Ультразвуковая пайка и сварка

Обновлено: 04.05.2024

Даже начинающим домашним мастерам очень важно знать, что такое ультразвуковая сварка и где она используется. Эта технология уместна для работы с проводами и пластмассами, с цветными металлами и другими материалами. Критически важен выбор сварочной машины, контроль швов и другие тонкости, о которых и поговорим.

Особенности

Ультразвуковая сварка не является универсальной, однако, может применяться на особо сложных объектах или в личном хозяйстве. Между тем, ей уделяется мало внимания. Главным источником энергии при такой работе выступают высокочастотные звуковые колебания. С их помощью можно сваривать довольно разные материалы. Именно благодаря внедрению сварки ультразвуком еще в далекие 1960-е годы удалось начать выпуск автомашины, полностью сделанной из пластмассы.

Приготовить материал к соединению оказывается достаточно просто. Потребуется лишь обезжиривание поверхностей. Они могут быть довольно грязными и ржавыми, но на результат это не повлияет. Потому существенно понижается общая трудоемкость работы. Немаловажно и то, что разогрев затрагивает лишь локальный участок, и другие части поверхности изделия не будут деформированы.

Ультразвуковая обработка отлично подходит даже для весьма трудных работ, в том числе при манипуляциях в труднодоступных зонах. Сам процесс не занимает существенного времени — прогрев материала происходит примерно за 1 секунду. Еще ультразвук способен сварить детали толщиной порядка тысячных долей миллиметра, что принципиально невозможно при электродуговой, газовой методике или применении холодной сварки. И все же есть обстоятельства, которые не позволяют использовать ультразвуковую сварку повсеместно. Так, для этой работы оптимально подходят только дорогостоящие устройства — генераторы бюджетного класса иногда справляются со своей функцией плохо.

Чтобы ультразвуковая сварка давала приличный результат, требуется подвергать детали определенному давлению. При выполнении такой работы существенно уменьшаются затраты расходных материалов. Также стоит отметить:

отсутствие потребности в изолирующей атмосфере;

пригодность для работы с заготовками произвольной формы;

возможность полной автоматизации и интеграции с прочими технологическими процессами;

экологическую чистоту и сравнительную безопасность;

отсутствие особо высоких температур (то есть уменьшение пожарных рисков);

возможность соединять детали не крупнее 25 см;

непригодность для работы с толстостенными материалами;

непригодность для работы с сильно увлажненными материалами.

Сферы использования

Основную роль ультразвуковое сваривание имеет при работе с малогабаритными деталями. Его широко применяют, когда нужно выполнить соединение проводов, прежде всего в радиоэлектронных и приборостроительных производствах. Работа с металлом происходит при заметно более слабом нагреве, чем при использовании классических нагревательных методов. Потому можно не опасаться за сохранность компонентов, восприимчивых к чрезмерной температуре. Кроме того, ультразвук позволит приварить друг к другу изделия из цветных металлов, которые в обычных условиях присоединяются крайне неохотно.

Именно таким путем, к примеру, соединяют изделия из меди и алюминия, алюминий с никелем и другие подобные варианты. Прочность формируемого шва будет примерно 70% от показателей исходного сплава. Ультразвуковая методика подходит еще и для работы с тугоплавкими металлами и сплавами. Немаловажно, что она позволит в произвольных сочетаниях соединять:

При сварке пластмасс ультразвуком можно добиться повышенной производительности и сократить себестоимость работы. Даже на довольно толстых пластмассовых заготовках удается добиться повышенной герметичности швов. Сами швы будут выглядеть лаконично и практически незаметно. Но необходимо понимать, что из-за ограниченной мощности излучателя придется подводить энергию с двух сторон. Проконтролировать качество шва будет весьма сложно.

При ультразвуковой сварке полимеров можно соединять детали, одна из которых практически не ограничена по величине. В зависимости от распределения энергии такая обработка делится на контактный и передаточный типы. Контактная обработка проводится прежде всего для эластичных конструкций сравнительно малой толщины.

Чаще всего соединения формируются методом «нахлеста». Передаточная методика сварки полимерных материалов предпочтительна главным образом для жестких веществ — в том числе и полиметилакрилата; ультразвуковое сваривание полипропилена и полиэтилена тоже вполне возможно.

Необходимое оборудование

Типичная сварочная машина ультразвукового типа включает:

источник высокочастотных колебаний;

специальный акустический узел;

механизм прессового типа;

системы контроля качества.

