Ультразвукове зварювання

Ультразвукові коливання в даний час широко використовуються в різних галузях промисловості і при дослідженні фізичних явищ. Сучасний етап розвитку ультразвукової техніки характеризується як вдосконаленням раніше розроблених способів, так і розширенням числа нових областей застосування УЗК.

Промислове використання УЗК розвивається в двох напрямках:

застосування хвиль малої інтенсивності (низькоенергетичних коливань) (0,8¸12,0 МГц) ð для дефектоскопії, вимірювань, сигналізації, автоматизації виробництва і т.д.

застосування високоенергетичних коливань (хвиль високої інтенсивності) для активного впливу на речовини і різні технологічні процеси ð очищення деталей, зварювання металів і пластмас, механічна обробка і т.д.

Ультразвук низької інтенсивності і високої частоти (МГц) використовують в техніці понад 60 років.

Ультразвукові коливання високої інтенсивності (більше декількох Вт / см 2) і f = 18¸44 кГц застосовують для активного впливу на речовини і технологічний процеси близько 40 років.

У зварювальній техніці ультразвук використовують в наступних напрямках:

Для поліпшення механічних властивостей зварного з'єднання при впливі на зварювальну ванну в процесі кристалізації. Поліпшення механічних властивостей зварного з'єднання відбувається завдяки подрібнення структури металу шва і видалення газів.

Як джерело енергії для отримання точкових і шовних з'єднань (особливо в мікроелектроніці) ультразвукові коливання активно руйнують природні і штучні плівки, що дозволяє зварювати метали з окисленої поверхнею, вкриті шаром лаку і т.д. можливо з'єднання найтонших металевих фольги.

Ультразвук знижує або знімає власні напруги і деформації, що виникають при зварюванні. Їм можна стабілізувати структурні складові металу зварного з'єднання, усуваючи можливість самовільного деформування звареної конструкції з часом.

Для оцінки якості зварних з'єднань (ультразвукова дефектоскопія) з різних металів і сплавів.

Ультразвуком зварюється велика частина термопластичних полімерів (наприклад, полістирол).

Перші досліди з ультразвукової зварюванні (УЗС) металів робилися в Німеччині в 1936-37г.г. а роботи по створенню обладнання і технології УЗС почалися в США на початку 50-х років.

В СРСР перші роботи по УЗС металів з'явилися в 1958 році.

Дослідженнями і дослідно-конструкторськими роботами в області УЗС займаються ВНИИС Ленінград, МВТУ им.Баумана м.Москва, НІІТОП г.Н.Новгород і інші.

Процес ультразвукового зварювання металів

При зварюванні ультразвуком нероз'ємне з'єднання металів утворюється при спільному впливі на деталі механічних коливань високої частоти і відносно невеликих здавлюють зусиль, прикладених нормально до поверхні їхнього зіткнення (f = 10¸100 кГц, амплітуда коливань x = 1¸100 мкм).

Для отримання механічних коливань високої частоти зазвичай використовують магнітострикційні ефект. Він полягає у зміні розмірів деяких сплавів під впливом змінного магнітного поля.

Для ультразвукових перетворювачів зазвичай використовується чистий нікель або железокобальтовие сплави. Зміна розмірів магнітострикційних матеріалів дуже мало: для нікелю магнітострикційне подовження становить 40 × 10 -6. Тому для збільшення амплітуди і концентрації енергії коливання, а також для передачі механічних коливань до місця зварювання використовують хвилеводи. які мають, як правило, звужують форму. Коефіцієнт зусилля волноводов зазвичай дорівнює 5, амплітуда на кінці хвилеводу при холостому ході повинна бути 20¸30 мкм. Досвід УЗ микросварки показав, що величини амплітуди коливання x = 1¸3 мкм вже забезпечують освіту надійного з'єднання.

Хвилеводи передають енергію коливання плоскої хвилі від магнитострикционного перетворювача до зварювального наконечника (інструменту)

Рис.1. Зовнішній вигляд волноводов

Коефіцієнт посилення амплітуди коливального зміщення при d1 ¹d2 Ку = d1 2 / d2 2. де d1. d2 - діаметри вхідного і вихідного торців хвилеводу.

Основний вузол машини для УЗС - магнітострикційний перетворювач. Його схема для точкового зварювання має такий вигляд.

1-магнітострикційний перетворювач; 2-хвилевід; 3-виступ; 4-привід стиснення (механізм стиснення); 5-виріб; 6-маятникова опора; 7-діафрагма; 8-токоподвод; 9-кожух водяного охолодження.

Рис.2. Схема установки для точкового зварювання

1-магнітострикційний перетворювач; 2-хвилевід; 3-сваривающий ролик; 4-притискної ролик; 5-виріб; 6-кожух перетворювача; 7-підведення струму для магнитострикционного перетворювача; 8-привід обертання; 9-підведення охолоджуючої води.

Рис.3. Схема установки для шовного зварювання ультразвуком

Обмотка магнитострикционного перетворювача харчується струмом високої частоти від ультразвукового генератора. Механічні коливання передаються і посилюються волноводом. На кінці хвилеводу є робочий виступ. При зварюванні високочастотні пружні коливання передаються через хвилевід на робочий виступ у вигляді горизонтальних механічних переміщень високої частоти.

Тривалість процесу зварювання залежить від зварюваного металу і його товщини, для малої товщини вона обчислюється частками секунди.

Рис.4. Схема процесу УЗС металів

Коливання наконечника поляризовані в площині, що збігається з поверхнею верхньої пластини.

Коливання наконечника (робочий виступ, інструмент) викликають коливання пластин і опори з амплітудами x1. x2. x3. причому x0> x1> x2> x3. так як в кожній з областей «наконечник-деталь», «деталь-деталь», «деталь-опора» відбувається поглинання енергії коливань.

Процес зварювання починається з взаємодії мікронерівностей поверхонь, що з'єднуються під дією сили N, відбувається їх деформація.

Після включення УЗК в результаті відносних коливань поверхонь, що з'єднуються контактують мікронерівності відчувають зрушення і частково деформуються, відбувається зближення, очищення поверхні, виникають зони схоплювання і т.д.

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

Металографічні дослідження зразків різних металів, зварених на різних режимах зварювання (потужності, тривалості, при різних тисках), що не виявили в зоні зварювання литої структури або впливу на метал високих температур. Встановлено, що температура в зоні зварювання не вище, ніж 0,6 від температури плавлення.

Деякі дані по температурі (t °) в зоні зварювання наведені в таблиці 1.