Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Ультразвуковая сварка

Волны, распространяющиеся в упругих средах (газах, жид­костях, твердых телах), называются в физике волнами малой ин­тенсивности, Эти волны вызывают слабые механические возму­щения. Звуковые волны, воздействуя на органы слуха, способны вызывать звуковые ощущения, если частоты звуковых колебаний лежат в пределах 16-20 ООО Гц. Эта область называется областью слышимых звуков. Упругие волны с частотами 20-100 кГц назы­ваются ультразвуковыми.

Ультразвук (*ультра» означает «сверх») — волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц твердых тел, жидкостей и газов, происходящее с частотами более 16 ООО колебаний в секунду. В физике принято измерять частоты коле­баний в герцах (1 Гц = 1 колебанию в 1 секунду). Ультразвук на­зван так потому, что основная часть людей не слышит колебания свыше 16 кГц.

Сущность процесса ультразвуковой сварки состоит в том, что при приложении колебаний высокой (ультразвуковой) частоты к свариваемым деталям в них возникают касательные напряжения, вызывающие пластические деформации материала свариваемых поверхностей. В результате механических колебаний в месте со­единения металлов развивается повышенная температура, зави­сящая от свойств материала. Эта температура способствует возник­новению пластического состояния материалов и их соединению. В местах сварки образуются совместные кристаллы, обеспечиваю­щие прочность сварного соединения. Таким образом, сварка с при­менением ультразвука относится к процессам, в которых использу­ют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. В этом способе сварки тепловая энергия не подводится извне, а образуется в результате действия сил трения, поэтому ультразву­ковая сварка относится к механическому классу. Силы трения возникают в результате действия механических колебаний с ульт­развуковой частотой на заготовки, сжатые осевой силой Р.

Механические колебания создаются в специальных преобра­зователях, которые преобразуют высокочастотные колебания электрического тока в механические колебания рабочего инстру­мента.

Для этих целей используют магнитострикционный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов при воздействии на них переменного магнитного поля. Магнитострик - ция как физический эффект была открыта в 1842 г. Дж. П. Джо­улем. Название было дано от латинского слов strictio, что означа­ет сжатие, натягивание. В настоящее время для магнитострик - ционных преобразователей используют материалы на основе фер­ромагнитных сплавов.

Переменный электрический ток создает в магнитострикци - онвом материале преобразователя переменное магнитное поле. Изменения размеров магнитострикционного материала происхо­дят при каждом полупериоде тока, т. е. упругие колебания гене­рируются с двойной частотой относительно частоты переменного тока. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, Поэтому для передачи к месту сварки ме­ханических колебаний, увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний используют волноводы. В большинстве слу­чаев они имеют сужающуюся форму.

В зависимости от конструкции волновода и крепления инструмента в зоне сварки Можно получить продольные, попереч­ные и крутильные колебания инструмента. Их амплитуда обыч­но бывает в пределах 10-30 мкм.

Мощность генераторов для сварки ультразвуком при рабо­чей частоте 18-25 кГц составляет от 0,4 кВт и до 5 кВт. Применя­ются также генераторы с частотами: 44, 66, 88 кГц.

На рисунке 25 показаны различные виды волноводов (кон­центраторов) для увеличения амплитуды колебаний и передачи их в зону сварки.

Стержневой магнитострикционный преобразователь показан на рисунке 26а, он состоит из сердечника 1 и катушки 2. Пере­менный ток возбуждает в катушке переменное магнитное поле, которое за счет магнитострикционного эффекта в направлении оси сердечника создает упругие напряжения и деформации, т. е. сер­дечник совершает продольные механические колебания.

Продольные механические колебания, возбуждаемые в преобразователе, подаются на инструмент или преобразуются в другие типы колебаний, обусловленные технологией. Это реали­зуется изменением конструкции волновода и инструмента.

Рис. 25. Виды волноводов (концентраторов):

1 - ступенчатый; 2 - конический; 3 - сложной геометрической формы

Рис. 26. Устройства для преобразования колебаний: а - с помощью волновода продольных колебаний; 6-е помощью волновода крутильных колебаний

Устройства для преобразований колебаний показаны на ри­сунке 266.

Изгибные колебания подучают при помощи волновода продольных колебаний, если к нему присоединить стержень 3, имеющий резонансные размеры по отношению к изгибным коле­баниям заданной частоты. Крутильные колебания передаются в зону сварки, например способом, показанным на рисунке 266.

На рисунке 27 показана принципиальная схема ультразву­ковой сварки. При сварке ультразвуком свариваемые заготовки размещают на опоре в. Наконечник рабочего инструмента 2 со­единен с магвитострикционным преобразователем 4 через транс­форматор продольных колебаний, представляющий собой вмес­те с рабочим инструментом 2 волноотвод 3. Нормальная сжи­мающая сила Р создается моментом М в узле колебаний.

В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформа­ции, разрушающие поверхностные пленки. При этом тонкие по­верхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях не­много размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на

расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь.

Экспериментально установлено, что прочность соединений, выполненных сваркой ультразвуком, во многих елучаях превос­ходит прочность соединения, полученного контактной сваркой.

Сравнительно небольшое тепловое воздействие на соединяе­мые материалы обеспечивает минимальное изменение их струк­туры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600°С. При сварке алю­миния и его сплавов температура Составляет 2ОО-30О°С. Это осо­бенно важно при сварке химически активных металлов.

Этим видом сварки соединяют металлы, сплавы металлов и различные материалы в различных сочетаниях толщиной от 0,001 мм идо нескольких миллиметров. При сварке пласт­масс к заготовкам подводятся поперечные ультразвуковые ко­лебания.

В настоящее время ультразвуковая сварка находит широкое применение в радиоэлектронной промышленности, приборостро­ении, авиационной, космической и многих других областях.

Сварка ультразвуком применяется для точечных и шовных соединений внахлестку и по замкнутому контуру.

Достоинства сварки ультразвуком:

- незначительный нагрев деталей (в пределах пластической деформации);

- для получения сварного соединения требуется незначитель­ная электрическая мощность;

- подготовка деталей ограничивается практически их обез­жириванием;

- возможность производить сварку деталей с оксидирован­ными и плакированными поверхностями, а также с покры­тиями в виде изоляционных пленок;

- возможность сварки разнородных металлов и материалов, в т. ч. и пластмасс;

- возможность сварки ультратонких листов до 0,001мм;

- сваркой ультразвуком можно соединять разнородные материалы в пакет;

- ультразвуковая сварка применима для соединения труд - носвариваемых металлов, например молибдена, вольфра­ма, тантала, циркония;

- сварка происходит практически мгновенно, в момент вклю­чения УЗ-генератора;

- отсутствие вредных выделений при сварке;

- высокая степень автоматизации процесса сварки; - высокая скорость сварки (до 150 м/час) и прочность

соединения.

Недостатки сварки ультразвуком;

-применение специальных генераторов ультразвука;

- относительно небольшой диапазон толщин свариваемых материалов;

- вредное воздействие ультразвука на организм человека;

- необходимость применения устройств для предваритель­ного сжатия деталей.