Стоит учесть, что все аппараты должны быть сделаны на заводе. Кустарно изготовить их нельзя — это потребовало бы слишком сложных математических расчетов и составления продуманных моделей. Достаточно совсем небольшого отклонения, чтобы в контактном месте появился резонанс. Рассчитывать на высокое качество сварных швов в таком случае невозможно. Контактные обрабатывающие системы чаще всего работают с материалами толщиной до 0,5 см. Швейная ультразвуковая машина предназначена для изготовления одноразовых изделий, в том числе и медицинского профиля. Такое оборудование подходит не только для простых полимеров, но и для:

брезентов полимерного состава;

термически скрепленных геотекстилей;

Системы УЗС также различают по методу движения волноводов (в прессовом варианте подразумевается короткое движение элементов, в непрерывном — свариваемый участок подвергается долгому воздействию). По тому, как дозируется прилагаемая механическая энергия, различают:

оборудование с фиксированным временем действия импульсов;

системы с зазором;

системы с осадкой.

Важно: для проверки качества УЗ шва может применяться все тот же высокочастотный излучатель. Но стоит понимать, что в норме само оборудование работает скрупулезно, все рассчитывается до мелочей. Если режим не соблюден, проверять не имеет смысла — качественного стыка все равно не выйдет. Это одинаково верно для:

ручных сваривающих систем.

Хороший станок — к примеру, SportTex EU 1300. Внешне его сложно отличить от простой швейной машинки. Устройство рассчитано на ток с характеристиками 220 В и 50 Гц, потому его можно спокойно применять в любом доме. Общая мощность составляет 1500 Вт, а одновременно обрабатываемая поверхность достигает 5 см. За минуту можно отработать до 10 м шва, при этом создается напор до 7 бар.

Испускаемый ультразвук имеет частоту не более 20 кГц. Линейные параметры устройства — 120х120х55 см. Его масса равна 110 кг. Из-за больших размеров и тяжести агрегат востребован главным образом в промышленных условиях. Платить за EU 1300 придется минимум 200 тысяч рублей.

Более компактны настольные аппараты, которые соединяют тубы для косметики, зубных паст, красок, клеев и так далее. Подобные устройства выполняют работу за 0,3 — 1,5 секунды. Точный показатель определяется шириной шва, которая иногда достигает 7 см. Прочие технические свойства у типичных настольных сварочных машинок:

испускаемые частоты до 35 кГц;

мощность до 1500 Вт;

привод на пневматической тяге;

Наиболее компактные аппараты предназначены для клепки пластмасс и прикрепления элементов к несущим конструкциям. Хорошим образцом таких изделий является Handy Star. По мощности, частотам импульсов и темпу работы это изделие почти не уступает настольным вариантам. Однако в пользу устройства говорят его сравнительно малые габариты (0,72 по сумме трех измерений) и легкость — 4,5 кг. С помощью Handy Star можно починить изделия из брезента, подготовить ленту для конвейерного транспортера; но допускает только соединение сухих деталей длиной максимум 0,25 м.

Стоит учесть, что ультразвуком варят еще и металлы, и для такой работы применяют оборудование с высокой частотой колебаний. Потому рекомендовано использование магнитострикционного эффекта, то есть перемена размеров отдельных веществ при колебаниях в магнитном поле. Преобразователи в современном ультразвуковом оборудовании часто делают из химически чистого никеля либо сплавов железа с кобальтом. Чтобы нарастить амплитуду смещения и концентрировать энергию, волноводы (концентраторы) обычно делают похожими на усеченный конус.

Регулируемые параметры

Мощность, выдаваемая преобразователем, определяется сообразно толщине и характеристикам свариваемых деталей. В типовом режиме она составляет от 4 до 6 кВт. Колебательная амплитуда чаще всего задается на уровне 10 — 20 мкм. От нее зависит характеристика соединения и степень его крепости. Внимание уделяют и сжимающему усилию.

От него зависит, как будет выдержан физический контакт между деталями. В норме такое усилие варьируется от 100 до 2000 кН. Трение при перемещении детали относительно другой поверхности определяется тем же сжимающим усилием. Наконец, нельзя игнорировать и продолжительность ультразвуковой сварки. Если время очень невелико, то прочность соединения окажется невелика, а при очень сильном затягивании процесса детали покрываются глубокими вмятинами, появляются усталостные разрушения.

Сварка ультразвуком неизбежно сопровождается выбросом тепла из-за контактного трения. Наибольший допустимый прогрев составляет 50 — 70% от температуры, при которой материалы плавятся. Иногда детали могут даже специально прогревать. Это позволяет работать быстрее и добиваться повышенной крепости. Но опять же чрезмерный нагрев будет противопоказан.

Технология

Типичный метод ультразвуковой сварки своими руками подразумевает сначала прикладывание статического давления, а затем уже применение ультразвуковых колебаний. Давление, приложенное до начала сеанса, останется неизменным на протяжении всего рабочего цикла. Убирать его надо через некоторое время, когда успеет сформироваться сварной стык. Материал шва охлаждают еще во время, когда он сжат. До окончания ручной операции подача сигналов производится в формате одного импульса, перерывы недопустимы.

Иногда ультразвук включают прежде, чем будет приложено давление. Такая процедура позволяет эффективно справляться с загрязнениями. Чтобы варить жесткие полимеры, после отключения звука наращивают давление на волновод; интервал времени такого воздействия строго ограничен. Критически важен контроль швов. Для этого применяют:

магнитную дефектоскопию (в случае со свариванием металлов).

В следующем видео показана ультразвуковая сварка многослойных изделий.

Ультразвуковая сварка: что это и как работает?

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!

Особенности и применение ультразвуковой пайки

Ультразвуковая пайка представляет собой технологию бесфлюсовой пайки, не требующей каких-либо химических компонентов. В основе взаимодействия лежит энергия ультразвука, она позволяет спаивать такие материалы, как керамика, стекло, металлы и композиционные элементы, с трудом поддающиеся пайке стандартными способами.

Обо всех особенностях этой технологии мы расскажем в нашем обзоре.

Описание

Ультразвуковая пайка относится к категории низкотемпературных воздействий при помощи погружения заготовок в расплавленный до жидкого состояния припой. Для удаления оксидных пленок из соединяемых поверхностей, а также для улучшения их смачивания припоем используют энергию ультразвука. Такая технология стала эффективной альтернативой химической реакции на основе флюса.

Пайка ультразвуком включает в себя два этапа: предварительное ультразвуковое лужение обрабатываемых поверхностей и непосредственно саму пайку.

УЗ-лужение производят при помощи УЗ-паяльников либо выполняют в специализированных ваннах.

В процессе обработки оксидная пленка снимается со всей поверхности изделия так, чтобы обеспечить максимальное примыкание с расплавленным припоем. После лужения поверхность становится блестящей и чуть шероховатой.

Важно. Припаивать детали ультразвуком после подобной процедуры можно не позже, чем через 2 недели после проведения лужения.

УЗ-пайка металлических изделий из титана, хрома или вольфрама проводится после предварительной обработки в растворе этилового спирта, этиленгликоля и солянокислого гидроксиламина. Это обеспечивает исключительное качество паяного соединения при низких параметрах температуры и времени обработки.

После завершения всех предварительных работ производится непосредственно пайка. Эта процедура не предполагает нагрева соединяемых элементов. Принцип действия заключается в использовании вспомогательного устройства, которое облегчает ход пайки, но при этом никак не влияет на температуру паяемого узла. Ультразвук беспрепятственно проходит через жидкий сплав, но при его попадании на границу твердого металла и жидкости образуется кавитация.

Если все работы выполнены правильно, то прочность пайки доходит до 5 кГ / мм2. Это довольно высокий параметр, именно поэтому при тестировании образцов разрыв чаще проходит по материалу, а не в месте пайки.

Преимущества и недостатки

Преимущества подобного способа пайки очевидны.

При точечном подведении ультразвука в расплав энергия УЗ-волн концентрируется в небольшом объеме и тем самым помогает понизить степень окисления припоя в ванной.
Ультразвуковые колебания, направленные относительно соединяемых поверхностей параллельно, существенно повышают долговечность паяных соединений и обеспечивают максимальную стабильность процессов. Использование УЗ-волн уменьшает интенсивность механического воздействия на поверхности элементов.
Процесс пайки ультразвуком легко можно автоматизировать, задавая толщину слоя припоя заранее.
При УЗ-воздействии сводится к минимуму появление сосулек припоя и перемычек, снижается включение фрагментов оксидных пленок и существенно сокращается время работы.

Тем не менее воздействие ультразвука имеет и свои недостатки. Рассмотрим их.

