються сприятливі гігієнічні умови. Зв'язку виробів відрізняються хімічної однорідністю.

Особливості з'єднання

Зварювання металу здійснюється, як правило, нахлесточным способом. При цьому додається різне конструктивне оформлення елементів. Зварювання може здійснюватися точками (однією або декількома), безперервним швом або за замкнутому колі. У деяких випадках при попередній формуванні кінця заготовки з дроту проводиться таврове з'єднання її з площиною. Можна здійснювати ультразвукову зварку декількох матеріалів одночасно (пакетом).

Товщина деталей

Вона обмежена верхньою межею. При збільшенні товщини металевої заготовки потрібно застосовувати коливання з більшою амплітудою. Це дозволить компенсувати втрату енергії. Збільшення амплітуди, в свою чергу, можливе до певної межі. Обмеження пов'язані з імовірністю виникнення втомних тріщин, великих вм'ятин від інструменту. У таких випадках слід оцінити, наскільки доцільна буде ультразвукове зварювання. На практиці метод використовується при товщині виробів від 34 мкм до 051 мм. Зварювання може використовуватися і для деталей з діаметром 00105 мм. Товщина другого вироби може бути істотно більше першого.

Можливі проблеми

При застосуванні методу ультразвукового зварювання необхідно врахувати ймовірність втомного руйнування наявних сполук у виробах. Під час процесу заготівлі можуть розгортатися відносно один одного. Як вище було сказано, на поверхні матеріалу від інструменту залишаються вм'ятини. Сам пристрій відрізняється обмеженим строком служби, що обумовлено ерозією його робочої площини. В окремих точках матеріал виробу приварюється до інструменту. Це призводить до зносу пристрою. Ремонт обладнання супроводжується низкою складнощів. Вони пов'язані з тим, що сам інструмент виступає як елемент нерозбірної єдиної конструкції вузла, конфігурація і розміри якого точно розраховані на робочу частоту.

Підготовка виробів та параметри режиму

Перед виконанням ультразвукового зварювання будь-яких складних заходів з поверхнею деталей здійснювати не потрібно. При бажанні можна підвищити стабільність якості з'єднання. Для цього доцільно тільки знежирити виріб розчинником. Для з'єднання пластичних металів оптимальним вважається цикл із запізненням імпульсу відносно моменту запуску ультразвуку. При порівняно високій твердості виробу доцільно дочекатися невеликого нагріву, перш ніж включати УЗ.

Схеми зварювання

Їх існує кілька. Технологічні схеми УЗ зварювання відрізняються за характером коливання інструменту. Вони можуть бути крутильными, изгибными, поздовжніми. Також розрізняють схеми в залежності від просторового положення пристрою відносно поверхні деталі, що зварюється, а також за способом передачі стискаючих сил на вироби і конструктивними особливостями опорного елемента. Для контурного, шовного та точкового з'єднання використовуються варіанти з изгибными і поздовжніми коливаннями. Ультразвукове вплив може поєднуватися з локальним імпульсним нагріванням деталей від окремого теплового джерела. В цьому випадку можна досягти ряду переваг. В першу чергу можна зменшити амплітуду коливань, а також силу і час їх пропускання. Енергетичні властивості теплового імпульсу і періоду його накладення на ультразвук виступають як додаткові параметри процесу.

Тепловий ефект

Ультразвукове зварювання супроводжується підвищенням температури на ділянці з'єднання. Виникнення тепла обумовлюється появою тертя на поверхнях контактуючих виробів, а також пластичними деформаціями. Вони, власне, супроводжують формування зварного з'єднання. Температура на контактному ділянці буде залежати від міцнісних параметрів. Головним з них вважається ступінь твердості матеріалу. Крім того, чимале значення мають його теплофізичні властивості: теплопровідність і теплоємність. На температурний рівень впливає і вибраний режим зварювання. Як показує практика, з'являється тепловий ефект не виступає як визначальна умова. Це обумовлюється тим, що максимальна міцність з'єднань у виробах досягається раніше, ніж температура підвищується до граничного рівня. Зменшити тривалість пропускання ультразвукових коливань можна, попередньо провівши підігрів деталей. Це також буде сприяти посиленню міцності з'єднання.

Висновок

Ультразвукова зварка в даний час в деяких промислових галузях є незамінним методом з'єднання деталей. Особливо поширений цей спосіб в мікроелектроніці. УЗ дозволяє з'єднувати різні пластичні і тверді матеріали. Сьогодні активно ведеться наукова робота з удосконалення інструментів і технологій зварювання.