Лекція 29. Тема 6.15. Ультразвукове зварювання.

Лекція 29. Тема 6.15. Ультразвукове зварювання.

      Широкі маси громадськості найчастіше стикаються з численними видами послуг, пов'язаних з ультразвуком в медицині, які позначаються найпопулярнішими трьома буквами - УЗД, тобто ультразвуковими дослідженнями самих різних органів в самих різних режимах. Ми з вами маємо справу з іншими трьома буквами: це УЗК - абревіатурою, що позначає ультразвукові коливання. Вони використовуються в промисловості дуже широко і протягом багатьох років. Більш того, науково-технічний прогрес не стоїть на місці, технології та обладнання удосконалюються, область застосування розширюється. Якщо говорити про зварювальну справу, то ультразвукове зварювання - справа далеко не нова, але надзвичайно швидко змінюється і розвивається.

Схема зварювання ультразвуком.

Ця динаміка розвитку ділиться на два напрямки:

• Низькоенергетичні коливання, або хвилі малої інтенсивності, які з успіхом застосовуються в областях вимірювань, сигналізації, дефектоскопії і т.д.

• Високоенергетичні коливання, або хвилі високої інтенсивності, які чудово використовуються в зварюванні металів і пластмас і процесах очищення деталей.

Ось в яких напрямках використовується ультразвукове зварювання:

• Як допоміжний засіб, що впливає на процес кристалізації в зварювальної ванні для поліпшення механічних властивостей зварювального шва. Цей вплив полягає у видаленні газів і подрібненні структури зварювального металевого шва.

• як енергетичний ресурс в мікроелектроніці та інших областях, де потрібна нероздільність з'єднання найтонших металевих шарів фольги або чогось подібного. Таке з'єднання можливе завдяки руйнуванню плівок ультразвуковими коливаннями у металів з окисленої поверхнею.

• Для зниження ступеня деформації і напруги в процесі. Ультразвук стабілізує структуру шва і, таким чином, мінімізує мимовільне деформування, яке нерідко виникає згодом.

• Для контролю якості швів за допомогою спеціальної дефектоскопії.

• З'єднання пластмас - термопластичних полімерів, де ультразвукове зварювання не має альтернативи.

Принципова схема зварювання.

Рисунок 2. Принципова схема ультразвукового зварювання:

1 – магнітострикційний перетворювач;2 – трансформатор повздовжніх пружніх коливань; 3 – робочий інструмент; 4 – наконечник робочого інструменту; 5 – зварюємі заготовки; 6 – опора.

     Суть процесу - дія на обидві зварювані поверхні механічних коливань високої частоти в комбінації з помірним здавлюванням. Механічні коливання такої частоти утворюються в результаті магнітострикційного ефекту: деякі металеві сплави змінюють свої розміри через дії змінного магнітного поля.

     Нікель і залізокобальтові сплави - кращі ультразвукові перетворювачі, це хороші магнітострикційні матеріали. Зміна їх розмірів надзвичайно мала, тому для концентрації енергії і збільшення амплітуди застосовуються спеціальні хвилеводи специфічної звужується форми.

     Ці хвилеводи мають середній коефіцієнт зусилля 5,0 з амплітудою приблизно 20 - 30 мкм за умови холостого ходу. А такої амплітуди коливань з лишком вистачає для якісного з'єднання: за багатьма дослідам експериментальних ультразвукових процесів навіть коливання в 1,3 мкм дають цілком надійний зварювальний шов.

    Функція хвильоводів - передача енергії хвильового коливання до наконечника зварювального інструменту від перетворювача магнітострикційної природи. Магнітострикційний перетворювач вважається головним компонентом обладнання для ультразвукового зварювання.

До нього входять такі технічні компоненти: хвилевід; опора у вигляді маятника; діафрагма; підведення струму для перетворювача; привід механічного стиснення; система водяного охолодження у вигляді кожуху.

Сама ж установка для УЗС складається з наступних складових частин:

магнітострикційний перетворювач; сам хвилевід; ролик для зварювання; струмопідвод;  водопідвод для охолодження; притискний ролик; захисний кожух перетворювача; механічний привід обертання.

Рисунок 3.  Схема контактного ультразвукового зварювання:

а – пресове; б – шовне; В – хвильовід;СД – зварювані деталі; РО – ролик опора.

     Струм високої частоти надходить від ультразвукового генератора на обмотку магнітострикційного перетворювача. Хвилевід зі спеціальним робочим виступом підсилює і передає механічні коливання до наконечника зварювального інструменту.

     Виступ на хвильоводі під час процесу приймає високочастотні коливання, які за своєю природою є механічними горизонтальними рухами високої частоти.

    Тривалість зварювального процесу безпосередньо залежить від товщини і природиречовини , що зварюється. Якщо край металу тонкий, освіта шва займає буквально частки секунди.

    Високочастотні коливання накінечника зварювального інструменту мають властивість поляризуватися в одній площині з поверхнею пластини зверху. Коливання передаються на пластини і опори з потрібними амплітудами з урахуванням того, що на всіх точках передачі енергія коливань гаситься.

    Сам процес з'єднання починається з моменту зіткнення мікронерівностей поверхонь, які з'єднуються, в результаті чого відбувається їх деформація. Як тільки включаються ультразвукові коливання, ці мікронерівності додатково зсуваються, з'являються зони схоплювання.

    Якщо з самого початку ультразвукового впливу на з'єднуються поверхнях виникає тертя по сухому типу, що руйнує окисні плівки з рідин і газів, то згодом сухе тертя перетворюється в чисте тертя, яке утворює і зміцнює зони схоплювання.

    Додатковому зміцненню схоплювання сприяє характер коливань: зворотно-поступальні рухи при малій амплітуді. У робочій зоні при УЗС утворюється тепло внаслідок процесу тертя і деформації на з'єднуються поверхнях. Температура в робочій зоні залежить від характеристик металу: його твердості, теплопровідності і теплоємності.

    Дотримання режиму технології УЗС дає зварювальний шов, рівний по своїй міцності основного металу.

Ультразвукове зварювання відмінно справляється з з'єднанням металів з низькою пластикою, металів з керамікою і склом. Тугоплавкі метали типу вольфраму або молібдену також легко зварюються УЗС. Можлива сварка з прошарком з третього металу, пластмас.

Контрольні питання.

1.На чому заснований метод ультразвукового зварювання?

2.Як впливає ультразвук на процес кристалізації в зварювальній ванні?

3.Поясніть процес зварювання фольги ультразвуковим зварюванням.

4.Як саме ультразвук впливає на структуру зварного шва?

5.Поясніть функцію хвильоводу.

6.Від чого залежить тривалість зварювального процесу?

7.Як починається процес ультразвукового зварювання?

8. Які матеріали можливо зварювати ультразвуком?