Ультразвуковая сварка

Сварка жестких пластмасс

Сварка полистирола, сополимеров стирола, полиметилметакрилата, капролона, поликарбоната и других полимеров, имеющих высокий модуль упругости и низкий коэффициент затухания, широко применяется при изготовлении различных объемных деталей и конструкций: от контейнеров и сосудов до товаров народного потребления (спортивных изделий и игрушек). В этом случае ультразвуковая сварка позволяет значительно снизить трудоемкость процесса, увеличить производительность труда, повысить культуру производства и освободиться от применения токсичных клеев, вредных для здоровья человека.

В зависимости от формы изделия и материала может применяться контактная и передаточная сварка или комбинация этих способов. При передаточной сварке нет необходимости разогревать весь объем материала. Сварной шов получается в результате расплавления полимера в зоне контакта деталей. Ясно, что в процессе сварки следует стремиться к концентрации энергии ультразвуковых колебаний непосредственно на стыкуемых поверхностях. Изменением геометрии свариваемых деталей можно концентрировать энергию ультразвуковых колебаний в том или ином сочетании, что позволяет ускорить процесс сварки.

Рекомендуются разнообразные формы и размеры стыков деталей под ультразвуковую сварку в зависимости от конкретных изделий и материалов, но наиболее распространенной является V — образная разделка кромок, которая проста в изготовлении и дает хорошие показатели прочности сварных соединений. Наиболее эффективным углом при вершине V — образного выступа является угол 90°, при котором обеспечивается минимальная площадь контакта деталей перед сваркой.

Малогабаритные детали несложной формы свариваются за один контакт волновода с изделием, причем волновод устанавливается перпендикулярно к свариваемым поверхностям, по оси симметрии. если деталь сложная и длина сварного шва значительная, то количество точек и место введения ультразвуковых колебаний определяется экспериментально. В зависимости от формы литьевого изделия для сварки могут быть использованы волноводы с плоской или фигурной рабочей поверхностью. В последнем случае рабочий торец волновода прилегает к поверхности свариваемых деталей, копируя ее форму. Это необходимо в том случае, когда нужно получить герметичный шов.

Для фиксации деталей могут применяться различные удерживающие устройства: опоры гнездообразные, сферические и т.д. Оптимальный режим сварки: время 3 с; амплитуда 40-40 мкм; усилие сжатия 50-150 Н; частота 22 кГц.

Ультразвуковая сварка металлов и ее разновидности

При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Этим способом обеспечивается получение высоконадежных соединений, исключается общий разогрев изделия, можно соединять трудно свариваемые обычными методами сочетания материалов и т п.

Для получения механических колебаний высокой частоты обычно используется магнитострикционный эффект, состоящий в изменении размеров некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля Для ультразвуковых преобразователей обычно используют чистый никель или железо-кобальтовые сплавы Для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний используют волноводы или концентраторы, которые в большинстве случаев имеют форму усеченного конуса Для сварки металлов достаточно иметь волноводы с коэффициентом усиления около 5, при этом амплитуда колебаний на конце волновода при холостом ходе должна быть 20. . .30 мкм.

Применяется несколько видов ультразвуковой сварки. Основной узел машины для выполнения точечных соединений с помощью ультразвука — магнитострикционный преобразователь (рис. 1) . Его обмотка питается током высокой частоты от ультразвукового генератора Охлаждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 изготовлен из пермендюра (К49Ф2), он служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания, которые передаются волноводу 7. На конце волновода имеется рабочий выступ 5. При сварке изделие 4 зажимают между рабочим выступом 5 и механизмом нажатия 3, к которому прикладывают усилие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод 7 на рабочий выступ 5 в виде горизонтальных механических перемещений высокой частоты Длительность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины, при малых толщинах она исчисляется долями секунды.

Рис. 1. Схема установки для точечной сварки ультразвуком: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — диафрагма; 3 — механизм нажатия; 4 — изделие; 5 — выступ; 6 — маятниковая опора; 7 — волновод; 8 — кожух водяного охлаждения

Основные узлы машины для выполнения шовных соединений при помощи ультразвука (рис. 2): вращающийся магнитострикционный преобразователь 1 и волновод 3. Конец волновода имеет форму ролика 4. Детали 6, подлежащие соединению, зажимают между вращающимся роликом 4 волновода и холостым роликом 5. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на ролик, который вращается вместе с волноводом. Изделие, зажатое между роликами, перемещается между ними, одновременно создается герметичное соединение.

