Аппарат ультразвуковой сварочный – Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

alexxlab | 04.08.2020 | 0 | Разное

Содержание

Ультразвуковая сварка:оборудование, схема, технология

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.

Ультразвуковая сварка

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:

  • односторонняя;
  • двусторонняя.

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.

Волновод

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

stankiexpert.ru

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.

Содержание статьи

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.

Суть получения швов ультразвуком

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:

  • Ультразвуковой генератор

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

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

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!

[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]

svarkaed.ru

Что такое ультразвуковая сварка металлов?

На данный момент существует около сотни самых разнообразных способов сварки металлов. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки, особенности и сферы применения. Какие-то методы незаменимы на опасных объектах, а какие-то становятся основополагающими в практике домашних мастеров. Но существуют и такие способы сварки, о которых мы мало что слышим в силу узкого применения.

Один из таких способов — сварка ультразвуком. Ультразвуковая сварка нечасто на слуху, но она все же широко применяется при сварке микроэлектроники, проволоки, листового металла и прочих тонких или просто маленьких изделий. В этой статье мы подробно объясним, что такое ультразвуковая сварка и как работает данный метод соединения металлов.

Содержание статьи

Общая информация

Ультразвуковая сварка металлов — метод сварки, в основе которого лежит применение ультразвуковых колебательных волн. Широко применяется не только для сварки металлов, но и для соединения деталей из пластмассы, ткани, натуральной кожи. Также с помощью ультразвука вы сможете сварить стекло с металлом.  Вы можете комбинировать ультразвуковую сварку с точечной, контурной или шовной сваркой.

Интересный факт: в конце 60-х годов прошлого века с помощью ультразвуковой сварки был собран автомобиль, изготовленный из пластмассы. Именно благодаря ультразвуковому оборудованию этот проект удалось успешно завершить.

Читайте также: Ультразвуковая сварка пластмасс

Существуют даже специализированные приборы для ультразвуковой сварки. Например, большой популярностью пользуется ультразвуковая швейная машина для сварки полимеров (брезента или подобных изделий). Но про оборудование мы подробнее поговорим позже.

Технология

В работе применяется специальный ультразвуковой сварочный аппарат, который во включенном состоянии непрерывно генерирует ультразвуковые волны частотой от 18 до 180 кГц. При этом может выдавать мощность от 0,01 до 10 кВт. В итоге создаются высокочастотные колебания, которые генерируют тепло и в связке с высоким давлением сваривают детали. Дополнительно заготовка может нагреваться в месте сварки с помощью отдельного прибора, так соединение получается более качественным.


Это краткое описание. Подробное описание процесса сварки можно описать следующим образом: высокочастотные колебания сталкиваются с деталями и образуется сухое трение частиц. Если металл покрыт окисной пленкой, то под действием сухого трения она разрушается. После чего образуется чистое трение, во время которого металл плавится  и образуется сварочное соединение.

Ультразвуковая сварка металлов может выполняться с использованием самых разнообразных типов сварных соединений. Вы можете сварить две детали внахлест, раздавить кромки и сварить их, можете встык сварить круглую деталь с плоской, и так далее. Словом, возможности практически безграничны.

Достоинства и недостатки

У ультразвуковой сварки (как и у любого другого метода) есть достоинства и недостатки. Давайте рассмотрим их подробнее, чтобы вы могли понять, в каких целях стоит применять ультразвук, а в каких от этой идеи лучше отказаться.

Первое достоинство — отсутствие необходимости в тщательной подготовке металла под сварку. Единственное, что необходимо сделать — обезжирить поверхность. Все. Можно даже не удалять грязь или ржавчину. При других методах сварки подготовительный процесс отнимает много времени и сил, а вот с применением ультразвука эта проблема легко решается.

Второй плюс — местный нагрев. Металл нагревается только в том месте, где планируется сварное соединение. По этой причине исключены какие-либо деформации металла из-за избыточного нагрева. Это достоинство особенно заметно при сварке пластмассовых деталей.

Третий плюс — возможность варить даже в труднодоступных местах, при этом вся сварка производится очень быстро, ведь металл успевает нагреться менее чем за секунду. К тому же, вы без труда сварите очень тонкий металл. И говоря «тонкий» мы подразумеваем даже металлические листы толщиной не более 0,001 миллиметра. Впечатляет!