В частности, во время лужения нейтрализация пленки окислов осуществляется неравномерно, поэтому контакт поверхности с расплавленным припоем происходит точечно. Если при этом жидкий припой имеет низкую растворимость, то выраженного отделения и диспергирования оксидов может и не произойти.
Серебро, индий и висмут, которые добавляют в состав сплавов для выполнения УЗ-пайки, являются довольно дорогостоящими материалами. А цинк на воздухе формирует большой объём шлака. Именно поэтому при обработке образуются интерметаллиды, они вызывают снижение предела выносливости материала.
Ультразвуковая активация не может создать защиту обрабатываемой поверхности до начала пайки, а также улучшить характеристики поверхностного натяжения жидкого припоя. Соответственно, УЗ-волны никак не влияют на растекание и последующее капиллярное проникновение припоя.

Используемые аппараты

Для выполнения лужения деталей из алюминия и его сплавов, а также ферритов и керамики легкоплавким припоем без применения флюса используют установку УЗУ-9П. Она состоит из ультразвукового паяльника и генератора. Разрушение оксидной пленки в этом случае происходит непосредственно под слоем расплавленного припоя. В результате металл попросту не успевает соединиться с кислородом из воздуха, и вся поверхность смачивается припоем равномерно. При помощи этой установки можно выполнить лужение выводов резисторов и конденсаторов. Ими сращивают алюминиевые кабели, паяют провода термофар и соединяют выводы корпусов из металлических сплавов.

Аппарат незаменим для фиксации крепежных лепестков и выводов с ферритами, керамикой, стеклом или полупроводниковыми материалами.

Для бесфлюсовой пайки электронных элементов легкоплавким припоем необходимо использовать ультразвуковые ванны. Они бывают двух типов: создающие возбуждение всего количества припоя и локально воздействующие ультразвуком. В первом варианте техника позволяет задействовать большую поверхность элемента, а во втором — сконцентрировать УЗ-энергию точечно, в малом объеме, и тем самым снизить окисление припоя.

Для локального ввода ультразвуковых колебаний в расплав припоя используют поршневые излучатели.

Области применения

Ультразвуковые лампы настольного типа используют для горячего лужения элементов и выводов разного рода электронных компонентов. Ультразвуковые паяльники оптимальны для спаивания деталей. Они незаменимы для металлизации ферритовых и керамических компонентов. Использование современных источников ультразвуковых колебаний делает пайку практичной, надежной и экологически безопасной. Кроме того, техника полностью исключает необходимость применения флюсов.

Бесфлюсовая пайка становится основным условием внутреннего монтажа, а также герметизации электронной аппаратуры. При помощи пайки и ультразвуковой металлизации можно соединить материалы, которые плохо поддаются стандартным способам пайки, — алюминиевые, титановые, магниевые и никелевые сплавы, а также ферриты, стекло, керамику, полиэтилен, пластмассу, мембраны и другие неметаллические материалы.

Об ультразвуковой пайке смотрите в видео ниже.

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.

Суть и особенности ультразвуковой сварки пластмасс

Сваривание пластмасс ультразвуком — это распространенный метод сварки полимеров, например, изделий из полипропилена. Ультразвуковая сварка пластмасс прочно заняла свое положение в промышленности, поскольку позволяет сократить расходы, при этом увеличить эффективность и качество сварочных работ.

В этой статье мы подробно разберем, что такое ультразвуковая сварка, какое оборудование необходимо для сварки пластмасс ультразвуком и какие есть преимущества у этого метода.

Принцип действия ультразвуковой сварки

Итак, что из себя представляет ультразвуковой метод сварки? Говоря простыми словами, ультразвуковое оборудование генерирует механические колебания, которые затем преобразовывает в тепловую энергию, которая как раз и используется для выполнения соединений. Этот процесс также называется «использование энергии преобразования», в нашем случае преобразования механической энергии в тепловую.

Сам процесс условно состоит из двух этапов. На первом этапе тепловая энергия, полученная в результате преобразования механических колебаний, и точечно направленная на место сварки увеличивает диффузию молекул у пластмассовых деталей. После этого границы свариваемых деталей начинают плавиться и скрепляться между собой. На втором этапе границы свариваемых деталей остывают и образуют прочный шов. Это примерное описание принципа действия ультразвуковой сварки. Далее мы более подробно разберем, как получаются такие соединения.

