Принцип работы ультразвуковой сварки

Обновлено: 25.04.2024

На момент написания этой статьи пандемия CoVID-19 привела к дефициту защитных масок во всем мире. В рамках борьбы с коронавирусом SARS-CoV-2 некоторые компании меняют привычное производство и начинают изготавливать средства индивидуальной защиты (СИЗ). Так, в марте текущего года в Китае на первом месте по производству защитных масок лидировала компания Foxconn. Так как коронавирус теперь бушует в Европе, России, США и многих других странах мира, крупнейшие мировые компании идут по стопам Foxconn, но далеко не все выдерживают. Так, итальянская фирма Miroglio, специализирующаяся на производстве готовой одежды и тканей, недавно объявила о прекращении производства масок. А вот немецкая компания Weber Ultrasonics, которая занимается разработкой компонентов для ультразвуковой сварки, не производит маски, однако их технология имеет решающее значение для производителей СИЗ по всему миру. Именно по этой причине на технологию ультразвуковой сварки сегодня обращено пристальное внимание. Из этой статьи вы узнаете, что это за технология и как она работает.

Сегодня найти отрасли производства, в которых не применяется ультразвуковая сварка довольно трудно

Что такое ультразвук?

Ультразвук – это звуковые волны, которые перемещаются в пространстве подобно фотонам света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвуку для распространения требуется упругая среда, например газ, жидкость или твердое тело. Примечательно, что человеческое ухо воспринимает ограниченную частоту звуковых волн, а под ультразвуком ученые понимают частоты выше 20 000 герц. Несмотря на то, что о существовании ультразвуковых волн известно с 1883 года, его практическое использование началось не так давно. Так, в 2020 году технологии с использованием ультразвука применяются практически повсеместно. А в дикой природе ультразвуковые волны помогают обнаружить препятствия, ориентироваться в пространстве и общаться дельфинам, летучим мышам, китам, долгопятам и грызунам. Также ультразвуковые волны встречаются в качестве компонентов естественных шумов, например в шуме дождя, ветра, водопада и в звуках, которые сопровождают грозовые разряды и.т.д.

Ультразвуковая сварка – это технология с помощью которой соединяют ткани (без ниток и клея) и многие другие материалы, включая пластик и металл.

Для чего нужна ультразвуковая сварка?

Несмотря на то, что до пандемии коронавируса об этом мало кто задумывался, но технология ультразвуковой сварки довольно давно применяется для изготовления гигиенических и медицинских изделий из полипропилена – материала на основе нетканых материалов. Так, немецкая компания Weber Ultrasonics защитные маски еще не производит, а вот их ультразвуковые сварочные системы имеют решающее значение для производителей масок. Преимущественно, что так было и до вспышки CoVID-19, однако с начала пандемии компания столкнулась с растущим спросом на компоненты для ультразвуковой сварки. Об этом сообщает Кристиан Унсер, главный коммерческий директор компании Weber Ultrasonics:

Во всем мире экономическая ситуация сегодня критическая, но у таких компаний, как наша, дела идут хорошо. Мы уже работаем с производителями масок и многие из них обращаются к нам, чтобы приобрести ультразвуковые компоненты, такие как генераторы, ускорители и преобразователи и др.

Так что же представляет собой этот ультразвуковой процесс? При всей кажущейся сложности, ультразвуковая сварка на самом деле простой процесс. Источником энергии являются ультразвуковые колебания, которые воздействуют на соединяемые детали. В нашем случае ткани – собранные вместе под небольшим давлением. По мимо тканей это могут быть любые другие материалы.

Если не вдаваться в подробности, то через две части материала, которые нужно сварить между собой, пропускается высокочастотные звуковые волны (ультразвук). Они нагревают материал и и за счет своего колебания создают трение между деталями. Таким образом обе части как бы проникают друг в друга и свариваются между собой. А чтобы было еще проще, представьте себе две зефирки, которые вы слегка нагрели на плите и соединили между собой. Тут принцип такой же, только нагревание и трение достигается за счет ультразвуковых волн.

Две детали кладут друг на друга, надавливают и плотно прижимают, затем пропускают через них ультразвук, немного ждут и все готово.

Сварка, ламинирование, резка и тиснение нетканых и рулонных материалов с помощью ультразвука дарит многочисленные преимущества по сравнению с другими способами склейки. Но какие и почему?

Чтобы всегда быть в курсе новостей из мира популярной науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал в Google News

Преимущества ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка возможна в труднодоступных местах, а
отсутствие вредных выделений делает этот процесс безопасным для здоровья

На нашем канале в Яндекс.Дзен можно найти материалы, которые не публикуются на сайте. Подписывайтесь, чтобы не пропустить ничего интересного!

Что такое ультразвуковая сварка

Для соединения тонких деталей удобна и практична ультразвуковая сварка. Этот метод универсален, он подходит для металлов и пластмасс, разнородных материалов. При соединении не возникает внутренних напряжений, легкоплавкие элементы не подвержены термической деформации. Ультразвуковой метод внедряется не только на производстве, все часто используется в быту.

Принцип действия ультразвуковой сварки

До состояния пластичности места стыков доводятся действием механических сил: статической и динамической нагрузкой. Под импульсным воздействием структура металлов и пластиков разрушается с выделением тепловой энергии, она способствует взаимному проникновению молекул в месте диффузии. Ультразвуковой сварочный аппарат преобразует электрические колебания в механические с частотой от 18 до 180 килогерц. Рабочий наконечник продуцирует импульсы, вызывающие:

высокочастотное сухое трение на поверхности (уничтожаются загрязнения, оксидные пленки);
в рабочей зоне повышается температура из-за разрушения структурных решеток в процессе пластической деформации;
детали сжимаются при силовом воздействии импульса, обеспечивая глубокое молекулярное проникновение материалов.