Но, поскольку наш материал объективен, мы расскажем и о недостатках. Учтите, что все они не так существенны.

Во-первых, в некоторых ситуациях все же приходится приобретать дорогие генераторы ультразвуковых волн, если бюджетные модели не справляются. Но, справедливости ради, случается это крайне редко. В нашей практике еще не было ни одного случая, когда бы недорогой ультразвуковой генератор не справился со своей работой.

Также иногда бывают ситуации, когда ультразвук не может сварить толстый металл. Эту проблему можно решить, если подбирать вогнутые детали. Они будут фокусировать ультразвук в зоне сварки и тем самым даже толстый металл быстро расплавится.

Оборудование

Раз уж мы дважды упомянули оборудование, остановимся подробнее на этой теме. Существует три типа аппаратов для ультразвуковой сварки:

  • Аппараты, выполняющие точечно-контурную сварку
  • Сварочники, выполняющие шовную или шовно-шаговую сварку
  • Мобильные (переносные) аппараты малой мощности, например, сварочные пистолеты.

При этом мощность аппарата может быть от 100 до 1500Вт, в зависимости от его цены, назначения и размеров.

На сварочных аппаратах, произведенных до конца 70-х, использовался магнитострикционный принцип генерации ультразвука. Но на данный момент такие аппараты не выпускаются, им на смену пришли установки, в которых ультразвук генерируется с помощью встроенного пьезоэлектрического преобразователя.

На данный момент такое оборудование производят многие страны Европы и мира, в том числе Россия. Качество отечественной продукции вполне приемлемо, особенно учитывая невысокую стоимость по сравнению с зарубежными конкурентами. Вообще производство ультразвуковых сварочных аппаратов началось еще в Советском союзе. Тогда такие аппараты в основном использовались для сварки микросхем. Сейчас же сфера применения стала куда шире.

Вместо заключения

Сварка ультразвуком незаменима при работе с маленькими и тонкими деталями, которые просто невозможно сварить вручную или с применением других технологий. Благодаря ультразвуку металл не деформируется и не растекается, а образует прочное соединение. Также сварка ультразвуком позволяет беспроблемно варить металлы, покрытые окисной пленкой. Например, алюминий, с которым у сварщиков обычно много проблем.

К тому же, оборудование для ультразвуковой сварки стоит не так уж дорого. Поэтому рекомендуем испробовать в своей практике этот метод соединения металлов. Если вы когда-либо выполняли ультразвуковую сварку своими руками, то расскажите об этом. Ваш опыт будет полезен для многих новичков. Желаем удачи в работе!

[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]

svarkaed.ru

Аппараты для ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка получает все большее применение при решении проблем соединения отдельных узлов и элементов в производстве изделий из полимерных термопластичных материалов. Это стало возможным благодаря совершенствованию технологии сварки, оптимизации режимов ультразвукового воздействия и повышению точности дозирования ультразвуковой энергии, вводимой в зону сварки. Условия ввода энергии и режимы сварки, как правило, оптимизируются в ходе экспериментальной отработки технологии для каждого изделия отдельно и затем используются при его серийном производстве. При этом несущественные для нормального функционирования изделия, отклонения геометрических размеров отдельных узлов и изменения свойств материалов нарушают оптимальность процесса сварки, приводят к снижению качества соединений и браку конечной продукции.

Непрерывное ужесточение требований к качеству формируемых соединений, расширение ассортимента свариваемых материалов, увеличение размеров и усложнение конструкций изделий обуславливают необходимость поиска путей автоматического установления оптимального ультразвукового (УЗ) воздействия при формировании каждого сварного соединения. Для выбора и поддержания оптимального воздействия в процессе формирования соединений требуется учитывать влияние всех факторов, осуществлять непрерывный контроль состояния соединяемых материалов и условий протекания процесса, обеспечивая при этом работу УЗ аппарата с максимальной эффективностью.

Анализ современного состояния технических решений в аппаратах для УЗ сварки свидетельствует об отсутствии в их составе систем контроля и автоматического управления и о лишь частичном использовании возможностей систем автоматической подстройки частоты и стабилизации амплитуды. В процессе формирования сварного шва не учитываются закономерности и особенности изменения физических и акустических свойств соединяемых материалов. Основная причина состоит в отсутствии систем непрерывного контроля свойств материалов в зоне формирования сварного соединения в процессе сварки. Отсутствие информации о состоянии соединяемых материалов не позволяет создать системы автоматического регулирования параметров генератора для оптимизации УЗ воздействия.

