СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Оборудование для ультразвуковой сварки

Основные узлы УЗС. Технологическое оборудование для УЗС не зависит от физико-механических свойств свариваемых материа­лов, которые являются непосредственными объектами интенсив­ного воздействия ультразвуковых колебаний, имеет одну структу­ру и состоит из следующих узлов:

• механическая колебательная система;

• источник питания;

• аппаратура управления сварочным циклом;

• привод давления.

Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику обо­рудования и технологии УЗС металлов и пластмасс, является ме­ханическая колебательная система. Эта система служит для пре­образования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону сварки, согласования сопротивления на­грузки с внутренним сопротивлением системы и геометричес­ких размеров зоны ввода энергии с размерами излучателя, кон­центрирования энергии и получения необходимой колебатель­ной скорости излучателя. Система должна работать с максималь­ным КПД на резонансной частоте независимо от изменения со­противления нагрузки.

Типовая колебательная система (см. рис. 10.1) состоит из элек­тромеханического преобразователя 1, волноводного звена (транс­форматора) — концентратора колебательной скорости 3, акусти­ческой развязки 2 системы от корпуса машины, сварочного акус­тического наконечника 4 (излучателя ультразвука) и опоры 5, на которой расположены свариваемые детали 6.

Фокусирование и концентрация ультразвуковых волн. Ультра­звуковая сварка основана на использовании энергии бегущей ме­ханической волны, которую вводят в зону сварки акустическим наконечником (см. рис. 10.1).

Однако стабильная передача ультразвуковой энергии в зону сварки через всю силовую систему (источник электрических вы­сокочастотных импульсов -> преобразователь электрических им­пульсов в механические ультразвуковые колебания -» волновод для доставки ультразвуковой энергии к месту сварки) и наконеч­ник сопряжена с большими техническими трудностями. Эта зада­ча решается двумя путями:

• фокусированием при помощи линз и зеркал;

• механическим трансформированием.

Для УЗС используют механические трансформаторы, называе­мые также концентраторами, которые обеспечивают большей час­тью увеличение амплитуды смещения или скорости колебания ультразвука.

Концентраторы — полуволновые настраиваемые стержни с уменьшающимся вдоль оси сечением (конические, криволиней­ные и ступенчатые волноводы) — приведены на рис. 10.2. Сочета­ние концентраторов с цилиндрическими волноводами называют сложными системами.

Коэффициент усиления амплитуды смещения определяют по формуле k ~ (D/d), где D, d — диаметр входного и выходного тор­цов волновода соответственно.

Рис. 10.2. Концентраторы и ха­рактер распределения амплиту-

ды смещения по их длине: х/2

а — различные виды полуволно­вых концентраторов и их соедине­ний; б — характер распределения амплитуд смещения для концент­раторов различных типов с длиной волны Х/2 и Л; / — полуволновые концентраторы; 2— усиление кон­центратора; % — амплитуда смеще­ния; к ~ коэффициент усиления

Волноводы при передаче энергии ультразвука находятся в весьма сложном термомеханическом состояний, которое заключается в знакопеременном характере нагружения при значительных меха­нических переменных нагрузках и высоких температурах, особен­но на поверхности сварного наконечника. Кроме того, материалы волноводов должны обладать минимальными коэффициентами потерь, минимумом изменен™ своих линейных размеров при тем­пературах 400... 600 °С, а также хорошо обрабатываться и бьггь срав­нительно недорогими.

Материал волновода и всех волноводйых звеньев должен обла­дать достаточно высокой усталостной прочностью, малыми поте­рями, хорошо паяться твердыми припоями или свариваться. Фи - зико-механические свойства некоторых материалов приведены в табл. 10.1.

Минимальными потерями обладают титановые сплавы, обес­печивающие наиболее высокую амплитуду колебаний инструмен­та. Экспериментально определено, что амплитуда на торце волно­водов из титанового сплава, например ВТ5, в 2 раза больше амп­литуды волноводов из стали 45. К положительным качествам вол­новодов из титана можно отнести также их сравнительно высо­кую усталостную прочность, но соединение титана непосредствен­но с никелем и другими магнитостри^ционными материалами крайне затруднено. Они, как правило, используются в качестве вторых ступеней.