Используя ультразвуковую сварку пластмасс получают едва заметные швы на изделиях, так как не применяются наплавочные материалы или втулки. При ультразвуковой сварке металлов не нужны электроды или сварочная проволока. Для толстостенных деталей для ускорения процесса нужен предварительный разогрев индукционными токами.

Преимущества и недостатки

Плюсы использования ультразвука вместо дуги или газовой горелки:

нет аэрозольных выделений из ванны расплава;
не нужно применять флюсы, создавать защитную атмосферу;
высокая точность и тонкость линии шва;
отсутствие расходных материалов;
не нужно заниматься подготовкой поверхности, ее очисткой;
не возникает внутренних напряжений, термодеформации;
варить можно в любом положении;
позволяет получать разнородные сочинения металлов и неметаллов;
применим для тонких изделий от 3 мкм;
можно получать линейные и точечные соединения встык, внахлест, тавровые.

К минусам относят невозможность соединения толстостенных элементов, сложность оборудования. Для работы на нем нужна практика.

Область применения

В промышленных масштабах метод применяется для производства изделий из полиамида и легкоплавкого пластика:

упаковок;
игрушек;
мелких деталей.

Метод применим для создания полупроводниковых переходов. С помощью ультразвука добиваются прочного соединения разнородных материалов, металлов с различными физическими характеристиками, температурой плавления. Сваркой создают сложные микросхемы в робототехнике, электронике.

Оборудование для сварки

В состав ручного или автоматического ультразвукового сварочного аппарата входят

Генератор, создающий ультразвуковую волну. Он оснащен ручкой регулятора частоты, определяет способ передачи ультразвука.
Преобразователь (магнитострикционный или из пьезокерамики) нужен для двустороннего подвода импульса. Обеспечивает высокую скорость соединения. В комплекте с ним идет охлаждающее оборудование.
Трансформатор волны, регулирует амплитуду колебаний, подаваемых на рабочую головку.
Волновод (прямой, крутящийся или изогнутый). Это рабочий инструмент ультразвуковой установки, передает импульс в рабочую зону.
Опора, при двустороннем виде ультразвуковой сварки служит вторым волноводом. При одностороннем необходима для плотной фиксации соединяемых деталей.
Блок электропитания.

Некоторые модели дополнительно оснащаются:

приводом для создания повышенной статической нагрузки;
кронштейном для закрепления аппарата над рабочей зоной;
блоком управления, позволяющим регулировать режим работы;
подающими роликами, приводящими в движение опору с зафиксированными на ней элементами.

Регулируемые параметры

Применение ультразвуковой сварки для различных материалов возможно при правильной настройке оборудования, регулировании силовой нагрузки. Настройка производится экспериментальным путем. В лабораториях разработаны настроечные таблицы, по ним ориентируются при выборе настроек, определении технологического режима. Основные регулируемые параметры ультразвукового сварочного оборудования:

амплитуда излучения импульсов волноводом (сварочным наконечником), от нее зависит степень взаимодиффузии соединяемых материалов;
продолжительность импульса, влияет на скорость создания швов;
статическая нагрузка, в автоматах регулируется механическое давление пресса, на ручных аппаратах степень нажима определяется опытным путем;
частота электроколебаний, от нее зависит сила давления волновода.

К дополнительным настройкам, влияющим на режим сварки, относятся:

температура дополнительного разогрева деталей (зависит от материала, формы, фактуры);
высота наконечника;
степень зажима соединяемых элементов.

При выборе режима работы сварщики ориентируются на личный опыт. Начинающим придется пройти путь проб и ошибок, прежде чем браться за ответственные соединения, например сборку полипропиленового водовода.

Виды ультразвуковой сварки

Классификация, характеризующая процесс соединения деталей, позволит понять специфику метода.

Движение рабочей головки (степень механизации оборудования):

— ручной инструмент – волновод сварочного пистолета по шву направляет сварщик;

— механическая сварка – автомат самостоятельно регулирует движение по заданным параметрам, обеспечивая точность соединения до микрон.

Работая ручным сварочным аппаратом, можно менять направление шва. Автоматы двигают волновод по прямой, но с большой точностью, фиксированной скоростью.

Характер движения волновода определяет структуру шва:

— непрерывный создается при постоянном движении головки;

— прерывный или прессовый получается путем периодического отрыва инструмента от детали;

— точечный – импульс направляется в одну точку, образуется небольшая диффузионная зона;

— продольный – при работе вручную смещается сварочная головка, когда используется автомат, соединяемые детали перемещают ролики.

В автоматическом режиме работы задаются фиксированные интервалы. Пистолетом ровные «стежки» или ряд точек выполнить сложнее.

Колебания подводятся к соединяемым элементам:

— с одной стороны – односторонний вид сварки, применяется для соединения деталей свыше 2 мм;

— сверху и снизу – двусторонняя, удобна при работе с тонкими элементами.

При подводе импульсов с двух сторон рабочая зона быстро разогревается, поэтому оборудование оснащается системой охлаждения.

По принципу распространения импульсной нагрузки выделяют два вида сварки:

— контактная – тонкие детали толщиной до 2 мм соединяются внахлест;

— передаточная – шов формируется по принципу последовательных точечных соединений, когда ультразвук распространяется во всех направлениях, создавая прочное соединение.

При сварке полистирола, полиамида, поликаорбоната, пластиков с хорошими акустическими характеристиками чаще используют передаточный вид сварки. Мягкие полимеры для упрочнения структуры предварительно промораживают.

Технология ультразвуковой сварки

Принцип молекулярного соединения основан на физических свойствах материалов. Они становятся пластичными под воздействием энергии волны, происходит внутренний разогрев. Ультразвук создает динамическое и статическое давление в зоне шва. Происходит внутренняя и наружная деформация соединяемых материалов с выделением тепла. В отличие от традиционной, сварка ультразвуком не требует дополнительных расходных материалов: присадки – электродов или проволоки; флюсов, предохраняющих детали от перегрева.

