ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковая волна, как всякая гармоническая волна, харак­теризуется: периодом Т или частотой колебаний f (f = 1/Т); круговой частотой ю (ю = 2nf); фазовой скоростью (С); длиной волны X, равной расстоянию между ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе (X = СТ = С/f). Если в процессе колебания частицы среды пере­мещаются в направлении распространения волны, то колебания назы­ваются продольными. Если перемещение частиц среды перпендику­лярно направлению распространения волны, то колебания называются поперечными. В жидкостях и газах возможны только продольные волны. В твердых телах возможны: продольные и поперечные и по­верхностные волны.

Фазовая скорость звука для продольной волны в неограниченной твердой среде равна:

E х(1 - у)

K + 0.75G

С =

р х (1 + у) х (1 - 2у)

где: Е - модуль Юнга; и - коэффициент Пуассона; р - плотность сре­ды; К - модуль объемного сжатия; G - модуль сдвига. Для тонких стержней, поперечные размеры которых значительно меньше длины волны, можно пренебречь поперечной деформацией, (и=0), фазовая (стержневая) скорость равна:

Р

С -

І

Для толстых стержней круглого сечения (отношение диаметра стерж­ня к длине волны лежит в пределах от 0,3 до 1,4) фазовая (стержневая) скорость равна:

где: d - наибольший диаметр стержня.

Действие переменной силы в произвольной точке упругой сре­ды приведет к переменным смещениям, деформациям и напряжениям. Каждому моменту времени будет соответствовать определенное рас­пределение смещений, деформаций, напряжений. Если это распреде­ление перемещается, то упругая волна называется бегущей. В идеаль­ной среде (при отсутствии трения) бегущая волна описывается урав­нением: и = A sin(&t±kx), где: и - смещение произвольной точки вдоль оси X; A - амплитуда смещения; &=2л/Х=ю/С - волновое число. Первая и вторая производные по времени дадут колебательную скорость (V) и ускорение (а), первая производная по x даст выражение для волны де­формации (є):

V = du/dt = A &cos(&t±kx) = Vmcos(®t±kx);

2 2 2 а = д и/д t= A ю sin(®t±kx) = amsin(&t±kx);

є = ди/дх = ±k Acos(®t±kx).

По закону Гука, в упругой среде напряжения (а) и деформации (є) связаны зависимостью: а = Е є. Следовательно: а = Е є= E±kAcos(®t±kx). При распространении упругой волны проис­ходит перенос энергии, при этом, происходит циклический переход кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

Кинетическая энергия в единице объема равна:

Ек = 0,5pV2 = 0,5[A®cos(®t±kx)]2.

Средняя кинетическая энергия в единице объема равна:

Еср = 0,25рю2^2.

Полная средняя энергия равна:

Е = 0,5 рю2^2 = 2nfp А2.

Сопротивление распространению упругой волны в реальной уп­ругой среде носит активный и реактивный характер. В результате ак­тивного сопротивления (внутреннего трения) происходит поглощение средой механической энергии и выделение ее в виде теплоты. Реак­тивное сопротивление обусловлено тем, что каждый бесконечно ма­лый объем среды обладает массой и упругостью. Полное сопротивле­ние среды можно характеризовать модулем комплексного сопротив­ления Z:

где: Fm - амплитуда колебаний силы; Vm - амплитуда колебаний ско­рости; R - активное сопротивление; юв - круговая частота вынужден­ных колебаний; m - масса; D - упругость.

При расчете ультразвуковых колебательных систем часто ис­пользуется понятие интенсивности или силы звука (I). Интенсивность (сила) звука - это энергия, проходящая в единицу времени через еди­ничную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны. В плоской волне сила звука (I) равна энергии, заключенной в параллелепипеде, площадь основания которого равна единице, а высота равна скорости звука (с):

I = Ес = 0,5 рю2сА2 == 2n2t2 А2рс.

Величина (рс) - удельное волновое сопротивление упругой сре­ды. Это сопротивление носит активный характер, так как не может за­пасать энергию. Однако она не может преобразовать энергию в тепло­ту подобно элементу трения. Активный характер волнового сопротив­ления проявляется в том, что при перемещении энергии колебаний от источника колебаний в каждом поперечном сечении среда поглощает энергию за счет ее передачи следующему сечению, обладающему тем же сопротивлением.

При распространении волны в вязкоупругой среду (в полимер­ных материалах) интенсивность волны уменьшается: I = I0e-2wc, где: I0 - интенсивность в начальной точке; а - коэффициент затухания. Актив­ная мощность, подводимая к нагрузке (свариваемым заготовкам из полимерных материалов) равна:

P = 2я2/AVаICт,

где: гакт - активная (поглощающая) составляющая нагрузки.

При приложении ультразвуковых колебаний к свариваемым за­готовкам в них возникают касательные напряжения, вызывающие пластическую деформацию материала свариваемых поверхностей. В месте соединения развивается повышенная температура (0,4. 0,6 от температуры плавления металла.), зависящая от свойств свариваемых материалов. Эта температура способствует возникновению пластиче­ского состояния свариваемых материалов и их соединению. В месте сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие проч­ность сварного соединения. Одновременно, под действием ультразву­ка разрушаются оксидные пленки на поверхностях заготовок, что об­легчает получение соединения.

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки со­стоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управле­ния сварочным циклом, механической колебательной системы и при­вода давления.

Механическая колебательная система необходима 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 амплитуды колебаний. Система должна работать с максимальным КПД на резонансной частоте независимо от измене­ния сопротивления нагрузки. Типовая колебательная система (рис.

