СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Сущность ультразвуковой сварки

Звук, звуковые волны — это механические колебания упругой среды (твердой, жидкой, газообразной). В зависимости от частоты колебания /звук условно подразделяют:

• на слышимый (/= 16...20ООО Гц) — звук малой интенсивно­сти, способный вызвать звуковые ощущения при воздействии на органы слуха человека;

• инфразвук (f < 16 Гц) — звук, не воспринимаемый челове­ческим ухом;

• ультразвук (f = 20... 1 ООО кГц) — звук большой интенсивно­сти, также не воспринимаемый человеческим ухом, но способ­ный переносить через среду большой импульс энергии;

• гиперзвук (f > 1 ГГц) — звук, сопоставимый с тепловыми колебаниями атомов в твердых телах.

Наибольший интерес среди всего многообразия звуковых волн представляет ультразвук, который относится к ряду высокоинтен­сивных механических колебаний с мощностью 0,5...200 Вт/см2.

Высокая частота и малая длина ультразвуковых волн (0,001... 1 мм) определяют возможность генерации и фокусирования мощ­ных волн, способных переносить значительную энергию на боль­шие расстояния без потерь и способных вызвать ряд эффектов: тер­мических, электрических, физико-химических, кавитационных.

Это обстоятельство позволило использовать ультразвук как мощный инструмент для интенсификации процессов технологи­ческой обработки материалов: очистки деталей, дегазации рас­плавов металла, ускорения массообмена и химических процес­сов, сушки, диспергирования порошков, размерной обработки хрупких материалов, пайки и сварки металлов и пластмасс.

Ультразвуковая сварка (УЗС) — это термомеханический спо­соб сварки давлением, при котором сопрягаемые поверхности свариваемых деталей очищают от пленок загрязнений, оксидов, адсорбированных газов и доводят до сверхпластического состоя­ния. Сварку осуществляют в результате трения и осадки под дей­ствием сдвиговых знакопеременных деформаций при совместном воздействии на детали ультразвуковых механических колебаний и небольших сдавливающих усилий.

Использование ультразвука для сварки было связано с иссле­дованием возможности применения ультразвуковых механичес­
ких колебаний для очистки алюминиевых деталей перед контакт­ной сваркой.

При этом было обнаружено, что ультразвуковое воздействие на зону контакта приводит к сварке деталей без пропускания че­рез них импульсов сварочного тока, как это принято при контакт­ной сварке. С этого момента в МВТУ им. Н. Э. Баумана, ВНИИЭСО и ИМЕТ им. А. А. Байкова начались исследования и разработка оборудования для металлов и неметаллических материалов.

Технологическая сущность УЗС металлов состоит в следующем (рис. 10.1): две детали 6 сжимают между опорой 5 и акустическим наконечником 4. При усилии сжатия деталей до 0,1 предела текуче­сти материала на акустический наконечник подают ультразвук с ча­стотой 20...30 кГц, обеспечивая в течение 0,1... 1 с амплитуду коле­бания наконечника в пределах 5... 50 мкм. При этом на торцах дета­лей возникают силы трения, нагревая торцы до температуры 0,5 Т^.

В результате такого воздействия из стыка деталей выбрасывает­ся в виде аэрозолей часть приконтактного металла вместе с по­верхностными загрязнениями, оксидами, адсорбированными га­зами. В соприкосновение приходят ювенилизированные и активи­рованные поверхности — происходит сварка двух деталей.

к

1 — преобразователь; 2 — акустическая развязка; 3 — концентратор (трансфор­матор амплитуды смещения); 4 — акустический наконечник; 5 — опора; 6 — свариваемые детали; FCB — усилие сжатия электродов

Возможность локального нагрева в очень узкой приконтактной области деталей (JTH « 1) и создание активированного слоя воз­бужденных атомов за очень короткое время сразу обеспечило уль­тразвуковой сварке ряд неоспоримых технико-экономических до­стоинств: прочное соединение без специальной подготовки по­верхностей, простота процесса, легкость автоматизации, возмож­ность сварки металлов с высокой электропроводностью (медь, алюминий); разнородных (сталь — алюминий) и разнотолщин - ных (1:100). Ультразвуковой сваркой хорошо свариваются термо­пластичные полимеры, а также полистирол, лавсан и другие ис­кусственные материалы, которые свариваются только ультразву­ком. Наконец, УЗС отличает дешевизна, высокая производитель­ность и экологичность.

В дальнейшем появились разновидности УЗС. Практическое применение нашла только УЗС металлов, пластмасс и биологи­ческих тканей.