Рис. 2. Схема установки для роликовой сварки ультразвуком: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — подвод тока от ультразвукового генератора; 3 — волновод; 4 — сваривающий ролик; 5 — прижимной ролик; 6 — изделие; 7 — кожух преобразователя; 8 — привод

Сварка по контуру обеспечивает получение герметичного шва самых сложных контуров. Простейший ее вид — сварка по кольцу.

Рис. 3. Схема установки для ультразвуковой сварки по контуру: 1 — волновод; 2 — сменный полый штифт; 3 — свариваемое изделие; 4 — сменный прижимной штифт; 5 — прижимная опора

Популярные статьи  Электротехника для начинающих

В этом случае в волновод вставляется конический штифт, имеющий форму трубки (рис. 3). При равномерном прижатии деталей к сваривающему штифту получается герметичное соединение по всему контуру

Это интересно: Как использовать фен для сварки пластика — краткая инструкция

Установки ультразвуковой микросварки

Ультразвуковая сварка в микроэлектронике нашла широчайшее применение. В современном мире устройства, собранные по нанометровым техпроцессам, есть практически у каждого обывателя (например мобильный смартфон). Так, потребность в устройстве рабочего места специалиста-микросварщика становится очевидной, а необходимость в специализированном микросварочном оборудовании — все более насущной.

Разберем основные аппараты ультразвуковой микросварки.

  • Установка УМС-1АКпредназначена для автоматической и полуавтоматической ультразвуковой и термозвуковой сварки золотой проволоки методом «шарик-клин» и алюминиевой, золотой проволоки методом «клин-клин». Управление автоматической установкой производится с помощью специализированной системы управления на базе персонального компьютера, позволяющая производить программирование до 100 технологических параметров: высота, длина, угол наклона перемычки и т. д.Установка оснащена системой машинного зрения для распознавания образов контактных площадок полупроводниковых приборов. Установка комплектуется ультразвуковым генератором с возможностью автоматической подстройки резонансной частоты в процессе сварочного импульса, при этом используются ультразвуковые пьезокерамические преобразователи с резонансной частотой 62 кГц; 108 кГц.
  • Аппарат ультразвуковой микросварки УМС-1УТиспользуется для ультразвуковой сварки внахлест алюминиевой и золотой проволоки «клин-клин». Установка комплектуется дополнительным ручным механическим приводом для опускания сварочной головки по оси Z с помощью – «ручки» с целью точного позиционирования сварочного электрода относительно контактной площадки и для оперативной коррекции уровня сварки с разновысотностью до 6 мм и глубиной «колодца» до 18 мм (при длине электрода 21мм, 3 мм остаются на закрепления электрода в ультразвуковом преобразователе).
  • Установка УМС-2ШКпредназначена для автоматизированной термозвуковой сварки золотых проволочных выводов методом «шарик-клин», с дополнительным закреплением «клина» «шариком», с возможностью присоединения золотых шариков на контактные площадки (бампирование) и «внахлест» методом «клин-клин» Кроме того установка предназначена для автоматизированной ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки и сварки ленты.
  • Установка УЗ сварки УМС-21Уиспользуется для ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки диаметром от 100 мкм до 500 мкм внахлест методом «клин-клин». Установка изготавливается в двух вариантах: при сборке приборов проволокой диаметром от 100 до 350 мкм, отделение проволоки от второго сварного соединения происходит с помощью зажимных губок; при монтаже проволокой диаметром 400-500 мкм с обрезкой сварочной проволоки после второй сварки с помощью «ножа».
  • Установка сварки ультразвуком УМС-2ТКУ, предназначенная для точечного присоединения золотых проволочных выводов диаметром от 15 до 50 мкм к контактным площадкам без корпусных диодов методом термокомпрессионной и термозвуковой микросварки (для проволочного монтажа гибридных интегральных микросхем).

Советуем изучить — Материалы с высоким сопротивлением, сплавы с большим удельным сопротивлением

Особенности сваривания полимеров с использованием ультразвука

Наиболее широкий спектр использования у ультразвуковой сварки полимеров. К ее достоинствам следует отнести невозможность перегрева материалов, способность соединять кромки в местах с трудным доступом и изделий, имеющих инородные покрытия. Помимо этого сварка ультразвуком способствует обработке материалов, обладающие небольшим интервалом в ходе кристаллизации.