Коэффициент потерь для алюминиевых сплавов имеет то же значение, что и для сталей, но его прочностные показатели усту­пают всем перечисленным материалам. Для изготовления волно-

водов при УЗС пластмасс наиболее пригодными оказались алю­миниевые сплавы (Д16, АМг, АМц), которые успешно конкури­руют с титановыми сплавами. Эта особенность волноводов из алю­миниевых сплавов объясняется более рациональным сопряжени­ем их волновых сопротивлений и свариваемого материала.

Как показал опыт эксплуатации оборудования для УЗС в про­мышленности, волноводные звенья можно изготовлять из углеро­дистых сталей 40 и 45. Эти стали недефицитны, обладают доста­точной усталостной прочностью и хорошо паяются твердыми при­поями.

Эффективность работы механической колебательной системы в значительной мере зависит от качества соединения преобразо­вателя с волноводом (концентратором). В колебательных системах, используемых в машинах для УЗС, получил распространение един­ственный метод соединений — пайка.

Другие способы (склеивание и сварка) практического распро­странения не получили (за исключением колебательных систем для микросварки). Не исключена целесообразность использова­ния акустически прозрачного клея.

Качество пайки является фактором, определяющим возмож­ность переноса энергии механических колебаний от преобразова­теля в зону сварки. Наиболее рационально применение твердых серебряных припоев марок ПСр40 и ПСр45. При изготовлении колебательных систем малой мощности допустимо использование оловянно-свинцовых припоев, например ПОС-40 и ПОС-бО.

Как известно, при изготовлении преобразователей из ферри­тов и керамики для их соединения с элементами волноводных звеньев используют клей (керамика может стягиваться посред­ством накладок и стяжных болтов).

При изготовлении колебательных систем со сменными волно­водными звеньями с резонирующими стержнями, работающими в режиме изгибных колебаний, возникает необходимость сопря­жения этих звеньев. Это возможно (при малых мощностях) по­средством применения мелких и качественных резьбовых соеди­нений. При изготовлении акустических узлов преобразователи должны быть присоединены к волноводам. Это соединение долж­но обеспечивать надежный акустический контакт.

Так как волновод и преобразователь являются резонансными звеньями, то механическое сопротивление в плоскости их соеди­нения мало и определяется только эквивалентным сопротивлени­ем потерь в концентраторе. Поэтому механические усилия, кото­рые могли бы вызвать разрушение, сравнительно невелики (одна­ко, они растут с возрастанием энергии, переносимой в зону сварки с уходом от резонансной частоты). Наиболее рациональным спо­собом соединения этих звеньев является пайка серебряными при­поями. При этом сопрягаемые поверхности шлифуют и обезжири­вают, а при пайке оловом предварительно облуживают. Преобра­зователи из пермендюра со сталью лучше паять припоями ПСр45 в печи с применением флюса № 302. При этом тонкую пластинку припоя толщиной 0,1... 0,2 мм вырезают по размеру площади пре­образователя, посыпают слоем флюса и собирают с концентрато­ром в кондукторе.

Источники ультразвука (преобразователи). Для преобразования электрической энергии в энергию механических колебаний ульт­развуковой частоты используют известные физические явления магнитострикции и пьезоэлектрического эффекта. Сущность этих явлений заключается в том, что некоторые материалы, напри­мер, никель, пермендюр, ферриты и другие, при воздействии электромагнитного поля меняют свои линейные размеры.

Магнитострикционные преобразователи в зависимости от кон­струкции, габаритных размеров и материала имеют разные резо­нансные и энергетические свойства. Основные физико-механи­ческие свойства важнейших магнитострикционных материалов приведены в табл. 10.2. Промышленное применение имеют мате­риалы, которые не содержат дефицитных и дорогостоящих метал­лов, достаточно дешевы, доступны и обладают хорошими эксп­луатационными и технологическими свойствами.

В настоящее время наибольшее применение находят никель, ферриты и пермендюр. Никель обладает сравнительно небольшой, но достаточно интенсивной магнитострикцией, хорошими анти­коррозионными свойствами, пластичностью и прочностью. Очень важно, что никель хорошо паяется оловом и серебром со сталями.

