Ультразвуковая сварка

При сварке ультразвуком неразъемное соединение образуется при совместном воздействии на детали механических сдвигающих колебаний с ультразвуковой частоты (f = 20…230 Кгц), относительно небольшом сдавливающем усилии, приложенном перпендикулярно к свариваемым поверхностям и тепловом эффекте вследствие трения при их возвратно-поступательных перемещениях. В результате в зоне сварки наблюдается небольшая пластическая деформация.

В начальный момент действия с ультразвуковых колебаний на свариваемых поверхностях возникает сухое трение, приводящее к разрушению окисных и адсорбированных пленок. После появления ювенильных поверхностей процесс сухого трения переходит в чистое трение, сопровождающееся образованием узлов схватывания. Схватыванию способствует малая амплитуда колебаний трущихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний.

Для получения механических колебаний ультразвуковой частоты используется открытый Р. Джулен в 1847 г. магнитострикционный эффект. Этот эффект заключается в том, что под действием переменного магнитного поля, направленного вдоль магнитопровода, происходит его укорочение или удлинение.

Основной узел машины для ультразвуковой сварки - магнитострикционный преобразователь (рис. 1), обмотка которого питается током ультразвуковой частоты 20…180 Кгц от генератора. Охлаждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод в виде продольных механических перемещений на верхний наконечник

При сварке изделие 4 зажимают между наконечниками, к которым прикладывают усилие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Наиболее распространенными схемами ультразвуковой сварки являются точечная, шовная и по контуру. При точечной сварке наконечниками служат круглые или другой формы стальные пуансоны, при шовной стальные ролики.

Рис. 1. Схема установки для сварки ультразвуком:
1 - магнитострикционный преобразователь; 2 - волновод; 3 - наконечники; 4 - свариваемые детали.

Основные параметры режимов ультразвуковой сварки: мощность преобразователя, частота и амплитуда колебаний инструмента, усилие сжатия, время сварки.

Мощность ультразвукового преобразователя выбирается в зависимости от толщины и свойств металла свариваемых деталей. Обычно она равна 4…6 кВт. Амплитуда колебаний инструмента (Обычно в пределах 10…20 мкм) является одной из важнейших характеристик сварочного процесса, влияющей на свойства сварного соединения и на его прочность.

Усилие сжатия необходимо для обеспечения требуемого физического контакта между деталями. Он составляет 100…2000 кН. Сила трения при смещении детали друг относительно друга под воздействием ультразвуковых колебаний также зависит от усилия сжатия.

Время сварки тоже оказывает существенное влияние на прочность сварного соединения. При малом времени сварки соединение получается непрочным, так как углы схватывания занимают небольшую часть поверхности контакта. Если же время сварки слишком большое, то на деталях образуются глубокие вмятины от электродов, наблюдается усталостное разрушение сварного соединения и схватывание электродов с деталями. Время сварки при точечном соединении 0.5…3 с.

Процесс ультразвуковой сварки сопровождается выделением тепла в месте образования соединения в результате трения в контакте между деталями. Максимальная температура в зоне сварки не превышает 0.5…0.7 температуры плавления. В некоторых случаях детали перед сваркой подогревают.

Предварительный подогрев приводит к уменьшению времени сварки и способствует повышению прочности соединения. Однако слишком высокая температура нагрева не позволяет повысить прочность вследствие увеличения текучести металла и обусловленного этим ухудшения передачи ультразвуковых волн в зону сварки.

Имеющийся опыт применения сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа:

1. Сварка ультразвуком позволяет соединить разные металлы, хорошо свариваются алюминий, медь, никель, удовлетворительно - высоколегированные стали. Получены соединения на ряде тугоплавких металлов - ниобии, тантале, молибдена и вольфраме. Существенные успехи получены при сварке металлов с неметаллами (полупроводниками, стеклом и некоторыми другими материалами). С помощью ультразвука сваривают детали из пластмасс, получают соединения биологических тканей, что является одним из уникальных примеров использования сварки ультразвуком и одновременно характеризует ее широкие возможности.
2. Возможны соединения тонких и ультратонких деталей, сварка пакетов из фольги, можно приваривать тонкие обшивки и фольгу к элементам несущей конструкции, толщина которых практически не ограничена.
3. Сварка ультразвуком происходит в твердом состоянии без существенного нагрева места сварки, что позволяет соединять химически активные металлы или пары металлов.
4. Не требуется предварительная зачистка поверхности детали, в связи с чем возможна сварка плакированных и оксидированных деталей.
5. Небольшие сдавливающие усилия вызывают незначительную деформацию поверхности деталей в месте их соединения.
6. Сварка ультразвуком более экономична, так как применяется сварочное оборудование малой мощности. Например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100…150 кВт, при ультразвуковой сварке того же соединения - 2.5…5 кВт.

Недостатки ультразвуковой сварки заключаются в следующем. Прежде всего толщина свариваемых деталей ограничена 2,0 мм. Для больших толщин необходимо увеличить частоту колебаний, что приводит к разрушению волновода. Неустойчивость параметров сварки вследствие нестабильности количества энергии, поступающей в зону сварки из-за отклонений в размерах деталей, различного состояния их поверхностей, нестабильности в работе ультразвукового генератора, механизма сжатия и т.п. вызывает значительные колебания прочности сварных соединений.

Ультразвуковая сварка нашла широкое применение для соединения тонких деталей в приборостроении, радиоэлектронной промышленности и особенно в микроэлектронике, а также для полимерных пленок, полимеров.