Принцип работы оборудования для ультразвуковой сварки пленок полимеров следующий. Свариваемые листы накладываются друг на друга и сильно прижимаются к опоре. К ним с требуемым усилием подводится сварочный инструмент, имеющий соединение с устройством преобразования ультразвука. Оно приводится к действию с включением генератора. От напряжения, действующего с частотой ультразвука, растет полимерная эластичность. Причем в сварке тонколистных пленок она распространяется на весь объем детали между опорой и инструментом, а у изделий с большими толщинами – только на зону контакта свариваемых кромок. Для лучшего сцепления при соединеии крупных заготовок на их кромки могут специально наноситься неровности.

Ультразвуковая сварка

В начале ультразвуковой сварки пластмасс происходит физическое взаимодействие поверхностей с активацией молекул полимера из-за разрывания химических связей. Следующим этапом служит химическое реагирование свариваемых материалов между собой, которое переходит впоследствии во взаимное проникновение. Деформации полимерных материалов под действием частоты ультразвуках провоцируют их нагревание до температуры, необходимой для кристаллического расплавления либо перехода пластмассы в вязкотекучее состояние. Одновременно начинается диффузный процесс отдельных частей макромолекулы с перемешиванием вязкотекучих составов соединяемых полимеров. Свариваемость материала определяется размерами таких частей, чем они больше, тем лучше качество сварного шва. Прочность получаемого соединения определяется как физико-механическими характеристиками объектов сварки, так и возможностями аппарата ультразвуковой сварки.

Необходимые предпосылки для формирования качественного сварного шва создаются под действием механики колебаний ультразвукового преобразователя. Полученная таким образом энергия вибрации образует напряжения среза и сжатия (растяжения), которые способствуют превышению предельной упругости полимеров. При ее достижении, в районе соприкосновения соединяемых пластмасс образуется пластическая деформация. Ее результатом, а также влияния ультразвуковых колебаний, служит расширение областей непосредственного контакта с одновременным удалением с них газов, поверхностных окислов, органических и жидкостных пленок. Все это содействует прочности образуемого шва.

Советуем изучить — Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников

Виды ультразвукового контроля

В настоящее время в промышленности применяются несколько способов ультразвуковой дефектоскопии сварных швов. Рассмотрим каждый из них.

  1. Теневой метод диагностики. Это методика основана на использовании и сразу двух преобразователей, которые устанавливаются по разные стороны исследуемого объекта. Один из них излучатель, второй – приемник. Место установки – строго перпендикулярно исследуемой плоскости сварного шва. Излучатель направляет поток ультразвуковых волн на шов, приемник их принимает с другой стороны. Если в потоке волн образуется глухая зона, то это говорит о том, что на его пути попался участок с другой средой, то есть, обнаруживается дефект.
  2. Эхо-импульсный метод. Для этого используется один УЗК дефектоскоп, который и излучает волны, и принимает их. При этом используется технология отражения ультразвука от стенок дефектных участков. Если волны прошли сквозь металл сварочного шва и не отразились на приемном устройстве, то дефектов в нем нет. Если произошло отражение, значит, внутри шва присутствует какой-то изъян.
  3. Эхо-зеркальный. Данный ультразвуковой контроль сварных швов – это подтип предыдущего. В нем используется два прибора: излучатель и приемник. Только устанавливаются они по одну сторону от исследуемого металла. Излучатель посылает волны под углом, они попадают на дефекты и отражаются. Эти отраженные колебания и принимает приемник. Обычно, таким образом, регистрируют вертикальные дефекты внутри сварочного шва – трещины.
  4. Зеркально-теневой. Этот ультразвуковой метод контроля – симбиоз теневого и зеркального. Оба прибора устанавливаются с одной стороны от исследуемого металла. Излучатель посылает косые волны, они отражаются от стенки основного металла и принимаются приемником. Если на пути отраженных волн не встретились изъяны сварного шва, то они проходят без изменений. Если на приемнике отразилась глухая зона, то, значит, внутри шва есть изъян.
  5. Дельта-метод. В основе этого способа контроля сварных соединений ультразвуком лежит переизлучение дефектом направленных акустических колебаний внутрь сварного соединения. По сути, отраженные волны делятся на зеркальные, трансформируемые в продольном направлении и переизлучаемые. Приемник может уловить не все волны, в основном отраженные и движущиеся прямо на него. От количества полученных волн будет зависеть величина дефекта и его форма. Не самая лучшая проверка, потому что она связана с тонкой настройкой оборудования, сложность расшифровки полученных результатов, особенно, когда проверяется сварочный шов шириною более 15 мм. При проведении ультразвукового контроля качества металла этим способом предъявляются жесткие требования к чистоте сварочного шва.
Популярные статьи  Нормирование уличного освещения