Процесс сварки состоит из нескольких этапов:

генератор создает ток определенной частоты;
преобразователь превращает электрическую энергию в механическую;
ультразвук создает статическое и динамическое напряжение;
волновод передает энергию волны в зону сварки (перпендикулярно поверхности);
под воздействием двух сил (внутренних и внешних) материал приобретает пластичность, происходит взаимодиффузия;
выделенная тепловая энергия обеспечивает глубинное проникновение молекул.

Включается аппарат.
На подставке укладываются соединяемые изделия.
При варке металлов для получения прочного соединения зона стыка разогревается индуктором.
Детали фиксируются, чтобы под давлением ультразвука не смещались.
Сварочная головка, излучающая импульс, направляется в область соединения перпендикулярно деталям.
После работы фиксатор ослабляется, проверяется прочность шва.

Ультразвуковая сварка металлов требует дополнительного прогрева элементов, эта операция сокращает время обработки. Естественный разогрев происходит только в процессе пластической деформации, под воздействием динамической силы импульсов.

Заключение

Область использования ультразвуковой сварки обширна. С помощью этого метода удается скреплять металл с пластиком, разнородные полимеры между собой. Хотя для работы с оборудованием нужны определенные навыки, освоить оборудование не сложно. Качество точечных и шовных соединений выше, чем при традиционных технологиях.

Ультразвуковая сварка пластмасс популярна из-за снижения риска прожогов и температурной деформации. Швы от ультразвука отличаются аккуратностью, прочностью, они едва заметны, так как на них нет наплавочного валика. Экономия на электродах, сварочной проволоке, защитных флюсах сокращает сроки окупаемости оборудования. Производители предлагают линейку моделей для ручной и автоматической ультразвуковой сварки. Каждый может выбрать аппарат для работы в зависимости от материала, толщины и размеров соединяемых деталей.

Методика ультразвукового контроля сварных соединений

Метод ультразвуковой дефектоскопии сварных швов применяется с 1930 года. С тех пор разработаны различные способы эхолокации. Они выявляют нарушение целостности диффузного слоя, соответствие наплавки основному металлу по химическому составу, выявляются шлаковые включения, оксидные примеси. Процедура УЗД (ультразвуковой диагностики) по точности результатов сопоставима с рентгеном, радиолокацией. Прибором выявляют самые мелкие дефекты, снижающие прочность соединений.

Среди неразрушающих методов контроля швов ультразвуковой стал самым доступным и эффективным, поставлен на поток. Результаты проверки работы сварщика заносятся в специальный журнал. Область применения ультразвукового контроля сварных соединений ограничена только геометрическими параметрами свариваемых деталей. Диагностируют швы трубопроводов, сосудов высокого давления, металлоконструкций, испытывающих большую нагрузку.

Теория УЗК сварных швов

Физическая основа метода ультразвукового контроля сварных швов основана на способности ультразвука отражаться от границы раздела сред. Ультразвук – упругие механические колебания, получаемые различными методами. Они находятся за пределами слышимости. Вредного воздействия на уши оператора-контролера излучатели не оказывают.

Ультразвуковая диагностика проводится в диапазоне от 20 кГц до 500 МГц. В однородной среде направленные волны распространяются с одинаковой скоростью. На фазовом переходе отражаются или преломляются подобно световому лучу. Скорость продольной волны во всех твердых средах почти в два раза превышает скорость поперечной.

Чувствительность у приборов разная, зависит от конструктивных особенностей. Но по сути волны способны отражаться от дефектов, которые равны длине волны или превосходят ее по размеру. Ультразвуком можно определить мелкие дефекты сварных соединений: несплошности, раковины, включения шлака или нерастворимые соединения, крупные зерна, повышающие хрупкость металла.

Преимущества и недостатки ультразвуковой дефектоскопии

Сначала о достоинствах:

Это неразрушающий контроль, исследуемую часть конструкции не нужно отделять, разрезать, везти в лабораторию.
Ультразвуковыми дефектоскопами для контроля сварных соединений можно пользоваться в лабораторных и полевых условиях.
Методы применяются для однородных и разнородных соединений.
Для исследования шва не требуется много времени, результат получают на месте.
Приборы безопасны для человека, не оказывают вредного воздействия.
Достоверность результатов очень высокая, диагностируются многие виды дефектов.

Недостатки связаны с необходимостью подготовки специалистов, ограничениями. Ультразвук затухает в крупнозернистых металлах. Необходимо использовать преобразователи с определенным радиусом кривизны подошвы.

Виды УЗК сварочных швов

Стыки прозвучивают по различной методике:

прямым лучом;
однократно отраженным;
двукратно отраженным;
многократно отраженным.

Направление луча в ультразвуковом методе контроля сварных соединений подбирают по нормали, на которой дефекты особенно опасны.

Основные способы локации:

Эхо-импульсная УЗД. Прибор настроен на излучение и прием волны. Если аудиволна не зафиксирована датчиком, все в порядке, в шве дефекты не обнаружены. Если зафиксировано отражение, есть раздел сред.
Эхо-зеркальный метод предусматривает применение датчика, генерирующего волну, и улавливающего приемника. Приборы устанавливают под углом к оси шва. Приемник ловит отраженные волны. По результатам диагностируют трещины в сварном соединении.
Теневая диагностика подразумевает прохождение ультраволн по всей площади шва, приемник устанавливается за сварным соединением. Если звук отражается, возвращается к излучателю, приемник фиксирует теневой участок.
Зеркально-теневая дефектоскопия – сочетание зеркального и теневого исследования. Комплект датчиков регистрирует отраженные звуковые колебания. Чистая волна — шов сделан без нарушений. Наличие глухой зоны – признак несплошностей.
Дельта-метод основан на воздействии направленным лучом. Дефекты определяются по отражению ультразвука, изменению траектории. Для точных результатов требуется деликатная настройка диагностического оборудования.