5.6, а) состоит из электромеханического преобразователя 1, волновода - трансформатора или иначе концентратора колебательной скорости 2, акустической развязки системы от корпуса машины 6, излучателя ультразвука - сварочного наконечника 3 и опоры 4, на которой распо­лагаются свариваемые заготовки 5. Электроакустический преобразо­ватель 1 изготовлен из магнитострикционных или электрострикцион - ных материалов (никель, пермендюр, титанат бария и других). Под воздействием переменного электромагнитного поля в преобразователе возникают механические напряжения, которые вызывают упругие де­формации материала. Таким образом, преобразователь является ис­точником механических колебаний. Амплитуда этих колебаний лежит в пределах 3.5 мкм. Для увеличения амплитуды к преобразователю подсоединено волновое звено 2. Сужение волнового звена позволяет увеличить амплитуду колебаний в 10.20 раз. Рассмотрим колебания ступенчатого стержня - волновода (рис. 5.6, б). этот стержень можно представит в виде двух массовой системы (А-Б), включающей в себя массу тА и жесткость СА верхнего звена и массу тБ и жесткость СБ нижнего звена. В сечении Г-Г располагается единственная плоскость узла колебаний, в которой отсутствуют перемещения. Жесткость и масса верхней ступени больше жесткости и массы нижней ступени. Так как плоскость n-n неподвижна, то усилия в этом сечении взаимно компенсируют друг друга:

d2 X, d2 x„

т. х—= т х-

А d2t Б d21 ’

где: dxA/d2t и dx-E,/d2t - ускорения с которыми перемещаются массы «А» и «Б». Так как тА > тБ, то d2xA/cFt < cFxБ/d2t. Обе части стержня колеблются с одной частотой, поэтому:

7 7 0 0 7 0

d xA/d t = Аа ю sin(®t±^x) < d хБ /dt = АБ ю sin(®t±Ax), где: Аа и Аб - амплитуды колебаний частей стержня. Следовательно:

Аа < АБ.

В практике часто встречаются колебательные системы с исполь­зованием резонирующих стержней 7 (рис. 5.6, в), работающих в ре­жиме изгибных колебаний (рис. 5.6, г).

При вводе механических колебаний в свариваемые металлы за­готовки начинают вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма ко­лебаний определяется геометрическими размерами изделия.

Наиболее часто производят сварку листов прямоугольной фор­мы. В заготовках устанавливается стоячая волна с характерным чере­дованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний. Уровень напряжений возникающих в пучностях, определяется мощ­ностью энергии, вводимой в зону сварки. При этом возникает опас­ность появления микро - и макротрещин в зоне сварки. Образование трещин при достаточном уровне энергии свойственно металлам, об­ладающим малой пластичностью, имеющим местные дефекты, чрез­мерный наклеп и т. п. Для снижения вредного эффекта вибрации сва­риваемого изделия применяют: струбцины с резиновыми прокладка­ми; предварительное снятие заусенцев; округление углов, если это возможно по условиям изготовления детали; предварительный отжиг места соединения и т. п. Наиболее рациональной мерой является сни­жение амплитуды колебаний сварочного наконечника.

При УЗС некоторых металлов наблюдается интенсивное сцеп­ление сварочного наконечника со свариваемым металлом. С техноло­гической точки зрения это совершенно неприемлемо, так как приварка сварочного наконечника к детали исключает нормальную эксплуата­цию сварочной машины. Поэтому для сварочного наконечника нужен материал, который обладал бы максимальной когезией поверхностно­го слоя относительно свариваемого материала (сормайт, сталь ШХ15).

Иногда при УЗС наблюдается самопроизвольное разворачива­ние заготовок друг относительно друга (прокручивание). Прокручива­ние можно объяснить тем, что: единичные узлы схватывания в про­цессе УЗС возникают не одновременной во всей зоне сварки. Ампли­туда колебаний заготовок в узле схватывания существенно меньше амплитуды проскальзывания в тех зонах сварки, где отсутствуют узлы

схватывания. Поэтому, при интенсивном внешнем трении между сва­риваемыми заготовками и небольшими зажимными силами появляю­щаяся пара сил прокручивает одну из заготовок.

Основные технологические достоинства УЗС заключаются: в низкой энергоемкости процесса; возможности питания нескольких сварочных головок от одного генератора; возможности выноса сва­рочных головок на значительное расстояние; в простоте автоматиза­ции процесса работы колебательной системы; в гигиеничности про­цесса.

УЗС позволяет:

■ Соединять металлы без снятия поверхностных пленок и рас­плавления. Микросмешения заготовок относительно друг друга вызывают дробление твердых окислов и выгорание жировых пленок, что приводит к самопроизвольной очистке поверхно­стей свариваемых металлов и к последующей их сварке. Это по­зволяет наиболее эффективно решать проблему присоединения токоотводов в электро - и радиотехнических устройствах. При этом УЗС обеспечивает переходное сопротивление на уровне сопротивления свариваемых металлов. Низкая температура в зоне соединения обеспечивает минимальное искажение исход­ной структуры, отсутствие выплесков и брызг металла.

■ Сваривать чистый и сверхчистый алюминий, медь, серебро.

■ Сваривать большинство известных термопластичных полиме­ров. Сваривать заготовки с существенным перепадом толщин и свойств свариваемых металлов (металл - стекло; отношение толщин 1/1 000).

■ Соединять тончайшую металлическую фольгу со стеклом и ке­рамикой.

УЗС применяют в приборостроении, радиоэлектронике, авиаци­онной промышленности. Особенно широкое применение УЗС находит при сварке пластмасс.