Вот такие методы ультразвукового контроля сегодня используются для определения качества сварных соединений. Необходимо отметить, что чаще всего специалисты используют эхо-импульсный и теневой метод. Остальные реже. Оба вариант в основном используются в ультразвуковом контроле тру.

Плюсы и минусы сварки ультразвуком

Ультразвуковая сваркаПроцесс ультразвуковой сварки металлов отмечается рядом преимуществ. К их числу можно отнести такие аспекты:

  • УЗ-сварка помогает соединять тонкие детали вместе с конструкциями, изготовленными из более плотного материала;
  • возможно проведение сварочных работ по присоединению элементов, изготовленных из разных материалов;
  • сварка ультразвуком помогает в производстве изделий, обладающих высоким уровнем тепловой и электрической проводимости;
  • при проведении сварочных работ при помощи ультразвука не используется тепло – свариваемые детали соединяются друг с другом без плавления поверхности;
  • энергия, расходуемая в процессе сварки, используется более экономно;
  • сварка ведётся без использования присадочных материалов и не требует создания особой атмосферы в месте, где будут идти работы;
  • перед ультразвуковой сваркой металлические конструкции не нужно предварительно очищать.

Впрочем, у сварки металлических деталей с помощью ультразвука, есть и свои недостатки. Самый главный из них – возникающие сложности при работе с конструкциями, изготовленными из материалов, которые обладают высокой проводимостью тепла. Также к минусам УЗ-сварки стоит отнести немалую стоимость необходимого для неё оборудования, которое к тому же нуждается в особо тщательном уходе.

В итоге, становится очевидно, что ультразвуковая сварка способна обеспечивать столь же высокопрочное и надёжное соединение металлических деталей, которое достигается при обычном способе сваривания. Преимущества сварки металлов ультразвуком очевидны. Она не только помогает грамотно расходовать энергию, затрачиваемую на сварочный процесс, но и позволяет работать с конструкциями, обладающими разной толщиной и изготовленными из различных материалов. Несмотря на то, что процесс УЗ-сварки сопровождают некоторые недостатки, к нему рекомендуется прибегнуть для получения прочно сваренных металлических деталей.

Технология ультразвуковой сварки металлов

Технологический процесс сварки металлов ультразвуком представляет собой ряд
последовательно выполняемых операций, главными из которых можно выделить: подготовка
соединяемых деталей, их сборка, прихватка, сварка и правка. В каждом отдельном
случае объём работ по каждой из операций может существенно различаться.

Подготовка свариваемых поверхностей

Результаты, полученные на практике, показывают, что влияние оксидных плёнок
на сварных кромках почти не влияет на прочность сварного соединения при ультразвуковой
сварке. Поэтому, можно получить качественное
сварное соединение при УЗС даже без предварительной обработки свариваемых
участков.

Но, результаты некоторых отдельных исследований говорят о том, что целесообразнее
будет удалять оксидные плёнки с соединяемых поверхностей, т.к. они могут снизить
качество сварного соединения, а в ряде случаев и вовсе технологический эффект
не может быть достигнут. Для подготовки поверхностей под УЗС хорошо подходит
обезжиривающая обработка.

Популярные статьи  Самовосстанавливающиеся предохранители

Выбор режимов сварки

Главными показателями режима ультразвуковой сварки являются частота и амплитуда
колебаний сварочного наконечника, величина усилия и продолжительность процесса.

Амплитуда является важнейшим параметром, от него зависит эффективность удаления
оксидных плёнок, нагрев, а также зоны пластической деформации. Амплитуду назначают
исходя из предела текучести и твёрдости свариваемых материалов, толщины свариваемых
элементов и от того, очищались ли сварные кромки от оксидных плёнок, или нет.
Чем выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых материалов, тем выше
должна быть амплитуда колебаний. В большинстве случаев, она находится в диапазоне
0,5-50мкм.