На практике чаще используют первый и третий методы. Неразрушающий контроль с использованием ультразвука выявляет брак, провоцирующий разгерметизацию сварных изделий. Считается эффективным способом профилактики аварийных ситуаций.

Область и возможности применения методики УЗК

Проверка проводится на соединениях цветных металлов, чугуне, углеродистой и легированной стали. С помощью диагностики УЗК сварных швов выявляют:

пористость, связанную с насыщением расплава атмосферными газами;
включения ржавчины; ;
участки с нарушением геометрии детали;
трещины в зоне термовлияния;
несплошности различной природы;
инородные включения в расплаве;
структурные расслоения;
неоднородность наплавленного слоя;
складки наплавочного материала;
свищи (сквозные дефекты);
провисание диффузионного слоя за пределами стыка.

УЗК-контролю сварных соединений подвергают различные конструкционные элементы:

тавровые швы;
трубные и фланцевые кольцевые соединения;
стыки любой конфигурации, включая сложные формы;
продольные и поперечные швы, подвергающиеся разнонаправленным нагрузкам или испытывающим высокое давление.

В инструкциях по ультразвуковому контролю сварных соединений указаны ограничения диагностики, связанные со способностью ультразвука рассеиваться при прохождении через металлическую решетку.

Геометрический диапазон контроля:

толщина проверяемых заготовок: mах 0,5–0,8 м, min 8–10 мм;
расстояние до контролируемого шва или углубление: mах 10 м; min 3 мм.

Методика применяется в строительной отрасли, автомобильной промышленности, на предприятиях, где есть сосуды высокого давления, котлы, технологические трубопроводы.

Устройство и принцип работы ультразвукового дефектоскопа

У всех приборов есть генератор, излучатель и приемник ультразвука, усилитель сигнала. Устройства различаются по типу генераторов. Чаще используются пьезоэлементы. Ультразвуковой датчик посылает сигналы импульсно, с паузами до пяти микросекунд. Длительность настраивают в зависимости от плотности металла, структурных особенностей изыскиваемых дефектов. По отражению делается качественная и количественная оценка: выявляется дефект, глубина его образования, размеры.

Излучатель находится в подвижном щупе, он двигается вдоль и поперек исследуемых швов.

Точность диагностики зависит от чувствительности приемника, улавливающего прошедшую или отраженную волну. На границе сред волна меняет направление, оператор должен это учитывать. Проще определяются теневые участки – места, где волна отражается. Звуковой сигнал преобразуется в электрический, картинка выводится на осциллограф. Отраженная волна показывает пик, постоянная – прямую линию.

Проверка сварных швов ультразвуком

Технология проверки регламентирована ГОСТ Р 55724-2013. Операторам-контролерам выдают удостоверения. Перед проверкой им проводят инструктаж по ТБ. Проверять приходится соединения, расположенные в труднодоступных местах. Прибор обязательно заземляется. Оценка результатов проводится по нескольким критериям. В журнал ультразвукового контроля качества заносятся следующие данные:

протяженность контролируемого сварного шва;
описание дефекта (ширина, высота, форма);
диапазон пропускаемой волны.

Для диагностики проводится зачистка исследуемой области (валик плюс область термовлияния). Для лучшей проходимости ультразвука на поверхности создают маслянистую пленку. Прибор настраивают по стандарту. Поиск отраженного или пропускаемого сигнала проходит на максимальной амплитуде. В зависимости от важности соединения контроль проводится за один или два прохода.

Ультразвуковая сварка

Метод ультразвуковой сварки был разработан в XX веке. Он предназначен для создания неразъемных соединений различных материалов. Для сваривания детали сдавливают друг с другом и подвергают воздействию интенсивных ультразвуковых колебаний.

Таким способом можно сваривать термопластик и большинство металлов. По сравнению с другими способами сварки, ультразвуковые установки отличаются простотой конструкции, а сам процесс — низкой себестоимостью и трудоемкостью.

Принцип действия ультразвуковой сварки и классификация

С физической точки зрения, ультразвуковая сварка проходит в три стадии:

нагрев изделий, активизация диффузии в зоне соприкосновения;
образование молекулярных связей между вязкотекучими поверхностными слоями
затвердевание (кристаллизация) и образование прочного шва.

Существует несколько классификаций ультразвуковой сварки ультразвуковой сварки.

По степени автоматизации различают:

Ручная. Оператор контролирует параметры установки и ведет сварочный пистолет по линии шва.
Механизированная. Параметры задаются оператором и поддерживаются установкой, детали подаются под излучатель.
Автоматизированная. Применяется на массовом производстве. Участие человека исключается.

Схемы колебательных систем для сварки ультразвуком

По методу подведения энергии к рабочей зоне выделяют:

По методу движения волновода классифицируют:

Импульсная. Работа короткими импульсами за одно перемещение волновода.
Непрерывная. Постоянное воздействие излучателя, волновод двигается с постоянной скоростью относительно материала.

По споосбу определения количества энергии, затрачиваемой на соединение, существуют:

по времени воздействия;
по величине осадки;
по величине зазора;
по кинетической сотавляющей.

В последнем случае количество энергии определяется предельной амплитудой смещания опоры.

По способу подачи энергии в рабочую зону различают следующие режимы ультразвуковой сварки:

Контактная. Энергия распределяется равномерно по всему сечению детали. Позволяет сваривать детали до 1,5 толщиной. Применяется для сваривания внахлест мягких пластиков и пленок.
Передаточная. В случае высоких значений модуля упругости колебания возбуждаются в нескольких точках. Волна распространяется внутри изделия и высвобождает свою энергию в зоне соединения. Используется для тавровых швов и соединений встык жестких пластиков.

Схема точечной ультразвуковой сварки Схема установки для роликовой сварки ультразвуком

Способ подачи энергии колебаний в зону контакта заготовок определяется модулем упругости материала и коэффициентом затухания механических колебаний на ультразвуковых частотах.

Суть получения швов ультразвуком

Процесс сварки ультразвуком для пластиков и металлов имеет общие физические основы, но существенно различается по параметрам.

Для ультразвуковой сварки металлов требуется нагрев до высоких температур и приложение больших усилий сжатия. Для пластиков можно обойтись намного меньшими значениями этих параметров. Схема установки ультразвуковой сварки пластика также существенно проще.

Последовательность действий следующая

Подключают генератор ультразвука.
Ультразвук, проходя через конвертер, преобразуется в продольные механические колебания волновода.
Волновод подсоединяется перпендикулярно плоскости шва и передает заготовкам колебательную энергию.
Механическая энергия преобразуется в волновую, что обуславливает интенсивный нагрев области соприкосновения волновода и заготовки.
В нагретом поверхностном слое возрастает текучесть.
Динамическое усилие, прикладываемое со стороны излучателя, способствует нагреву зоны крнтакта.
Статическое усилие, приложенное в том же направлении — перпендикулярно поверхности контакта, понуждает к образованию прочные связи.

Сварной шов после ультразвуковой сварки

Таким методом удается соединять ультразвуком даже разные по своему строению материалы, такие как металлические сплавы и пластики.

При этом разница в температурах плавления может быть многократной.

Преимущества

Анализируя особенности ультразвукового сварочного производства, нельзя не отметить следующие его достоинства:

не требуется защитная газовая среда;
нет нужды в тщательной механической зачистке зоны сварки;
нет ограничений по форме деталей;
экологичность и ничтожный объем выделяющихся вредных веществ;
небольшие температуры нагрева по сравнению с другими способами;
не требуются сварочные материалы;
высокая производительность, сравнимая только с контактной сваркой — доли секунды.
низкие затраты энергии.

Полученный шов имеет эстетичный внешний вид и редко нуждается в дополнительной обработке.

Недостатки

Существуют у способа и минусы:

Размер заготовки ограничен 25-30 см. На больших расстояниях волны рассеиваются и поглощаются материалом.
Невозможность сварки деталей большой толщины.
Чувствительность к влажности.

Сочетание достоинств и недостатков метода позволяет применять его в самых различных производствах.

Воздействие ультразвука на материал деталей

Атомы твердых тел, как кристаллических, так и аморфных, расположены в определенном порядке, между ними установлены более или менее прочные связи, позволяющие телам сохранять свою форму. Атомы и молекулы способны колебаться относительно своего начального положения. Чем выше амплитуда этих колебаний, тем выше внутренняя энергия тела. Если амплитуда превышает определенный предел, установившиеся связи могут разорваться. Если к телу приложено усилие, не дающее ему потерять целостность, вместо разорванных связей возникают новые, этот процесс называют рекомбинацией.

Ультразвуковые волны высокой интенсивности, сообщая атомам тела большое количество энергии за короткое время, увеличивают амплитуду колебаний атомов и молекул в зоне воздействия. Связи между ними рвутся, и под приложенным давлением возникают новые, с частицами из поверхностных слоев второй заготовки. Так возникает чрезвычайно прочное соединение, превращающее детали в единое целое.

Работа с металлическими деталями

Высокой эффективностью отличается применение ультразвуковой сварки к деталям небольших размеров. Особенно удачно применяют метод в микроэлектронике и приборостроении.

Соединение металлов проходит при существенно более низких температурах, чем при использовании «горячих» сварочных технологий, таких, так электродуговая или газовая сварка. Это открывает широкие возможности для быстрого и надежного соединения компонентов, чувствительных к перегреву.

Кроме того, метод способен сварить пары металлов, с трудом соединяемые другими способами: Cu+Al, Al+ Ni и т.д.

Прочностные характеристики шва достигают 70% от значений для исходного сплава.

Метод также позволяет сваривать металл, пластик, керамику, композиты, стекло в любых комбинациях. Применим он и к тугоплавким сплавам.

Преимущества и недостатки при работе с пластиками

При работе с пластмассами существуют следующие достоинства метода:

высокая производительность;
низкая себестоимость операции;
герметичность швов на толстостенных заготовках;
отсутствие необходимости в подготовке поверхности;
отсутствие перегрева;
отсутствие электрических наводок и электромагнитного излучения;
совместимость операции с другими операциями технологического процесса, напыления, разреза в других плоскостях и т.п.;
универсальность по типам пластиков;
отсутствие расходных материалов и химикатов.
эстетичность и малозаметность шва.

Ультразвуковая сварка пластмасс

Выделяют и недостатки:

Малая мощность излучателя заставляет подводить энергию с двух сторон.
Сложность контроля качества шва.

Качество соединения стильно зависит от точности подбора и стабильности параметров установки во время работы.

Особенности сваривания полимеров с использованием ультразвука

Для соединения пластмасс ультразвуком используется специализированное оборудование. Его основные компоненты следующие:

Рама, на которой закреплены все основные узлы и детали.
Блок питания.
Система управления.
Генератор ультразвука
Привод давления.
Преобразователь колебаний.
Сварочная головка.

В промышленных моделях существует также рабочий стол с механизмом подачи деталей.

Используемое оборудование

Учитывая высокую стоимость аппарата УЗ-сварки, многие домашние мастера подумывают о самостоятельном изготовлении установки. К сожалению, это не сварочный трансформатор и даже не выпрямитель, и для проектирования и создания аппарата потребуются серьезные знания и навыки в области акустики и электроники. Кроме того, для изготовления деталей излучателя и волновода нужны станки высокого класса точности, недоступные в домашних условиях.

Пресс для ультразвуковой сварки

Оборудование для ультразвуковой сварки разделяют на три категории:

точеное;
шовное;
шовно–шаговое.

