Ультразвукове зварювання, зварювання і зварник

При зварюванні ультразвуком нероз'ємне з'єднання утворюється при спільному впливі на деталі механічних зсувних коливань з ультразвукової частоти (f = 20 ... 230 кГц), відносно невеликому конструктивному зусиллі, прикладеному перпендикулярно до зварювальних поверхонь і тепловому ефекті внаслідок тертя при їх зворотно-поступальних переміщеннях. В результаті в зоні зварювання спостерігається невелика пластична деформація.

У початковий момент дії з ультразвукових коливань на зварюються поверхнях виникає сухе тертя, що приводить до руйнування окисних і адсорбованих плівок. Після появи ювенільних поверхонь процес сухого тертя переходить в чисте тертя, що супроводжується утворенням вузлів схоплювання. Схоплюванню сприяє мала амплітуда коливань, що труться і зворотно-поступальний характер цих коливань.

Для отримання механічних коливань ультразвукової частоти використовується відкритий Р. Джулія в 1847 р магнітострикційний ефект. Цей ефект полягає в тому, що під дією змінного магнітного поля, спрямованого уздовж муздрамтеатру, відбувається його вкорочення або подовження.

Основний вузол машини для ультразвукового зварювання - магнітострикційний перетворювач (рис. 1), обмотка якого живиться струмом ультразвукової частоти 20 ... 180 кГц від генератора. Охолоджується водою магнітострикційний перетворювач 1 служить для перетворення енергії струму високої частоти в механічні коливання. Високочастотні пружні коливання передаються через хвилевід у вигляді поздовжніх механічних переміщень на верхній наконечник

При зварюванні виріб 4 затискають між наконечниками, до яких прикладають зусилля, необхідне для створення тиску в процесі зварювання.

Найбільш поширеними схемами ультразвукового зварювання є точкова, шовна і по контуру. При точковому зварюванні наконечниками служать круглі або іншої форми сталеві пуансони, при шовного сталеві ролики.

Мал. 1. Схема установки для зварювання ультразвуком:
1 - магнітострикційний перетворювач; 2 - хвилевід; 3 - наконечники; 4 - деталі, що зварюються.

Основні параметри режимів ультразвукового зварювання: потужність перетворювача, частота і амплітуда коливань інструменту, зусилля стиснення, час зварювання.

Потужність ультразвукового перетворювача вибирається залежно від товщини і властивостей металу деталей, що зварюються. Зазвичай вона дорівнює 4 ... 6 кВт. Амплітуда коливань інструменту (Зазвичай в межах 10 ... 20 мкм) є однією з найважливіших характеристик зварювального процесу, що впливає на властивості зварного з'єднання і на його міцність.

Час зварювання теж робить істотний вплив на міцність зварного з'єднання. При малому часу зварювання з'єднання виходить неміцним, так як кути схоплювання займають невелику частину поверхні контакту. Якщо ж час зварювання занадто велике, то на деталях утворюються глибокі вм'ятини від електродів, спостерігається утомлююча руйнування зварного з'єднання і схоплювання електродів з деталями. Час зварювання при точковому з'єднанні 0.5 ... 3 с.

Процес ультразвукового зварювання супроводжується виділенням тепла в місці утворення з'єднання в результаті тертя в контакті між деталями. Максимальна температура в зоні зварювання не перевищує 0.5 ... 0.7 температури плавлення. У деяких випадках деталі перед зварюванням підігрівають.

Попередній підігрів призводить до зменшення часу зварювання і сприяє підвищенню міцності з'єднання. Однак занадто висока температура нагрівання не дозволяє підвищити міцність внаслідок збільшення плинності металу і обумовленого цим погіршення передачі ультразвукових хвиль в зону зварювання.

Наявний досвід застосування зварювання ультразвуком виявив такі переваги цього способу:

1. Сварка ультразвуком дозволяє з'єднати різні метали, добре зварюються алюміній, мідь, нікель, задовільно - високолеговані стали. Отримано сполуки на ряді тугоплавких металів - ніобії, тантале, молібдену і вольфрамі. Істотні успіхи отримані при зварюванні металів з неметалами (напівпровідниками, склом і деякими іншими матеріалами). За допомогою ультразвуку зварюють деталі з пластмас, отримують з'єднання біологічних тканин, що є одним з унікальних прикладів використання зварювання ультразвуком і одночасно характеризує її широкі можливості.
2. Можливі з'єднання тонких і ультратонких деталей, зварювання пакетів з фольги, можна приварювати тонкі обшивки і фольгу до елементів несучої конструкції, товщина яких практично не обмежена.
3. Сварка ультразвуком відбувається в твердому стані без істотного нагрівання місця зварювання, що дозволяє з'єднувати хімічно активні метали або пари металів.
4. Не потрібна попередня зачистка поверхні деталі, в зв'язку з чим можливе зварювання плакованих і оксидованих деталей.
5. Невеликі здавлюють зусилля викликають незначну деформацію поверхні деталей в місці їх з'єднання.
6. Сварка ультразвуком більш економічна, так як застосовується зварювальне обладнання малої потужності. Наприклад, для контактного точкового зварювання алюмінію завтовшки 1 мм необхідна машина потужністю 100 ... 150 кВт, при ультразвукової зварюванні того ж з'єднання - 2.5 ... 5 кВт.

Недоліки ультразвукового зварювання полягають в наступному. Перш за все товщина зварювальних деталей обмежена 2,0 мм. Для великої товщини необхідно збільшити частоту коливань, що призводить до руйнування хвилеводу. Нестійкість параметрів зварювання внаслідок нестабільності кількості енергії, що надходить в зону зварювання через відхилення в розмірах деталей, різного стану їх поверхонь, нестабільності в роботі ультразвукового генератора, механізму стиснення і т.п. викликає значні коливання міцності зварних з'єднань.

Ультразвукове зварювання знайшла широке застосування для з'єднання тонких деталей в приладобудуванні, радіоелектронної промисловості та особливо в мікроелектроніці, а також для полімерних плівок, полімерів.