Величина сварочного усилия определяет эффективность передачи ультразвуковых
волн и способствует возникновению пластической деформации в зоне сварки. Чем
выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых элементов, тем выше должно
быть сварочное усилие. При этом усилие напрямую связано с величиной амплитуды
колебаний и при увеличении амплитуды, усилие необходимо снижать. При соединении
элементов приборов и микросхем усилие составляет от десятых долей до нескольких
ньютонов, а при сваривании относительно толстых листов усилие может составлять
до 10 000Н. Величина усилия в процессе сварки может оставаться постоянной или
же изменяться по определённой программе.

Продолжительность процесса зависит от амплитуды колебаний, усилия сварки, толщины
свариваемого металла и его физических свойств. Зависимость времени от амплитуды
и свойств такая же, как и зависимость усилия сварки.

Используемое оборудование

Перед проведением этого сварочного процесса стоит рассмотреть важные особенности ультразвукового сварочного аппарата, который применяется при сваривании разных деталей из металла и полипропилена. Оборудование разделяется на аппараты, при помощи которых можно выполнять точечную контурную прессовую, шовную и шовно-шаговую сварку.

Ультразвуковая сварка

Показатель мощности аппаратов колеблется в диапазоне от 100 до 1500 Вт. Работают в основном на частоте 20000-22000 Гц.

В качестве главного элемента конструкции выступает электромеханическая колебательная система. Ее основное назначение состоит в преобразовании задаваемых генератором электрических колебаний в механические при неизменной частоте.

Кроме этого при проведении ультразвукового сварочного процесса стоит использовать другие необходимые элементы:

  • акустический узел с волноводом;
  • прессовый механизм;
  • привод для увеличения давления;
  • ультразвуковой излучатель для сварки;
  • аппаратура для контролирования процесса.

Часто применяется ультразвуковая швейная машина для сварки полимеров, при помощи которой можно производить сваривание, резку, обработку пластикового материала. Чтобы процесс был удобным, элемент фиксируется на рабочем столе. К положительным особенностям данного оборудования относится высокая скорость, отличное качество шва.

Технология ультразвуковой сварки металлов

Технологический процесс сварки металлов ультразвуком представляет собой ряд последовательно выполняемых операций, главными из которых можно выделить: подготовка соединяемых деталей, их сборка, прихватка, сварка и правка. В каждом отдельном случае объём работ по каждой из операций может существенно различаться.

Подготовка свариваемых поверхностей

Результаты, полученные на практике, показывают, что влияние оксидных плёнок на сварных кромках почти не влияет на прочность сварного соединения при ультразвуковой сварке. Поэтому, можно получить качественное сварное соединение при УЗС даже без предварительной обработки свариваемых участков.

Но, результаты некоторых отдельных исследований говорят о том, что целесообразнее будет удалять оксидные плёнки с соединяемых поверхностей, т.к. они могут снизить качество сварного соединения, а в ряде случаев и вовсе технологический эффект не может быть достигнут. Для подготовки поверхностей под УЗС хорошо подходит обезжиривающая обработка.

Выбор режимов сварки

Главными показателями режима ультразвуковой сварки являются частота и амплитуда колебаний сварочного наконечника, величина усилия и продолжительность процесса.

Амплитуда является важнейшим параметром, от него зависит эффективность удаления оксидных плёнок, нагрев, а также зоны пластической деформации. Амплитуду назначают исходя из предела текучести и твёрдости свариваемых материалов, толщины свариваемых элементов и от того, очищались ли сварные кромки от оксидных плёнок, или нет. Чем выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых материалов, тем выше должна быть амплитуда колебаний. В большинстве случаев, она находится в диапазоне 0,5-50мкм.

Величина сварочного усилия определяет эффективность передачи ультразвуковых волн и способствует возникновению пластической деформации в зоне сварки. Чем выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых элементов, тем выше должно быть сварочное усилие. При этом усилие напрямую связано с величиной амплитуды колебаний и при увеличении амплитуды, усилие необходимо снижать. При соединении элементов приборов и микросхем усилие составляет от десятых долей до нескольких ньютонов, а при сваривании относительно толстых листов усилие может составлять до 10 000Н. Величина усилия в процессе сварки может оставаться постоянной или же изменяться по определённой программе.

Продолжительность процесса зависит от амплитуды колебаний, усилия сварки, толщины свариваемого металла и его физических свойств. Зависимость времени от амплитуды и свойств такая же, как и зависимость усилия сварки.

Оцените статью
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: