Возможности и особенности технологии ультразвуковой сварки для различных материалов

Согласно ГОСТ Р ИСО 857-1-2009, ультразвуковая сварка (УЗС) – «сварка давлением, при которой механические колебания высокой частоты и малой амплитуды и статическая сила формируют шов между двумя свариваемыми заготовками при температуре значительно ниже температуры плавления металла».

Простыми словами – для получения сварочного шва применяют давление на соединяемые заготовки и действие ультразвуковых колебаний специального оборудования. При этом происходит нагрев заготовок в контактной зоне, диффузия и образование молекулярных связей между поверхностями, кристаллизация и в результате прочное соединение.

Классификация УЗ-сварки

По ГОСТу:

• с подогревом опоры или наковальни, на которой выполняются работы;
• нагретым клином;
• нагретым мундштуком;
• в виде шляпки гвоздя, когда подаваемая через мундштук проволока (одна или несколько) плавится, и образуемая капля под давлением формируется в форме шляпки.

По степени автоматизации:

• ручная;
• механизированная;
• автоматизированная.

По способу использования энергии:

• односторонняя;
• двусторонняя.

По воздействию излучателя:

• импульсная (короткий импульс и дальнейшее передвижение волновода);
• непрерывная (постоянное действие и передвижение);

По затрачиваемой энергии:

• по величине осадки или зазора;
• по времени;
• по количеству кинетической энергии.

По способу подачи энергии в зону действия:

• контактная;
• передаточная.

Применяемое оборудование и инструменты

Оборудование для сварки ультразвуком разнообразно и для правильного выбора необходимо основываться на приведенной классификации, а также требований к готовому сварному изделию. Это могут быть:

• ручной инструмент;
• установки для непрерывного сварочного шва;
• ультразвуковые прессы;
• модули настольные и др.

Общие составные части оборудования следующие:

• генераторы или др. источники питания;
• наковальни или опоры;
• преобразователь электрических колебаний в механические (например, магнитострикционный);
• кронштейны для крепежа;
• управляющие части;
• сварочные наконечники рабочего инструмента и др. рабочий инструмент.

Выбор режимов управления оборудованием

Режимы управления и установка каждого параметра выбирается в зависимости от свойств материала, его толщины, требуемого шва (точечный, непрерывный) и последующей нагрузки на шов и др.

Основные регулируемые параметры:

• частота электрических колебаний;
• амплитуда колебаний наконечника и статистическое давление;
• усилие прижима наконечника к заготовке (в ручном приблизительное, а в прессе выставляется точно);
• продолжительность действия импульса;
• температура нагрева толстых заготовок, высоты расположения наконечника и т. д.

Для каждого нового типа соединения производят лабораторный подбор режимов и испытания качества сварного шва в зависимости от будущей эксплуатации изделия.

Технология УЗС для металлов

Соединение методом УЗС применяется для различных металлов и сплавов. Данный метод имеет широкие возможности в соединении не только однородных, но и разных материалов (соединение стальной пластины с керамической, проволоки и фольги и т. д.). Применяется в электронике, ювелирном, холодильном, автомобильном, аккумуляторном производствах и др.

Например, для сварки:

• пучков проводов и разъемов в автомобилях;
• деталей при производстве аккумуляторов, электродвигателей, батареек, солнечных батарей;
• трубопроводов в холодильниках, кондиционерах и т. д.

Схема операций технологического процесса:

• подготовка свариваемых поверхностей;
• сборка узлов;
• прихватка;
• сварка;
• правка.

Для сварного изделия разрабатывается технологический процесс. Каждый этап технологии для каждого изделия индивидуален.

Подготовка металлических свариваемых поверхностей

Для УЗС металлов эта операция может быть упрощена до визуального контроля. Не нужна тщательная механическая зачистка поверхностей, потому что:

1. С помощью воздействий высокочастотных колебаний происходит трение мельчайших частиц (оксидной пленки, примесей).
2. Повышение температуры в этой зоне контакта и трение стирает границы поверхностей и происходит образование однородной структуры.
3. Давление в зоне соединения прижимает поверхности и образует большую зону соприкосновения.

Основные регулируемые параметры оборудования УЗС металлов:

• амплитуда колебаний сварочного наконечника;
• время;
• сварочное давление.

Преимущества УЗС для металлов:

• экономия энергии;
• высокая производительность;
• отсутствие материалов для сварки;
• отсутствие высоких температур (в зоне сварки температура в среднем равна 4% от температуры плавления);
• экологичность;
• нет необходимости в защитной газовой среде;
• форма соединяемых поверхностей различна.

Недостатки данного метода сварки:

• ограничения по размерам заготовок;
• небольшая толщина свариваемых поверхностей;
• чувствительность к влаге.

Технология УЗС для пластмасс

Для УЗС пластмасс по сравнению с металлами не требуется нагрев до высоких температур и приложения больших усилий.

Применяется во многих производствах. Это УЗ-сварка:

• труб, плит, фасонных деталей;
• пленочных покрытий, упаковок;
• волокнистых нетканых материалов;
• материалов из синтетических волокон;
• искусственной кожи и др.

Технологический процесс сварки для пластмасс

Технология получения сварного шва у пластмасс значительно упрощается в отличие от технологии УЗС для металлов. Основное различие — в схеме ввода волновой энергии и одновременном механическом воздействии.

Основные этапы подключения оборудования:

1. Подключение генератора (частота от 20 000 Гц).
2. Подключение преобразователя для преобразования ультразвуковых колебаний генератора в механические продольные колебания.
3. Подключение волновода перпендикулярно сварному соединению.

Динамическое (повышение температуры) и статистическое (образование связей) воздействия направлены одинаково, но перпендикулярно сварному шву.

Подготовка пластиковых свариваемых поверхностей

Для УЗС пластмасс эта операция также может быть упрощена. Но некоторые поверхности перед сваркой могут после тщательной очистки обрабатываться растворителями (активизаторами) для разупрочнения поверхностного слоя.

При сварке жестких пластиков иногда на поверхности делаются выступы с углами при вершине 45-60 градусов, что повышает прочность и герметичность изделия.

Основные узлы специального оборудования УЗ-сварки пластмасс:

• рама;
• блок питания;
• ультразвуковой генератор;
• приводы для усилия;
• преобразователь электрических колебаний;
• сварочная головка, выбираемая в зависимости от материала, толщины и вида шва.

Преимущества УЗС для пластмасс:

• производительность;
• низкая себестоимость;
• герметичность швов на толстостенных заготовках;
• низкая температура;
• отсутствие электромагнитного излучения;
• совместимость нескольких операций технологического процесса (напыление, разрез и т. п.);
• применима к различным пластмассам;
• отсутствие дополнительных материалов, химикатов.
• эстетичность шва.

Недостатки данного метода сварки:

• подвод энергии с двух сторон из-за малой мощности излучателя;
• трудности при контроле сварного шва.