Классическая ультразвуковая сварка существенно отличается от привычной для многих сварки металла. Для сварки металла требуется крайне высокая температура плавления, но в случае с ультразвуком необходима лишь энергия, исходящая от ультразвуковой волны, и одновременное механическое воздействие на предполагаемое место будущего шва. Поэтому нет необходимости использовать дополнительные расходники, вроде электродов или проволоки.

Сварщик подключает к ультразвуковому сварочную оборудованию генератор, благодаря которому образуются ультразвуковые колебания. Эти колебания преобразовываются в механические, происходит это с помощью специального преобразователя. Затем подключается волновод, который колеблется перпендикулярно сварному шву. За счет этого преобразованные колебания напрямую попадают в предполагаемое место будущего сварного соединения, также образуется статическое и динамическое давление. Статическое и динамическое давление направлено перпендикулярно деталям, при этом каждое из типов давлений выполняет свою функцию. Динамическое давление позволяет достичь необходимой температуры плавления для того или иного вида пластмассы, а статическое способствует формированию прочного соединения.

Благодаря всем этим особенностям с помощью ультразвуковой сварки можно соединить даже металл и пластмассу, хотя их температура плавления существенно отличается. Также пластмассу можно соединить с любым другим материалом, способным выдержать ультразвуковую сварку.

Какие есть параметры у ультразвукового сварочного оборудования

Для работы с ультразвуковым оборудованием следует ознакомиться с основными параметрами, которые можно отрегулировать в зависимости от вашей работы. Итак, вы можете регулировать:

Амплитуду колебаний торца волновода (этот параметр позволяет настроить время сварки и прочность готового шва)
Частоту электрических колебаний и силу давления волновода на пластмассу.
Продолжительность импульса (этот параметр регулирует скорость сварки).
Статистическое (сварочное) давление (этот параметр зависит от амплитуды колебаний и влияет на качество готового шва).

Также существуют дополнительные параметры. К примеру: температура предварительного разогрева детали, параметры, учитывающие размер и форму деталей, и многие другие.

Для каждого отдельного типа пластмассы и шва, который необходимо получить, устанавливаются свои индивидуальные параметры. Их совокупность называется режимом сварки. Оптимальный режим сварки для тех или иных деталей в промышленных условиях выбирается только после проведенных исследований. Специалисты в лаборатории выполняют соединения с различными режимами и тестируют швы на герметичность, надежность и прочие качества. Конечно, если вы планируете использовать ультразвуковое сварочное оборудование для личных целей, вы не будете проводить исследования. Но мы рекомендуем все же потренироваться на небольших образцах. Лишь пройдя путь проб и ошибок вы сможете найти оптимальные параметры для каждого типа сварки.

Подробная классификация

Мы классифицировали ультразвуковой метод сварки на несколько категорий, которые в свою очередь имеют свои подвиды. Итак, ультразвуковая сварка пластмасс подразделяется по:

Принципу перемещения вдоль шва. Может быть ручным, когда сварщик сам направляет сварочный инструмент, или механическим, когда сварка происходит с использованием автоматического оборудованию по заранее заданным параметрам. Механический способ точнее, чем ручной, но при этом нет возможности оперативно изменить направление шва, если это необходимо.
Принципу подачи энергии. Может быть двусторонней или односторонней. Односторонняя больше предназначена для сваривания толстых деталей и, а двусторонняя — для тонких. Но для двусторонней необходимо дополнительное охлаждение.
Принципу перемещения волновода. Может быть непрерывным, когда волновод перемещается с постоянной скоростью, а может быть прерывным, совершая одно короткое движение с заданными промежутками.

Более глобально ультразвуковую сварку разделяют на контактную и передаточную. Контактная сварка нужна для соединения тонких пластмассовых деталей (до 2 мм). Для выполнения шва детали укладывают друг на друга с небольшим нахлестом и по уже по нему выполняется шов.

Передаточная сварка используется во всех остальных случаях, а еще в те моменты, когда свариваемые пластмассы обладают высокими акустическими свойствами. Суть передаточной сварки заключается во введении механических колебаний в определенные точки. При этом энергия выделяется в том количестве, которое необходимо, чтобы ультразвуковая волна могла сама равномерно распространиться. В таком случае шов получается надежным и качественным. Передаточная сварка часто применяется при сварке мягкой пластмассы (ее необходимо предварительно заморозить) или для стыковых швов у полистирольных, полиамидных и поликарбонатовых деталей.