В связи с этим для повышения эффективности процесса сварки необходимо ввести в состав УЗ аппаратов измерительные и управляющие системы, способные обеспечить получение информации  в процессе формирования сварного шва, автоматическое установление и поддержание оптимального УЗ воздействия на основе полученных данных, управление электронным генератором, способным обеспечивать перестройку по частоте и мощности в необходимых пределах.

Реализация непрерывного контроля состояния соединяемых материалов за счет введения в формирующийся сварной шов дополнительных датчиков невозможна. Авторами было найдено другое техническое решение на основе высокой чувствительности пьезоэлектрической колебательной системы к изменению характеристик обрабатываемых сред. До настоящего времени наличие такой зависимости считалось мешающим фактором и ее старались минимизировать стабилизацией параметров ультразвукового генератора, либо игнорировать путем заведомого снижения скорости процесса.

В ходе исследований была установлена связь между изменением физических параметров соединяемых материалов и изменением электрических параметров пьезоэлектрической колебательной системы и было доказано, что переход соединяемых материалов в вязкотекучее, вязкопластичное состояние и начало его деструкции приводят к однозначному изменению входного импеданса колебательной системы, которое может быть отслежено электронным генератором. Следовательно, измерительная система УЗ аппарата должна включать в себя инструментальные средства для контроля входного импеданса, добротности, резонансной частоты, амплитуды колебательной системы. Для ее практической реализации были разработаны специализированные устройства, интеграция которых в существующие УЗ аппараты, позволила обеспечить автоматическое установление оптимальной интенсивности УЗ воздействия при формировании сварных соединений.

Основная проблема, решаемая при создании сварочных аппаратов с автоматической оптимизацией УЗ воздействия, связана с необходимостью разработки и применения специализированных колебательных систем, способных выполнять одновременно роль источника УЗ воздействия и устройства непрерывного контроля параметров соединяемых материалов. С этой целью были созданы специальные пьезоэлектрические колебательные системы, объединяющие в полуволновой конструктивной схеме пьезопреобразователь, концентратор и рабочий инструмент. Собственная резонансная частота, добротность и входное электрическое сопротивление таких систем зависят определенным образом от изменения акустической нагрузки, обусловленной как изменением свойств соединяемых материалов, так и величиной статического давления на излучающую поверхность.

Конструктивно ультразвуковая колебательная система выполнена в виде тела вращения, состоящего из двух металлических накладок и двух пьезоэлектрических элементов. Образующая тела вращения имеет вид непрерывной кусочно-гладкой кривой, состоящих из трех основных участков: двух цилиндрических (длиной l1 и l2) и одного переменного сечения (длиной lz). Пьезоэлектрические элементы расположены между участком переменного сечения и торцом отражающей накладки. Созданная колебательная система схематично показана на рис. 1, а, внешний вид приведен на рис. 1, б. Там же показано распределение амплитуд А и механических напряжений F вдоль образующей. Пучностям смещений приблизительно соответствуют узлы механических напряжений и наоборот, т. е. распределение смещений и напряжений имеет вид стоячих волн.

a)  

б)

Рис. 1 Пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система: а – конструктивная схема, б – внешний вид

На основе новой полуволновой конструктивной схемы разработаны:

 колебательные системы для сварки термопластичных материалов (полимерная трубка систем хранения компонентов крови) для применения в ручных и стационарных запаивателях (рис. 2). Коэффициент усиления Mp таких систем равен 8 – 10. Собственная резонансная частота – 44±3,33 кГц. Амплитуда колебаний на излучающей поверхности 15 – 25 мкм;

а)

б)

в)

Рис. 2 Полуволновая пьезоэлектрическая УЗКС для сварки термопластичных материалов: а – ручной вариант, б – стационарный вариант, в – внешний вид

 колебательные системы для сварки термопластичных материалов путем выполнения замкнутого кольцевого шва, представленные на рис. 3. Коэффициент усиления Mp равен 15. Собственная резонансная частота системы 44±3,33 кГц. Амплитуда колебаний на излучающей поверхности 25 – 30 мкм;

а)

б)

Рис. 3 Полуволновая пьезоэлектрическая УЗ колебательная система для кольцевой сварки термопластичных материалов – картриджей: а – конструкция, б – внешний вид

 колебательная система для сварки термопластичных материалов путем выполнения протяженного шва заданной ширины при прессово-шовной сварке, представленные на рис. 4.