Наиболее рациональным материалом для изготовления преоб­разователя является пермендюр (К49Ф2), отличающийся сильно выраженным магнитострикционным эффектом, т. е. позволяет получать весьма значительные мощности при относительно не­больших размерах вибратора. Однако по сравнению с никелем пермендюр обладает недостаточной механической прочностью и антикоррозионной стойкостью. При использовании железоалюми­ниевых сплавов, несмотря на удовлетворительные характеристи­ки, соединение их со сталями вызывает серьезные затруднения.

Для максимального достижения магнитострикционного эффекта необходимо использовать рациональные значения напряженно­сти поля подмагничивания Н0 и переменного поля Нм (Щ > 0,5#м).

Практически для изготовления преобразователя используют листовой никель или пермендюр толщиной 0,05...0,15 мм, кото­рые штампуют в одинаковый размер, подвергают термообработке и собирают в пакеты по специальной технологии.

Магнитострикционный преобразователь с навитой на него об­моткой и припаянным волноводом (акустическим трансформато­ром) помещают в водоохлаждающий кожух. Излучающий торец защищают пористой резиной и герметизируют. Созданную таким образом конструкцию называют ультразвуковой головкой (рис. 10.3).

6

Рис. 10.3. Конструкция ультразвуко­вой головки с магнитострикцион­ным преобразователем:

1 — преобразователь; 2 — обмотка; 3 — концентратор; 4 — отверстие для слива охлаждающей жидкости; 5 — отверстие для подачи охлаждающей жидкости; 6 — выводы обмотки; 7 — сопла для распы­ления охлаждающей жидкости

Ферритовые преобразователи имеют в качестве магнитострик­ционных материалов специально разработанную керамику, обла­дающую сильно выраженными магнитострикционными свойства­ми, — ферриты (например, Ф-21). По своим механическим свой­ствам и технологии изготовления они близки к пьезокерамике, но не требуют дефицитных исходных материалов. Основным пре­имуществом ферритов по сравнению с магнитострикционными металлами является отсутствие потерь на токи Фуко (рис. 10.4, а).

Электрическое сопротивление ферритов в 108—10" раз боль­ше, чем в металлах. Ферриты обладают высоким электроакусти­ческим КПД (до 87 %), который сохраняется в широком диапазо­не частот, не требуют высокого напряжения, не чувствительны к воздействию внешней среды, могут работать в агрессивных сре­дах. Технология их изготовления позволяет получать необходи­мые формы преобразователей. Однако ферриты имеют и суще­ственные недостатки. Амплитуда колебаний и интенсивность из­лучения у преобразователей, изготовленных из ферритов, огра­ничены нелинейными свойствами и низкой механической прочностью ферритов. В связи этим, ферриты не используют в качестве магнитострикционных материалов в установках для сварки металлов.

Пьезоэлектрические преобразователи (рис. 10.4, б) стали широ­ко применять в последние годы для ультразвуковой сварки пласт­масс и синтетических тканей.

Рис. 10.4. Ферритовый (а) и пьезоэлектрический (б) преобразователи:

1 — сердечник; 2 — постоянный магнит; 3 — накладки-пластины; 4 — пьезоке­рамические пластины; 5 — токоподвод; 6 — волновод

Пьезоэлектрические преобразователи изготавливают из крис­таллов кварца, сегнетовой соли, турмалина, керамики титаната бария (ВаТі03), а также цирконата-титаната свинца (ЦТС) Pb(ZrTi)03 и его производных.

По сравнению с другими пьезокерамическими материалами ЦТС обладает большим пьезомодулем (величина, аналогичная модулю магнитострикционной активности), высокой точкой Кюри, что позволяет ему устойчиво работать при температуре до 510 К с акустической мощностью излучения 50... 100 кВт/м2, а также зна­чительной механической прочностью.

Пьезоактивные элементы преобразователей изготавливают в виде круглых или прямоугольных пластин. Для этого из измельчен­ной смеси сырьевых материалов прессуют заготовки нужного раз­мера и формы, которые отжигают при температуре 1 600... 1 800 К. Затем полученные заготовки шлифуют и подвергают поляриза­ции в постоянном электрическом поле. Средняя продолжитель­ность поляризации при напряженности электрического поля 2 МВ/м составляет примерно 1 ч.

В ультразвуковых сварочных машинах применяют однослойные излучатели (типа «Ланжевена», см. рис. 10.4, б) и преобразователи типа «сэндвич».