Диапазон мощности — 50 ватт до 2 киловатт, рабочая частота в районе 20-22 килогерц

Основной узел установки ультразвуковой сварки — генератор колебаний и преобразователь электрических колебаний в механические той же частоты.

Механические колебания ультразвукового генератора преобразуются магнитострикционным преобразователем. Для отведения излишнего тепла используется водяная система охлаждения

Волновой трансформатор согласует параметры взаимодействия преобразователя и волновода. Он повышает частоту колебаний на выходе волновода.

Волновод транспортирует энергетический поток к месту сваривания. На его рабочем окончании смонтирована сменная сварочная головка. Ее геометрические параметры выбирают, исходя из материала заготовки, его толщины и вида шва. Так, для приваривания выводов микросхем берут головку, заканчивающуюся тонким жалом.

Опорная рама служит для размещения всех узлов и деталей. На ней также монтируется механизм перемещения заготовки или головки волновода.

Параметры сварочного оборудования

Чтобы получить прочный и долговечный шов, необходимо точно рассчитать и тщательно соблюдать параметры работы аппарата. Они зависят от типа материала заготовок, его толщины, требований к прочности шва. Точная настройка параметров для каждого нового изделия проводится в лабораторных условиях, с многократными испытаниями на разрушение соединения. Наилучшее сочетание параметров фиксируется и используется в производственном процессе.

К основным параметрам относят:

Амплитуда колебаний. Определяет поток энергии и время операции.
Усилие прижима. От него зависит прочность шва.
Частота работы генератора.
Статическое давление. Определяется амплитудой механических колебаний.
Продолжительность и скважность импульсов. Также определяет продолжительность операции.

К вспомогательным параметрам относят температуру начального прогрева для заготовок большой толщины, возвышение сварной головки над заготовкой и некоторые другие.

Установка для точечной сварки ультразвуком

Выделение тепла при сварке ультразвуком

Тепло, выделяющееся при проведении сварочных работ, образуется вследствие пластических деформаций, а также механического трения свариваемых поверхностей. Температура нагрева не является неизменной, она определяется физико-механическими характеристиками: твердостью, теплоемкостью и теплопроводностью. Влияет также и пространственная конфигурация заготовок. Влияние этого тепла на протекание технологического процесса незначительно.

Возможности ультразвука

Использование ультразвука дает возможность прочно и долговечно соединять различные, даже сильно отличающиеся друг от друга материалы толщиной от нескольких микрон до нескольких миллиметров. При использовании ультразвука к минимуму сводятся искажения формы свариваемых заготовок.

Использование точечных швов дает возможность с высокой скоростью выполнить соединение на больших площадях. Шаг точек подбирается исходя из толщины заготовок и требований к прочности шва. В областях изделия, подвергающихся высоким напряжениям, шаг уменьшают. Применение роликовых насадок на излучатель позволяет выполнять сплошные герметичные швы любой конфигурации. Такие соединения применяются в упаковочных изделиях и надувных конструкциях.

Листовые и пленочные заготовки соединяют внахлест. Для заготовок в форме стрежней применяют тавровые швы.

Ограничены возможности метода по работе со сверхтонкими материалами. Вследствие высокой скорости работы, экологической безопасности и обеспечения нормальных условий труду персонала, популярность ультразвука продолжает расти.

Сферы использования ультразвуковой сварки

Области применения ультразвука для создания сварных соединений определяются исходя из характерных особенностей технологии:

соединяемые материалы должны быть пластичными;
их размеры ограничены, прежде всего — толщина;
температура нагрева намного ниже, чем при использовании «горячих» сварочных технологий.

Применение ультразвуковой сварки в производстве стройматериалов Использование ультразвуковой швейной машины

Технология проучила широкое распространение в следующих областях:

приборостроение;
электроника;
производство пластиковых оболочек;
выпуск пластмассовых изделий.

Применяется метод и в других отраслях для присоединения малогабаритных деталей к крупным.

Ограничения

Основное ограничение, накладываемое на применимость технологии – это размер свариваемых заготовок. Он ограничен 25-30 см. Это обуславливается малой мощностью генератора и высоким затуханием и рассеянием ультразвуковых колебаний в твердой среде. При прямом увеличении мощности и амплитуды колебаний потребуется непропорциональное увеличение размеров установки и потребляемой мощности. Это сведет на нет все экономические преимущества метода.

Кроме того, материалы, свариваемые ультразвуком, должны иметь минимальную влажность, причем ка на поверхности, таки по всему объему. Если этого невозможно добиться, то следует использовать другие технологии.

Процесс ультразвуковой сварки металла

Использование сваривания ультразвуком не имеет экономического смысла и для толстостенных изделий.

Как использовать ультразвуковую сварку

Виды и способы сварки

Ультразвуковая сварка не предполагает плавления металла. Этим она выгодно отличается от газовой, электродуговой и контактной. Данное преимущество особенно востребовано при производстве мелких изделий, например микросхем.

Кратко об ультразвуке

Механическое воздействие на твердую, жидкую или газообразную среду приводит к возникновению в ней области сжатия, распространяющейся во все стороны за счет упругих сил.

Серия таких волн образует звук. В процессе их распространения частицы среды совершают механические колебания вдоль направления движения импульса.

Данное явление характеризуется 2 физическими величинами:

Количеством волн, проходящих через точку среды за единицу времени (частотой). Эта величина определяет тон звука.
Амплитудой колебаний частиц. Зависит от интенсивности излучения (силы звука).

Приставка «ультра» означает, что частота колебаний превышает порог слышимости человека (18 кГц).

За счет чего происходит сварка

Заготовки сращиваются под влиянием 3 факторов:

Последний применяют только в отношении толстостенных заготовок и материалов с повышенной твердостью.

Принцип действия

Сварка ультразвуком основана на явлении рекомбинации. Оно заключается в разрыве одних жестких связей между атомами и молекулами твердого тела и возникновении других. Интенсивность процесса растет с увеличением амплитуды колебаний частиц. В «горячих» технологиях сваривания им для этого сообщают тепловую энергию, в данном методе – воздействуют звуком.

Слияние материалов происходит в следующем порядке:

Производимые звукогенератором волны «раскачивают» молекулы одной из заготовок.
Жесткие связи между некоторыми из них разрушаются.
Одновременно возникают новые с молекулами второй заготовки. Этому способствует оказываемое на изделие давление.

Выделение тепла во время процесса

В зоне соединения наблюдается нагрев заготовок. Он обусловлен следующими причинами:

Тепло выделяется в количестве несоизмеримо меньшем, чем при газовой или электродуговой сварке. К нему чувствительны только наиболее тонкие заготовки. Для работы с ними сварочный аппарат оснащают системой охлаждения. В большинстве случаев ее приходится применять при 2-сторонней сварке.

Трение соединяемых поверхностей одна о другую приводит к разрушению оксидных и прочих пленок. Эта особенность позволяет исключить из технологического процесса предварительную зачистку заготовок, хотя она все же остается желательной. Образованию поверхностной окисной пленки наиболее подвержен алюминий.

Виды УЗС

Данная методика включает в себя несколько направлений. Они отличаются видом оборудования, способом применения ультразвука и пр.

Прерывная и непрерывная

Непрерывная технология предполагает безостановочное движение рабочего органа вдоль области соединения с неизменной скоростью и постоянным воздействием ультразвука. Образуется сплошной герметичный шов, востребованный, например, при изготовлении надувных изделий или пластиковой упаковки.

В прерывистом методе рабочий орган тоже движется равномерно, но звук излучается короткими импульсами.

Точечная сварка

Выставив излучатель в нужную позицию, производят импульс. Затем смещают рабочий орган на некоторый шаг, прижимают к деталям и снова активируют ультразвуковой генератор.

Точечная сварка позволяет быстро выполнить соединение на большой площади. Расстояние между точками определяется требуемой прочностью шва.

Роликовая сварка

Используется автоматизированное оборудование. Детали перемещаются между роликами, один из которых является излучателем.

Данный способ обеспечивает высокие точность и качество соединения.

Сварка по контуру

Детали соединяют по замкнутой линии любой конфигурации. По способу подачи энергии различают 2 разновидности сварки:

Контактную. Предполагает равномерное распределение импульса по всему поперечному сечению заготовки. Метод используют для соединения внахлест пленок и деталей толщиной до 1,5 мм из мягкой пластмассы.
Передаточную. Применяют для соединения жесткого пластика с высокими модулем упругости и коэффициентом затухания ультразвуковых колебаний. Импульс генерируется в нескольких точках.

Применение сварки ультразвуком

Данный метод создания неразъемных соединений используется при производстве:

Деталей и схем электроники. Формируют полупроводниковые p-n переходы, подсоединяют выводы микросхем и т.д.
Игрушек.
Упаковки.
Товаров широкого потребления с тонкостенными элементами. Например, с помощью УЗС изготавливают оправы очков.
Аккумуляторов, батареек.
Фреонопроводов в холодильных камерах.
Медицинских изделий.
Автомобильных узлов.

Также данный метод применяют для устройства электрических и теплопроводных соединений.

Возможности ультразвуковых волн

Метод позволяет соединять заготовки из следующих материалов:

Минимальная толщина изделия составляет 1 мкм. Например, в микроэлектронике методами УЗС к проволоке приваривают фольгу.

Ультразвук позволяет соединять разнородные материалы, например металл и стекло. Распространяясь по изделию, волны проникают в любые места, в т.ч. наиболее труднодоступные.

Установленные ограничения

Соединяют заготовки со следующими параметрами:

Толщиной до 1,5-2 мм.
Размерами не более 25-30 см.

Ограничения обусловлены затуханием звуковых колебаний в материале. Применение метода для соединения крупногабаритных заготовок является экономически нецелесообразным из-за непропорционального увеличения мощности оборудования.

Прочность получаемых швов

Сопротивление разрыву в зоне соединения достигает 70% величины, свойственной основному материалу. Для этого следует подобрать оптимальные параметры процесса.

Используемое в работе оборудование

Машина для УЗС состоит из следующих компонентов:

Генератора ультразвука.
Трансформатора упругих колебаний (бустера).
Волновода (сонотрода). Может снабжаться наконечником.
Опоры (наковальни).
Охлаждающей установки.
Блока питания.

Дополнительные узлы (присутствуют на некоторых моделях):

Оборудование делится на:

Механизированное. Машина поддерживает параметры на заданном пользователем уровне, специальное устройство подает деталь под наконечник.
Автоматизированное. Применяется на крупносерийном производстве. Участие оператора не требуется, все операции, в т.ч. выбор и ввод параметров, машина выполняет самостоятельно.
Ручное. Исполнитель сам контролирует параметры процесса и ведет наконечник волновода вдоль шва. Выпускаются переносные модели.

Мощность аппаратов для УЗС составляет 100-1500 Вт.

Изменяемые параметры

Перед началом работы в настройках задают следующие величины:

В некоторых случаях дополнительно вводят:

Температуру предварительного нагрева заготовок.
Высоту установки наконечника.

Оптимальное значение каждого параметра устанавливают в лаборатории опытным путем. Варят пробные образцы на разных настройках, затем подвергают их испытаниям на прочность. Комбинацию, давшую наиболее стойкое соединение, переносят на производство.

Как работают сварочные машины

Принцип действия оборудования выглядит так:

Блок питания преобразует сетевой ток в высокочастотный. Обработка осуществляется в 2 этапа. Сначала выпрямитель превращает сигнал в постоянный, затем инвертор (электронный узел под управлением микросхемы) – в переменный с заданной частотой. Показатель в десятки кГц обеспечивают быстропереключающиеся транзисторы.
В генераторе ультразвука пьезоэлектрический преобразователь превращает ток в механические колебания той же частоты. Стандартом являются 20 или 40 кГц, реже используют 60. В исследовательской практике частоту повышают до 180 (кГц).
Трансформатор упругих волн увеличивает амплитуду колебаний в 5 раз. Для сваривания материалов она должна достигать 10-15 мкм. Трансформатор может дополняться концентратором.
Импульс передается по волноводу к заготовке.

При 2-сторонней сварке опора, на которой лежат детали, выступает в роли второго волновода.

Инструкция: как вести процесс ультразвуковой сварки

Оператор действует в следующем порядке:

Включает машину.
Фиксирует одну из заготовок на опоре.
Устанавливает в проектное положение привариваемую деталь. Их может быть несколько.
Опускает на заготовки пресс со сварочным наконечником.
Подает команду на генерацию импульса.
Поднимает пресс.
Визуально оценивает качество шва.

Непрерывная сварка производится в том же порядке, только после опускания пресса оператор активирует роликовый механизм для перемещения деталей под наконечником.

Волновод ручного аппарата снабжен пистолетом. Оператор прижимает его к заготовке и нажатием курка активирует генератор. Оптимальное усилие подбирают опытным путем.

Особенности работы с металлами

Соединение металлических заготовок должно совершаться при повышенных температуре и давлении. Поэтому перед сваркой их подвергают индукционному нагреву, а на прессе устанавливают следующее прижимное усилие (кгс):

для алюминиевых деталей толщиной 0,1 мм – 7-15;
для титановых размером 0,2 мм – 40.

Метод позволяет соединять тугоплавкие сплавы, а также пары металлов, плохо совместимые при других способах сваривания. Например, алюминий с медью или никелем.

Полимеры и иные материалы

Соединение пластмасс и композитов производят без предварительного нагрева. На прессе устанавливается относительно небольшое прижимное усилие. Например, для сварки полиэтиленовой пленки толщиной 0,02 мм оно составляет 1,5 кгс.

Если используется металлизированная версия материала, усилие повышают до 15 (кгс).

Плюсы ультразвуковой сварки

К достоинствам метода относят:

Высокую скорость. Операция длится менее 3 секунд, что сравнимо только с контактной сваркой.
Низкие энергозатраты.
Отсутствие потребности в расходных материалах. Не нужны присадочный материал, флюс или защитный газ, как в электродуговой технологии.
Отсутствие деформаций. Обусловлено низкой температурой нагрева.
Высокое качество шва. Прочность сочетается с аккуратным внешним видом – отсутствуют валик и окалина. В зоне соединения образуются зерна небольшого размера, что придает стыку пластичность.
Возможность соединять детали любой конфигурации.
Отсутствие вредных для здоровья испарений.
Низкие требования к квалификации сварщика.
Возможность соединять заготовки без зачистки поверхности. Требуется только обезжиривание.
Малую допустимую толщину детали – до 1 мкм.
Широкий перечень соединяемых материалов.
Возможность сваривать разнородные вещества.
Отсутствие электромагнитного излучения и наводок, вызванных протеканием тока в детали.

Недостатки УЗС

К недостаткам технологии относят:

Ограничения по размеру заготовок.
Высокую стоимость оборудования.
Чувствительность к влажности.
Следы от прижатого с большим усилием инструмента. Остаются на пластике и других мягких материалах.

С развитием технологий стоимость оборудования снижается.

Ограничения по толщине в некоторых случаях удается преодолеть за счет придания заготовке особой формы. В результате возникает эффект акустической линзы: волны не рассеиваются, а фокусируются в нужной точке.

Частые дефекты

В большинстве случаев приходится сталкиваться со следующими нарушениями:

Подрезами. Представляют собой канавки вдоль шва.
Непроваром.
Свищами. Представляют собой трубчатые полости в материале, образованные выходящим газом.
Прожогами.

Подрезы образуются в мягких материалах из-за сильного давления наконечника. Сечение детали в этом месте уменьшается, а с ним и прочность. Кроме того, канавка служит концентратором напряжения, что повышает вероятность разрушения. Для предотвращения появления подрезов требуется качественно заточить рабочий торец волновода или наконечника.

Свищи появляются при заваривании банок с жидким продуктом. Об их наличии свидетельствует туман, окружающий стык в процессе обработки. Причиной является «ультразвуковой ветер» – движение воздуха от излучателя, вытесняющее жидкость из емкости. Необходимо подобрать оптимальную комбинацию параметров в соответствии с вязкостью продукта.

Непроваренные участки появляются при заниженной интенсивности излучения, не соответствующей размерам заготовок. В большинстве случаев подобные дефекты возникают при сваривании деталей с разной толщиной стенки. Интенсивность излучения настраивают на минимальный размер. Когда волновод подходит к более толстому участку, ее оказывается недостаточно. Требуется изменить конструкцию изделия либо применить программируемую машину с возможностью регулировки параметров в процессе выполнения шва.

Прожоги возникают по следующим причинам:

неправильная настройка системы охлаждения;
прилипание размягченного полимера к волноводу.

Опытным путем было установлено, что наиболее качественные швы получаются при наличии насечек или накатки на торце наконечника. Выступы необходимо скруглить, чтобы избежать внедрения инструмента в материал.

Полезная литература

Для освоения УЗС рекомендуется ознакомиться со следующими источниками:

В. Ю. Вероман, А. Б. Аренков: «Ультразвуковая обработка материалов».
И. Г. Хорбенко: «Ультразвук в машиностроении».
И. Д. Клеткин, В. П. Полухин и др.: «Ультразвуковая сварка при изготовлении одежды».

Полезно иметь справочники с указанием оптимальных параметров для разных условий сварки.

Читайте также: