Как происходит ультразвуковая сварка

Широкие массы общественности чаще всего сталкиваются с многочисленными видами услуг, связанных с ультразвуком в медицине, которые обозначаются популярнейшими тремя буквами – УЗИ, то есть ультразвуковыми исследованиями самых разных органов в самых разных режимах. Мы с вами имеем дело с другими тремя буквами: это УЗК – аббревиатурой, обозначающей ультразвуковые колебания.

Они используются в промышленности весьма широко и в течение многих лет. Более того, научно-технический прогресс не стоит на месте, технологии и оборудование совершенствуются, область применения расширяется. Если говорить о сварочном деле, то ультразвуковая сварка – дело далеко не новое, но чрезвычайно быстро меняющееся и развивающееся.

Все дело в оборудовании

Все шестьдесят лет, в течение которых существует УЗК как сварочный способ, эта технология быстро движется по пути настоящего технического прогресса: области ее применения расширяются, а технологии совершенствуются.

Эта динамика развития делится на два направления:

• Низкоэнергетические колебания, или волны малой интенсивности, которые с успехом применяются в областях измерений, сигнализации, дефектоскопии и т.д.

• Высокоэнергетические колебания, или волны высокой интенсивности, которые великолепно используются в сварке металлов и пластмасс и процессах очистки деталей.

Вот в каких направлениях используется ультразвуковая сварка:

• В качестве вспомогательного средства, влияющего на процесс кристаллизации в сварочной ванне для улучшения механических свойств сварочного шва. Это влияние заключается в удалении газов и измельчении структуры сварочного металлического шва.
• В качестве энергетического ресурса в микроэлектронике и других областях, где требуется неразъединимое соединение тончайших металлических слоев фольги или чего-либо подобного. Такое соединение возможно благодаря разрушению пленок ультразвуковыми колебаниями у металлов с окисленной поверхностью.
• Для снижения степени деформации и напряжения в процессе. Ультразвук стабилизирует структуру шва и, таким образом, минимизирует самопроизвольное деформирование, которое нередко возникает впоследствии.
• Для контроля качества швов с помощью специальной дефектоскопии.
• Соединение пластмасс – термопластических полимеров, где ультразвуковая сварка не имеет альтернативы.

Процесс ультразвуковой сварки

Суть процесса – действие на обе свариваемые поверхности механических колебаний высочайшей частоты в комбинации с умеренным сдавливанием. Механические колебания такой частоты образуются в результате магнитострикционного эффекта: некоторые металлические сплавы меняют свои размеры из-за действия переменного магнитного поля.

Никель и железнокобальтовые сплавы – лучшие ультразвуковые преобразователи, это хорошие магнитострикционные материалы. Изменение их размеров чрезвычайно мало, поэтому для концентрации энергии и увеличения амплитуды применяются специальные волноводы специфической суживающейся формы.

Эти волноводы имеют средний коэффициент усилия 5,0 с амплитудой примерно 20 – 30 мкм при условии холостого хода. А такой амплитуды колебаний с лихвой хватает для качественного соединения: по многим опытам экспериментальных ультразвуковых процессов даже колебания в 1,3 мкм дают вполне надежный сварочный шов.

Функция волноводов – передача энергии волнового колебания к наконечнику сварочного инструмента от преобразователя магнитострикционной природы. Магнитострикционный преобразователь считается главным компонентом оборудования для ультразвуковой сварки.

В него входят следующие технические компоненты:

• волновод;
• опора в виде маятника;
• диафрагма;
• подвод тока для преобразователя;
• привод механического сжатия;
• система водяного охлаждения в виде кожуха.

Сама же установка для УЗС состоит из следующих составных частей:

• магнитострикционный преобразователь;
• сам волновод;
• ролик для сваривания;
• токоподвод;
• водоподвод для охлаждения;
• прижимной ролик;
• защитный кожух преобразователя;
• механический привод вращения.

Ток высокой частоты поступает от ультразвукового генератора на обмотку магнитострикционного преобразователя. Волновод со специальным рабочим выступом усиливает и передает механические колебания к наконечнику сварочного инструмента.

Выступ на волноводе во время процесса принимает высокочастотные колебания, которые по своей природе являются механическими горизонтальными движениями высокой частоты.

Длительность сварочного процесса напрямую зависит от толщины и природы свариваемого металла. Если край металла тонкий, образование шва занимает буквально доли секунды.

Высокочастотные колебания наконечника сварочного инструмента имеют свойство поляризоваться в одной плоскости с поверхностью пластины сверху. Колебания передаются на пластины и опоры с нужными амплитудами с учетом того, что на всех точках передачи энергия колебаний гасится.

Сам процесс соединения начинается с момента соприкосновения микронеровностей поверхностей, которые соединяются, в результате чего происходит их деформация. Как только включаются ультразвуковые колебания, эти микронеровности дополнительно сдвигаются, появляются зоны схватывания.

Если с самого начала ультразвукового воздействия на соединяемых поверхностях возникает трение по сухому типу, разрушающее окисные пленки из жидкостей и газов, то впоследствии сухое трение превращается в чистое трение, которое образовывает и укрепляет зоны схватывания.

Дополнительному укреплению схватывания способствует характер колебаний: возвратно-поступательные движения при малой амплитуде.

В рабочей зоне при УЗС образуется тепло вследствие процесса трения и деформации на соединяемых поверхностях. Температура в рабочей зоне зависит от характеристик металла: его твердости, теплопроводности и теплоемкости.

Повышение температуры от трения не влияет на прочность шва, так как эта прочность достигается до максимального повышения этой температуры. Вместе с тем предварительный нагрев деталей перед процессом сварки способствует повышению прочности сварочного соединения.

Соблюдение режима технологии УЗС дает сварочный шов, равный по своей прочности основному металлу.

Преимущества ультразвуковой сварки

С учетом своей специфики ультразвуковая сварка имеет ряд отличных преимуществ:

1. Нет нужды нагревать предварительно рабочую зону, что чрезвычайно полезно при работе с химически активными металлами или парами металлов, которые склонны к образованию специфических и хрупких соединений по ходу сварки.
2. Есть возможность соединения тонких и ультратонких кромок металлических деталей. Также можно приварить фольгу или тонкие листы к любым деталям, можно варить даже пакеты из фольги.
3. Уникальная техническая «лояльность» к различного рода изоляционным и оксидным пленкам на поверхности металлов и другим загрязнениям – к примеру, плакированным поверхностям.
4. Малое по силе сдавливание приводит к тому, что деформация свариваемых поверхностей незначительна.
5. Энергетическая эффективность благодаря малой мощности сварочного оборудования, его простая конструкция.

Область применения

Технология УЗС постоянно совершенствуется, и, как следствие, ее применение расширяется постоянно и самым радикальным образом.

Прежде всего, это соединение тонких деталей в радиоэлектронике и приборостроении. Способность технологии для эффективной приварки тонких обшивок используется в авиационной, космической и других областях промышленности.

Ультразвуковая сварка отлично справляется с соединением металлов с низкой пластикой, металлов с керамикой и стеклом. Тугоплавкие металлы типа вольфрама или молибдена также легко свариваются УЗС. Возможна сварка с прослойкой из третьего металла, пластмасс.