Преобразователь состоит из двух пассивных металлических (сталь или алюминий) частотно-понижающих накладок-пластин 3, между которыми зажаты кварцевые или пьезокерамические пластины 4 толщиной 5... 10 мм. К металлизированным накладкам пластин подают напряжение переменного тока. Толщину накладок выби­рают таким образом, чтобы вся система работала как полуволно­вой излучатель. Металлические пластины действуют как массы, значительно понижающие частоту излучателя, в связи с чем нет необходимости применения толстых пьезопластин и охлаждения. Важно обеспечить прочное соединение поверхностей пластин и пьезоэлементов. Эти поверхности необходимо тщательно прити­рать и собирать на болтах.

Основными достоинствами такого пакетного преобразователя являются конструктивная простота, отсутствие необходимости в высоком напряжении поляризации, сравнительно малый объем пьезоактивного материала. Максимальный КПД при достижении одной и той же акустической мощности излучения у пьезокера­мических преобразователей выше, чем у магнитострикционных металлических, а система охлаждения гораздо экономичнее или вообще не требуется. Недостатки указанной конструкции преоб­разователя связаны в основном с размещением пьезоэлемента в зоне максимальных амплитуд механического колебания, т. е. наи­больших потерь. Кроме того, в режиме больших амплитуд наблю­дается нестабильность излучения, нагрев пьезоэлементов, депо­ляризация и выход преобразователей из строя.

Генераторы для питания преобразователей. Электрический ге­нератор предназначен для преобразования электрической энер­гии с сетевой частотой 50 Гц в высокочастотную (10 кГц... 1 МГц) энергию, которой он питает ультразвуковой преобразователь. Гене­ратор, являясь основным устройством ультразвуковой установки, определяет ее функциональные и эксплуатационные параметры.

Ультразвуковые, главным образом полупроводниковые, гене­раторы с точки зрения назначения можно разбить на три группы: генераторы для излучения ультразвука в твердой среде (для свар­ки, обработки, изменения формы, воздействия на расплавы и т. п.); генераторы для излучения ультразвука в жидкости (для очистки, интенсификации физико-химических процессов); гене­раторы специального назначения для маломощного ультразвуко­вого очистного оборудования, различных дезинтеграторов и аэро­зольных установок, стоматологического оборудования, медицин­ских аппаратов и т. п.

Мощность, подводимая преобразователем к месту сварки:

N =0,5шЧ? Дя,

где со = 2л/ — циклическая частота колебания; 4Т — максимальная амплитуда смещения сварочного наконечника; Rm = pcS — меха­ническое сопротивление среды; р — плотность среды; с — ско­рость распространения ультразвука в среде; рс — акустическое вол­новое сопротивление среды; S — площадь сечения сварочного наконечника.

При нагружении ультразвуковой головки изменяется ее резо­нансная частота f значительно снижается амплитуда 4т - Следова­тельно, мощность N в зоне сварки падает.

Анализ формулы для акустической мощности N и сравнение ее расчетных значений с результатами измерений в ходе практичес­кого применения ультразвука позволяют установить, что измене­ние резонансной частоты / приводит к значительному снижению амплитуды 4Т - Механическое сопротивление Rm также изменяется во времени и зависит от характера сварки. Отсюда следует, что важнейшим параметром является амплитуда 4Т, которую необхо­димо поддерживать постоянной. На практике в полупроводнико­вых генераторах это осуществляется автоматическим регулирова­нием частоты или мощности.

Первый способ обеспечивает непрерывное отслеживание ульт­развуковым генератором изменений резонансной частоты голов­ки, оказывающих влияние на амплитуду 4т - При втором способе регулирования мощность автоматически изменяется (увеличива­ется или уменьшается) в соответствии с изменением нагрузки преобразователя или колебательной системы, в результате чего их амплитуда 4т поддерживается постоянной.

В высококачественных полупроводниковых генераторах пита­ния пьезоэлектрических преобразователей регулирование выпол­няют обоими способами.

В зависимости от типа активного полупроводникового элемен­та в цепи и конструкции генератора полупроводниковые генера­торы разделяют на две группы: тиристорные и транзисторные.

Поскольку свойства и назначение тиристоров и транзисторов значительно различаются, отличаются и электрические схемы ге­нераторов, выполненных с учетом возможностей и физических параметров данного полупроводникового элемента.

В сравнении с ламповыми полупроводниковые генераторы от­личаются меньшей стоимостью, размерами, массой и гораздо более

Рис. 10.6. Ручные сварочные клещи типа КТУ-0,1У4;

/ — привод давления; 2 — микропе­реключатель; 3 — толкатель; 4 — опо­ра; 5 — акустическое устройство; 6 — бак с водой; 7 — рамка; 8 — направля­ющее устройство; 9 — рукоятка

высоким КПД (примерно 70 %). Их достоинством является так­же то, что они работают с более низким напряжением и более высокой силой тока.

Благодаря своим достоин­ствам полупроводниковые гене­раторы почти полностью вытес­нили ламповые генераторы в сварочной ультразвуковой тех­нике.

На рис. 10.5 и 10.6 представ­лены характерные типы выпускаемого промышленностью обору­дования для ультразвуковой сварки.

Сварочная головка машины типа МТУ-0.4-4У4 дана на рис. 10.5. Машина МТУ-0.4-ЗУ4 предназначена для сварки пластмасс и ме­таллов.

Технические характеристики машины МТУ-0.4-ЗУ4

Мощность акустического устройства, кВт.......................... 0,4...0,63

Напряжение питающей сети, В............................................................ 380

Частота питающей сети, Гц................................................................... 50

Рабочая частота акустического устройства, кГц 22 ± 1,65

Толщина свариваемых материалов, мм;

медь......................................................................................... 0,2 ±0,2

алюминий.............................................................................. 0,3 ± 0,3

пластмасса, полистирол, полиэтиленте-

рефталат и др......................................................................... 0,01... 15

Максимальная производительность, точекДіин 60

Привод........................................................................................... Пневматический

Максимальное давление сжатого воздуха, кПа 392

Охлаждение преобразователя, мм................................................. Водяное

Габаритные размеры, мм........................................................ 1 300 х 620 х 1 430

Масса, кг................................................................................................... 130

Машина состоит из сварочной головки и источника питания — ультразвукового генератора типа УЗГ5-1,6/22.

С помощью клещей можно получать соединения металлов без предварительной подготовки поверхностей свариваемых деталей.

Клещи типа КТУ-0,1У4 состоят из комплекта, включающего в себя ручные и подвесные клещи мощностью 0,1 и 0,63 кВт соот­ветственно.

Ручные клещи (см. рис. 10.6) состоят из акустического устрой­ства 5, бака 6, рукоятки 9, опоры 4, направляющего устройства 8 и привода давления 7. Акустическое устройство выполнено на базе магнитострикционного преобразователя. Бак 6 имеет прямоугольную форму. К фланцу бака крепят акустическое устройство. Внутри бака циркулирует вода, охлаждающая магнитостриктор. Рукоятка 9 состо­ит из двух частей. К рукоятке крепят бак с акустическим устрой­ством. Внутри рукоятки на оси закреплен толкатель 3 с плоской пружиной, которая воздействует на кнопку микропереключателя 2 и возвращает толкатель в первоначальное положение. Опора 4 пред­ставляет собой фигурную планку, которая крепится к рамке 7. На­правляющее устройство выполнено на подшипниках качения.

Технические данные машин приведены в табл. 10.3 (для сварки металлов) и в табл. 10.4 (для сварки полимеров).

Требования безопасности при УЗС. Из слышимых звуков утом­ляющее воздействие на нервную систему человека оказывают зву­ки частотой 4... 5 кГц. При увеличении частоты звука слуховая чув­ствительность к нему ослабляется и, наконец, при частоте 16 кГц и выше органы слуха перестают воспринимать звуковые колеба­ния в воздухе. Практически при значениях общих уровней звуко­вых давлений в воздухе, не превышающих 120 дБ, вредное дей­ствие шумов ультразвуковых установок целиком определяется слышимой частью спектра.

Конструкция ультразвуковой сварочной установки должна ис­ключать возможность случайного контакта людей с элементами схемы и деталями, находящимися под напряжением. Категори­чески запрещается работать на установке при неисправном бло­кировочном устройстве ультразвукового генератора, а также со снятым кожухом машины. При необходимости прикасания к ра­ботающему волноводу следует применять перчатки.