а)

б)

Рис. 4 Полуволновая пьезоэлектрическая УЗ колебательная система для выполнения протяженного шва, а – конструкция, б – внешний вид

Создание новых колебательных систем и УЗ аппаратов с автоматической оптимизацией УЗ воздействия обеспечило развитие технологий ультразвуковой сварки пластичных полимерных материалов в следующих основных направлениях: герметизация полимерных трубок, формирование непрерывных швов, формирование швов большой ширины (свыше 300 мм) и формирование кольцевых швов.

Развитие технологии запаивания полимерных трубок было обусловлено необходимостью надежной герметизации пластиковых трансфузионных систем. Использовавшиеся ранее диэлектрические запаиватели (типа Hematron 2, Biosealer CR2 и подобные) осуществляли нагрев и формирование термического шва на участке трубки токами высокой частоты. Малая ширина шва (2 мм), высокая энергоемкость процесса (более 200 Вт), разложение материала под действием температуры, приводящее к загрязнению крови токсичными веществами (хлором), снижение прочности шва при наличии на поверхности вязких и жировых пленок, не позволяли считать проблему герметизации трансфузионных систем решенной. Эти недостатки были устранены при помощи практической реализации разработанных способов управления процессом УЗ сварки, что позволило, впервые в мировой практике, создать серию стационарных и переносных ультразвуковых запаивателей (рис. 5).



Рис. 5 Ультразвуковые запаиватели пластиковых контейнеров с компонентами крови и
трансфузионных систем

Конструктивно ультразвуковые запаиватели состоят из электронного генератора и механического блока. В состав механического блока входят колебательная система и узел сжатия трубки. В зависимости от типа запаивателя механический блок может быть встроенным в корпус или выносным. Привод узла сжатия трубки выполняется электромагнитным, для выносного запаивателя – ручным. Созданные запаиватели обеспечили герметизацию и сегментацию всех типов используемых в практике гемоконтейнеров. При этом выполнение шва шириной в 8 мм и сегментация по шву позволили герметизировать одновременно гемоконтейнер и удаляемый сегмент трубки. Это исключило возможность попадание крови или ее компонентов на оборудование и обеспечило безопасность работы медицинского персонала.

Рост популярности упаковки продуктов в герметичные одноразовые пакеты из полимерных пленок обусловил существенный прогресс в области создания упаковочных машин. Герметизация упаковочного пакета является наиболее ответственной операцией, определяющей качество и сохранность упакованных продуктов. Реализуемая в настоящее время герметизация термической сваркой имеет ряд недостатков: деструкция полимера под воздействием высоких температур, значительное время прогрева пленок толщиной более 100 мкм, невозможность герметизации пакетов с термонестабильными, легковоспламеняющимися и взрывчатыми веществами. Кроме того, в процессе загрузки сыпучих и жидких продуктов в упаковочный материал из дозирующего устройства часто происходит загрязнение соединяемых поверхностей. Это отрицательно влияет на качество и герметичность сварного соединения упаковки.

Наиболее эффективным способом решения указанных проблем является применение высокоскоростной прессовой шовно-шаговой ультразвуковой сварки термопластических полимерных материалов. Для этого были разработаны специализированные аппараты, представленные на рис. 6 – 9.


Рис. 6 Ультразвуковой аппарат «Гиминей-лента» для сварки красящих лент

Ультразвуковой аппарат «Гиминей-лента» модель КУС 1/22-О (рис. 6) предназначен для полуавтоматической ультразвуковой сварки и одновременной резки красящих принтерных лент. Обеспечивает соединение полимерной ленты в кольцо.


Рис. 7 Аппарат  «Гиминей-ультра-3»

Ультразвуковой аппарат «Гиминей-ультра3» модель КУС 1/22-О (рис. 7) обеспечивает формирование герметизирующего шва шириной 5 мм и протяженностью 150 мм с помощью прессовой шовно-шаговой сварки.


Рис. 8. Ультразвуковой аппарат «Гиминей-гео»

Специализированный ультразвуковой аппарат «Гиминей-ГЕО» модель АУС 3/22-О (рис. 8) формирует сварной шов протяженностью 220 мм, а аппарат «Рельсона» модель УЗТА 3/18-О (рис. 9) – шов протяженностью 360 мм.


Рис. 9.
Ультразвуковой аппарат «Рельсона» УЗТА 3/18-О для шовно-шаговой сварки

Созданное ультразвуковое оборудование нашло широкое применение при ультразвуковой сварке полимерных термопластичных упаковочных материалов и при изготовлении георешеток, предназначенных для укрепления дорожных поверхностей.

Эффективным применением ультразвукового метода сварки является соединение изделий из термопластичных материалов кольцевым швом. Такой вариант сварки получил широкое распространение при производстве емкостей различного технологического назначения (упаковочные стаканы, технологические объемы и т. п.). Наиболее ярким примером эффективного применения УЗ сварки является решение проблемы герметизации сменных фильтрующих картриджей для очистки воды, производство которых в настоящее время активно развертывается в России и странах СНГ. В технологиях зарубежных производителей (например, немецкой фирмы «Бритта») для этих целей используется способ сварки трением, при котором быстровращающаяся крышка вводится в соприкосновение с неподвижным стаканом. Реализация сварки трением требует сложного дорогостоящего оборудования, усложняет конструкцию картриджа и предъявляет повышенные требования к точности изготовления пластиковых деталей, что удорожает готовый картридж. Взамен этого метода сварки разработана автоматизированная линия (рис. 10) на основе специализированного ультразвукового оборудования.


Рис. 10 Автоматизированная линия
с аппаратом ультразвуковой сварки

Для удовлетворения потребностей различных современных производств была создана серия многофункциональных ультразвуковых сварочных аппаратов для обеспечения ультразвуковой непрерывной и прессовой шовно-шаговой сварки листовых материалов (рис. 11). Их назначение – соединение конструкционных изделий и листовых материалов методом низкотемпературной ультразвуковой сварки. Сменные инструменты позволяют при сварке получать швы различной ширины и формы непрерывным или прессовым шовно-шаговым способом сварки полимерных термопластичных материалов.

а)

б)

в)

г)

Рис. 11 Аппараты для ультразвуковой сварки термопластичных материалов: а – «Гиминей-ультра»; б – «Гиминей-ультра 2»; в - «Гиминей-ультра 2» в ручном исполнении; г - «Гиминей-ультра 4»

Решение проблемы автоматической оптимизации УЗ воздействия при формировании каждого шва за счет применения новых систем непрерывного контроля и управления позволило достичь высокой эффективности созданных специализированных и многофункциональных ультразвуковых сварочных аппаратов. Созданные аппараты позволили  решить ряд сложных  технологических задач современных производств, что позволяет   рекомендовать их для промышленного использования.

В. Н. Хмелев, А. Н. Сливин,
Р. В. Барсуков, С. Н. Цыганок, А. Д. Абрамов
Лаборатория акустических процессов и аппаратов
Бийского технологического института
Алтайского государственного технического университета

mirprom.ru

оборудование и схемы сварки меди и других металлов

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 – 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.

Схема сварки ультразвуком.

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 . 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

Принципиальная схема 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.

Схема контактной ультразвуковой сварки.

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 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

Устройство 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 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 , 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.

tutsvarka.ru

Ультразвуковая сварка и микросварка: описание, преимущества, применение

В данной статье мы разберем суть сварки ультразвуком (будем говорить преимущественно об ультразвуковой сварки металлов), рассмотрим особенности ультразвуковой микросварки, опишем принцип действия установок УЗ сварки. 

Ультразвуковая сварка металлов

Технология ультразвуковой сварки представляет собой соединение деталей под воздействием ультразвуковых волн, которые преобразуются в механические колебания и вызывают пластическую деформацию плоскостей в месте их соприкосновения, одновременно разрушая оксидные пленки. Свойства металлов почти не изменяются. Установка ультразвуковой сварки состоит из следующих компонентов:

  • источник питания;
  • преобразователь;
  • сварочная головка;
  • волноводы.

Электричество преобразуется в звук высокой частоты, необходимый для сварки, головка обеспечивает сжатие рабочих деталей, волноводы передают энергию в ту точку, где сваривают поверхности.

Сфера промышленного применения данного вида сварки достаточно широка. Ее используют для соединения проволоки, фольги, термочувствительных материалов. Также используется при изготовлении мобильных телефонов, микросхем, оптических и других приборов. Современное автомобилестроение и производство звуковой техники также не обходится без сварки ультразвуковым способом. Данный метод ценят за высокую производительность, точность и прочность, а также за возможность сваривать различные сплавы, для которых обычная сварка недоступна.

Преимущества ультразвуковой сварки

Данный вид сварки широко используется и успел доказать многочисленные преимущества:

  • Отсутствие сильного нагревания позволяет сваривать даже те металлы, которые характеризуются химической активностью.
  • Сварка осуществляется с высокой скоростью.
  • Повышается прочность соединения разнородных материалов, которое при высокой температуре, сопровождающей обычную сварку, оказалось бы хрупким.
  • Устраняются технологические ограничения, касающиеся сварки алюминия или меди.
  • Толщина свариваемых ультразвуковым способом деталей не ограничена, они могут быть тонкими или даже сверхтонкими (например, фольга), причем толщина соединяемых сваркой элементов может различаться.
  • Требования к чистоте поверхностей при использовании ультразвука менее строги, чем при обычном способе сварки, допускается наличие оксидной или изоляционной пленки.
  • Сварочное усилие невелико, что позволяет избежать сильной деформации в зоне стыка.
  • Конструкция установки для УЗ сварки не отличается сложностью.

Экологическая безопасность и гигиеничность также относится к числу достоинств ультразвуковой технологии. Такая сварка требует меньших трудозатрат, ведь она может быть автоматизирована. Сварка ультразвуком не предполагает расходных материалов, что делает ее чрезвычайно экономичной.

Ультразвуковая микросварка

Одной из разновидностей ультразвуковой сварки является УЗ микросварка. Основная сфера ее применения – это микроэлектроника. Когда монтируются полупроводниковые кристаллы, между контактными площадками и выводами создаются проволочные или ленточные перемычки, которые обеспечивают электрическое соединение. Сваривать сверхтонкие детали можно только с помощью ультразвука, контролируя с помощью специальной установки его параметры:

  • мощность;
  • давление;
  • время воздействия.

Процесс сварки основан на взаимодействии электронов со смежными молекулами, соединение тончайшей проволоки происходит на уровне атомов методом диффузии. Современные аппараты для ультразвуковой микросварки позволяют максимально снизить трудоемкость процесса и расширить круг материалов, которые можно сваривать таким методом. Сварка с применением ультразвука используется не только для металлических деталей, но и для изделий из пластика при наложении точечных швов.

Установки ультразвуковой микросварки

Ультразвуковая сварка в микроэлектронике нашла широчайшее применение. В современном мире устройства, собранные по нанометровым техпроцессам, есть практически у каждого обывателя (например мобильный смартфон). Так, потребность в устройстве рабочего места специалиста-микросварщика становится очевидной, а необходимость в специализированном микросварочном оборудовании - все более насущной.

Разберем основные аппараты ультразвуковой микросварки.

  • Установка УМС-1АК предназначена для автоматической и полуавтоматической ультразвуковой и термозвуковой сварки золотой проволоки методом «шарик-клин» и алюминиевой, золотой проволоки методом «клин-клин». Управление автоматической установкой производится с помощью специализированной системы управления на базе персонального компьютера, позволяющая производить программирование до 100 технологических параметров: высота, длина, угол наклона перемычки и т. д.
    Установка оснащена системой машинного зрения для распознавания образов контактных площадок полупроводниковых приборов. Установка комплектуется ультразвуковым генератором с возможностью автоматической подстройки резонансной частоты в процессе сварочного импульса, при этом используются ультразвуковые пьезокерамические преобразователи с резонансной частотой 62 кГц; 108 кГц.
  • Аппарат ультразвуковой микросварки УМС-1УТ используется для ультразвуковой сварки внахлест алюминиевой и золотой проволоки «клин-клин». Установка комплектуется дополнительным ручным механическим приводом для опускания сварочной головки по оси Z с помощью – «ручки» с целью точного позиционирования сварочного электрода относительно контактной площадки и для оперативной коррекции уровня сварки с разновысотностью до 6 мм и глубиной «колодца» до 18 мм (при длине электрода 21мм, 3 мм остаются на закрепления электрода в ультразвуковом преобразователе).
  • Установка УМС-2ШК предназначена для автоматизированной термозвуковой сварки золотых проволочных выводов методом «шарик-клин», с дополнительным закреплением «клина» «шариком», с возможностью присоединения золотых шариков на контактные площадки (бампирование) и «внахлест» методом «клин-клин» Кроме того установка предназначена для автоматизированной ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки и сварки ленты.
  • Установка УЗ сварки УМС-21У используется для ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки диаметром от 100 мкм до 500 мкм внахлест методом «клин-клин». Установка изготавливается в двух вариантах: при сборке приборов проволокой диаметром от 100 до 350 мкм, отделение проволоки от второго сварного соединения происходит с помощью зажимных губок; при монтаже проволокой диаметром 400-500 мкм с обрезкой сварочной проволоки после второй сварки с помощью «ножа».
  • Установка сварки ультразвуком УМС-2ТКУ, предназначенная для точечного присоединения золотых проволочных выводов диаметром от 15 до 50 мкм к контактным площадкам без корпусных диодов методом термокомпрессионной и термозвуковой микросварки (для проволочного монтажа гибридных интегральных микросхем).

micro-bond.com

Оборудование для ультразвуковой сварки металлов

ООО «Технический центр «Виндэк» — эксклюзивный представитель швейцарской компании TELSONIC AG в России, предлагает широкий спектр оборудования для ультразвуковой сварки цветных металловTELSONIC AG — мировой лидер в области производства систем  ультразвуковой сварки металлов.

Оборудование для ультразвуковой сварки металлов в ассортименте ООО «ТЦ «Виндэк» отличается высокой производительностью, надёжностью и безопасностью. Оборудование Telsonic Ultrasonic заслужило безупречную репутацию во всём мире, став постоянным рабочим инструментом для таких компаний, как BMW, Mercedes-Benz, Bosch, Gillette, Philipsи других. В нашей стране его уже широко используют на заводе им. Фрунзе, на предприятиях Автоконтакт ВОС, Ульяновское УПП ВОС. Работая со сварочными волноводами и фиксирующими приспособлениями, наши специалисты совместно с инженерами Telsonic учитывают потребности заказчика, специфику свариваемого шва и материалов. Дополняет картину успешного сотрудничества наш оперативный технический сервис, действующий по всей России.

Как ультразвуковые колебания позволяют сваривать металлы?

Важнейшим звеном устройств для ультразвуковой сварки металлов является механическая колебательная система. В процессе сварки металлические детали располагаются внахлёст. Под действием ультразвуковых колебаний возникает сила трения: основные неровности в зоне контакта металлов разглаживаются, вытесняются оксидные плёнки. В результате совместного воздействия температуры и давления, происходит деформация, перемешивание и в итоге — появление новых, долговечных металлических связей. Наше оборудование позволяет получать как точечные, так и линейные или круговые высокогерметичные соединения.

Приобретая оборудование для ультразвуковой сварки металлов, важно учитывать некоторые его особенности. Так, соединять можно только ковкие металлы и только детали малой толщины, при этом при высоких мощностях может наблюдаться эффект усталости металла. В ходе работы наковальня должна располагаться как можно ближе к зоне сварки. А насечки, нанесённые на волновод (сонотрод) и наковальню для улучшения качества соединения, всегда будут видны на детали. Наконец, любое изменение в работе всегда требует переоснастки сварочного оборудования, поскольку оно далеко не универсально.

Где применяется ультразвуковая сварка металлов?

Первые прочные соединения мягких алюминиевых сплавов толщиной 0,01-0,2 мм были получены ещё в 1930-40-е гг. прошлого века. УЗ-сварка металлов нашла широкое применение в электронике, для разварки кристаллов, их выводов, герметизации корпусов полупроводниковых приборов и микросхем. Сегодня технология ультразвуковой сварки металлов широко применяется для создания самой разнообразной продукции, от элементов игрушек — до алюминиевых электролитических конденсаторов, оптимально подходит для соединения пучков многожильных проводов при производстве электрических жгутов. Но наиболее востребована она в производстве электроники, автомобилестроении, электротехнике и авиации.

 

windeq.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о