Преимущества и недостатки ультразвуковой сварки

У этого метода сварки есть масса преимуществ, благодаря чему он и стал настолько популярен в промышленности и не только. Вот некоторые из них:

Обеспечивает высокую производительность при относительно небольших затратах.
Позволяет получить на деталях любой толщины качественные герметичные швы, устойчивые к механическому воздействию.
Дает возможность проводить сварочные работы с деталями в любом состоянии, поверхность не нужно предварительно очищать.
Тепло выделяется только в одной конкретной точке, поэтому отсутствует вероятность перегрева сварного шва.
Напряжение не подводится к поверхности свариваемых деталей, из-за чего исключено формирование радиопомех.
Можно выполнять различные швы: от точечного ремонта до непрерывного соединения деталей в промышленных масштабах. При этом не нужно соблюдать особые условия, сварку ультразвуком можно проводить в любом месте, где есть электроэнергия.
Этот метод позволяет комбинировать сразу несколько задач. Например, можно сваривать пластмассу и одновременно наносить какое-либо полимерное напыление или осуществлять резку.
Можно сварить друг с другом любые пластмассы.
Если точно выбрать режим сварки, то можно добиться практически незаметного шва.
Не нужно использовать в работе расходники, а также клей или растворитель, который может оказать пагубное влияние на организм.

Но, как и у любого метода сварки, здесь не обошлось без недостатков:

Частная необходимость применения двусторонней подачи энергии из-за маленькой мощности процесса сварки.
Не существует единого способа контроля качества свариваемого соединения, из-за этого работа может получиться некачественной.

Как видите, недостатков мало. Но учтите, что все достоинства сварки ультразвуком доступны лишь в случае, если вы правильно настроите режим. Если вы начинающий, то мы рекомендуем выбрать оборудование с автоматическим определением оптимального режима сварки.

Если вы намерены выбирать режим вручную, то воспользуйтесь таблицей, приведенной ниже (здесь в качестве примера параметры для сварки пластиковых труб). В ней указаны рекомендуемые параметры. Со временем вы получите больше опыта и сможете самостоятельно выбирать оптимальный режим.

Оборудование для сварки ультразвуком

Комплект ультразвукового оборудования состоит из ультразвукового генератора, пресса, опоры, преобразователя, волновода и сварочного инструмента. При этом выделяют несколько основных узлов, играющих первостепенную роль. К ним относятся:

Генератор вырабатывает ультразвуковые колебания, а затем преобразовывает их в механические, при этом сохраняя ту же частоту. Также с помощью генератора можно регулировать скорость колебаний и определять способ передачи ультразвуковой энергии.

Преобразователь (чаще всего пьезокерамический или магнитострикционный) в связке с генератором отвечает за преобразование электрической энергии в механическую и используется в аппаратах с двусторонним подводом энергии. При этом важно учесть, что такому оборудованию необходимо постоянное охлаждение, например, водное или воздушное.

Трансформатор упругих колебаний согласовывает между собой работу преобразователя и волновода, по сути являясь связующих звеном. Также он способен повысить амплитуду колебаний с торца волновода.

Волновод передает механическую энергию и создает давление в определенных местах. Роль волновода может выполнять акустический трансформатор.

Опора необходима для надежного фиксирования деталей. В некоторых случаях она напрямую используется для сварки в качестве дополнительного волновода.

Дополнительно оборудование может быть оснащено функцией автоматического или ручного контроля параметров работы. Мы рекомендуем использовать именно такое оборудование, поскольку оно позволяет выполнить работу по-настоящему качественно. Лишь в таком случае можно достигнуть максимальной прочности сварных швов.

Вместо заключения

Мы убедились, что ультразвуковая сварка — это очень технологичный и эффективный метод соединения различных полимеров. Качество получаемых швов не сопоставимо с другими методами сварки, оно на голову выше. Особенно, если применяется механический способ сварки ультразвуком.

Конечно, необходимо обладать большим опытом и высокой квалификацией, чтобы соединения получилось идеальным. При этом большинство действий опытный сварщик выполняет интуитивно, а для этого нужно десять раз совершить ошибку, чтобы на одиннадцатый раз получить по-настоящему качественный шов. Тем не менее, мы рекомендуем обучиться хотя бы азам сварки ультразвуком. Это откроет для вас больше возможностей. Делитесь в комментариях своим опытом, наверняка начинающие умельцы будут рады услышать мнение профессионалов. Удачи!

Читайте также: