Ультразвуковая сварка: оборудование, схема, технология

Содержание

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.


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.

Плюсы и минусы сварки ультразвуком


Процесс ультразвуковой сварки металлов отмечается рядом преимуществ. К их числу можно отнести такие аспекты:

  • УЗ-сварка помогает соединять тонкие детали вместе с конструкциями, изготовленными из более плотного материала;
  • возможно проведение сварочных работ по присоединению элементов, изготовленных из разных материалов;
  • сварка ультразвуком помогает в производстве изделий, обладающих высоким уровнем тепловой и электрической проводимости;
  • при проведении сварочных работ при помощи ультразвука не используется тепло – свариваемые детали соединяются друг с другом без плавления поверхности;
  • энергия, расходуемая в процессе сварки, используется более экономно;
  • сварка ведётся без использования присадочных материалов и не требует создания особой атмосферы в месте, где будут идти работы;
  • перед ультразвуковой сваркой металлические конструкции не нужно предварительно очищать.

Впрочем, у сварки металлических деталей с помощью ультразвука, есть и свои недостатки. Самый главный из них – возникающие сложности при работе с конструкциями, изготовленными из материалов, которые обладают высокой проводимостью тепла. Также к минусам УЗ-сварки стоит отнести немалую стоимость необходимого для неё оборудования, которое к тому же нуждается в особо тщательном уходе.

В итоге, становится очевидно, что ультразвуковая сварка способна обеспечивать столь же высокопрочное и надёжное соединение металлических деталей, которое достигается при обычном способе сваривания. Преимущества сварки металлов ультразвуком очевидны. Она не только помогает грамотно расходовать энергию, затрачиваемую на сварочный процесс, но и позволяет работать с конструкциями, обладающими разной толщиной и изготовленными из различных материалов. Несмотря на то, что процесс УЗ-сварки сопровождают некоторые недостатки, к нему рекомендуется прибегнуть для получения прочно сваренных металлических деталей.

Ультразвуковая сварка металлов и ее разновидности

При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Этим способом обеспечивается получение высоконадежных соединений, исключается общий разогрев изделия, можно соединять трудно свариваемые обычными методами сочетания материалов и т п.
Для получения механических колебаний высокой частоты обычно используется магнитострикционный эффект, состоящий в изменении размеров некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля Для ультразвуковых преобразователей обычно используют чистый никель или железо-кобальтовые сплавы Для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний используют волноводы или концентраторы, которые в большинстве случаев имеют форму усеченного конуса Для сварки металлов достаточно иметь волноводы с коэффициентом усиления около 5, при этом амплитуда колебаний на конце волновода при холостом ходе должна быть 20. . .30 мкм.

Применяется несколько видов ультразвуковой сварки. Основной узел машины для выполнения точечных соединений с помощью ультразвука — магнитострикционный преобразователь (рис. 1) . Его обмотка питается током высокой частоты от ультразвукового генератора Охлаждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 изготовлен из пермендюра (К49Ф2), он служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания, которые передаются волноводу 7. На конце волновода имеется рабочий выступ 5. При сварке изделие 4 зажимают между рабочим выступом 5 и механизмом нажатия 3, к которому прикладывают усилие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод 7 на рабочий выступ 5 в виде горизонтальных механических перемещений высокой частоты Длительность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины, при малых толщинах она исчисляется долями секунды.

Схема установки для точечной сварки ультразвуком

Рис. 1. Схема установки для точечной сварки ультразвуком: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — диафрагма; 3 — механизм нажатия; 4 — изделие; 5 — выступ; 6 — маятниковая опора; 7 — волновод; 8 — кожух водяного охлаждения

Основные узлы машины для выполнения шовных соединений при помощи ультразвука (рис. 2): вращающийся магнитострикционный преобразователь 1 и волновод 3. Конец волновода имеет форму ролика 4. Детали 6, подлежащие соединению, зажимают между вращающимся роликом 4 волновода и холостым роликом 5. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на ролик, который вращается вместе с волноводом. Изделие, зажатое между роликами, перемещается между ними, одновременно создается герметичное соединение.

Схема установки для роликовой сварки ультразвуком

Рис. 2. Схема установки для роликовой сварки ультразвуком: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — подвод тока от ультразвукового генератора; 3 — волновод; 4 — сваривающий ролик; 5 — прижимной ролик; 6 — изделие; 7 — кожух преобразователя; 8 — привод

Сварка по контуру обеспечивает получение герметичного шва самых сложных контуров. Простейший ее вид — сварка по кольцу.

Рис. 3. Схема установки для ультразвуковой сварки по контуру: 1 — волновод; 2 — сменный полый штифт; 3 — свариваемое изделие; 4 — сменный прижимной штифт; 5 — прижимная опора

В этом случае в волновод вставляется конический штифт, имеющий форму трубки (рис. 3). При равномерном прижатии деталей к сваривающему штифту получается герметичное соединение по всему контуру

Читайте также:  Сверло для высверливания точечной сварки

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.

Сущность ультразвуковой сварки

При УЗС металлов, необходимые условия для образования сварного соединения происходят под воздействие ультразвуковых волн, преображённых в механические колебания. Энергия вибрации формирует сложные растягивающие и сжимающие напряжения, а также напряжения среза.

Когда напряжения превысят предел упругости свариваемых материалов, на плоскости их контакта происходит пластическая деформация. Под воздействие ультразвука и пластической деформации, поверхностные оксидные плёнки разрушаются и удаляются с поверхности, после чего образуется сварное соединение.

При этом, повышение температуры в зоне сварки не оказывает существенного влияния на процесс сваривания. При ультразвуковой сварке структура и свойства свариваемых металлов изменяются незначительно.

Основные схемы процесса сварки ультразвуком

Ультразвуковая сварка выполняется на специальных установках, в которых встроен генератор электромагнитных волн высокой частоты. Также в установке имеется механическая колебательная система, аппаратура управления процессом сварки и привод, создающий давление на сварное соединение. Основные схемы установок для ультразвуковой сварки металлов представлены на рисунке:

Схемы процесса ультразвуковой сварки

Трансформирование электромагнитных волн в механические колебания и подача их в зону сварки осуществляется с помощью колебательной системы. Основным узлом колебательных систем (см. рисунок) является преобразователь (поз.1). Преобразователь производит механические колебания. При помощи волноводного звена (поз. 2) происходит передача энергии к сварочному наконечнику и увеличивается амплитуда колебаний, по сравнение с амплитудой исходных волн преобразователя. Кроме этого, преобразователь трансформирует сопротивление нагрузки и концентрирует энергию в заданной области сварного соединения (поз. 5).

При помощи акустической развязки (поз. 3) от корпуса машины, почти вся энергия механических колебаний преобразовывается и концентрируется на участке контакта. Сварочный наконечник (поз. 4) является проводным волноводным звеном между нагрузкой и колебательной системой. При помощи него задаётся необходимая площадь и объём непосредственного источника ультразвуковых колебаний в зоне сварки.

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.

Сварка жестких пластмасс

Сварка полистирола, сополимеров стирола, полиметилметакрилата, капролона, поликарбоната и других полимеров, имеющих высокий модуль упругости и низкий коэффициент затухания, широко применяется при изготовлении различных объемных деталей и конструкций: от контейнеров и сосудов до товаров народного потребления (спортивных изделий и игрушек). В этом случае ультразвуковая сварка позволяет значительно снизить трудоемкость процесса, увеличить производительность труда, повысить культуру производства и освободиться от применения токсичных клеев, вредных для здоровья человека.

В зависимости от формы изделия и материала может применяться контактная и передаточная сварка или комбинация этих способов. При передаточной сварке нет необходимости разогревать весь объем материала. Сварной шов получается в результате расплавления полимера в зоне контакта деталей. Ясно, что в процессе сварки следует стремиться к концентрации энергии ультразвуковых колебаний непосредственно на стыкуемых поверхностях. Изменением геометрии свариваемых деталей можно концентрировать энергию ультразвуковых колебаний в том или ином сочетании, что позволяет ускорить процесс сварки.

Рекомендуются разнообразные формы и размеры стыков деталей под ультразвуковую сварку в зависимости от конкретных изделий и материалов, но наиболее распространенной является V — образная разделка кромок, которая проста в изготовлении и дает хорошие показатели прочности сварных соединений. Наиболее эффективным углом при вершине V — образного выступа является угол 90°, при котором обеспечивается минимальная площадь контакта деталей перед сваркой.

Малогабаритные детали несложной формы свариваются за один контакт волновода с изделием, причем волновод устанавливается перпендикулярно к свариваемым поверхностям, по оси симметрии. если деталь сложная и длина сварного шва значительная, то количество точек и место введения ультразвуковых колебаний определяется экспериментально. В зависимости от формы литьевого изделия для сварки могут быть использованы волноводы с плоской или фигурной рабочей поверхностью. В последнем случае рабочий торец волновода прилегает к поверхности свариваемых деталей, копируя ее форму. Это необходимо в том случае, когда нужно получить герметичный шов.

Для фиксации деталей могут применяться различные удерживающие устройства: опоры гнездообразные, сферические и т.д. Оптимальный режим сварки: время 3 с; амплитуда 40-40 мкм; усилие сжатия 50-150 Н; частота 22 кГц.

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.

Как образуется шов?

аппарат для ультразвуковой сварки

Работа с металлом не похожа на сварку ультразвуком. Для второй не понадобятся привычные по работе с металлом расходные материалы (проволока, стержни электродов и пр.) и высокое температурное воздействие.

Зато потребуются механическое влияние на место формирования шва и энергия ультразвуковых колебаний.

Образование колебаний начинается с подсоединения генератора к ультразвуковому сварочному аппарату для пластмассы. Преобразователь трансформирует колебания одного вида в другие (ультразвуковые в механические).

Следом происходит подключение колеблющегося параллельно будущем шву волновода.

Он позволяет локально сфокусировать энергию в конкретной точке и создаёт два типа давлений: статическое и динамическое. Они приложены к детали под углом в 90°, и у каждого из них своя роль.

Первое отвечает за получение прочного шва, а второе — за достижение уровня температуры, оптимальной для работы с разными типами пластика и пластмасс.

Технически, возможности этого метода позволяют скреплять пластмассу с деталями различного состава, главное условие — чтобы материал выдерживал воздействие ультразвука.

В теории возможно соединение пластмассы с металлом, несмотря на разницу их температур плавления.

Работа с металлическими деталями

Высокой эффективностью отличается применение ультразвуковой сварки к деталям небольших размеров. Особенно удачно применяют метод в микроэлектронике и приборостроении.

Читайте также:  Длина шлангов для газовой резки и сварки – рукав кислородный

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.

УЗ установки сварки

Ультразвуковые установки для сварки полимерных изделий.

разрабатывает и поставляет серийные и не стандартные (по техническому заданию покупателя) ручные, полуавтоматические и автоматические установки с использованием ультразвуковых колебаний с целью получения неразъемного соединения- низкотемпературной ультразвуковой сварки. С учетом требуемых характеристик по сварке (материал и его толщина, вид и размер шва) подбираются: генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты, регулятор выходной мощности с таймером, пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система и рабочий инструмент. Нижеуказанные компактные полуавтоматические УЗ установки широко применяются в медицине и науке, в быту и производстве, в упаковочной, пищевой, химической отраслях. предлагает надежные и с длительным сроком непрерывной эксплуатации УЗ установки:
— напольная ультразвуковая установка для приварки резинок к маскам. Напольная установка со смонтированным устройством для точечной приварки резинок или других медицинских изделий;

— установка ультразвуковой непрерывной или пошаговой сварки полимерных изделий. Применяется при сварке листовых термопластичных пленок и материалов на весу методом перехвата, а также при сварке конструкционных изделий и листов. Комплектуется механизмом прижима – перемещения установки.

— установка ультразвуковой точечной или непрерывной сварки. Служит для соединения листовых синтетических, тканевых и полимерных материалов методом низкотемпературной УЗ сварки;

— ультразвуковая установка сварки заклепками. Используется для декоративного и надежного соединения листовых термопластичных полимерных материалов;

— ультразвуковая установка сварки кольцевым швом. Установки применяются для герметичного соединения кольцевым швом различной ширины при изготовлении изделий имеющих составные цилиндрические поверхности. Диаметр рабочего инструмента от 15 до 100 мм.;

— ультразвуковая установка сварки продольным швом шаговым или непрерывным методом. Предназначена для формирования сварных швов рабочим инструментом с длиной от 50 до 365 мм. и шириной до 13 мм. при соединении листовых и конструкционных изделий;

— ультразвуковая установка для сварки георешеток. Благодаря длинному рабочему инструменту (до 550 мм.) и ширине шва до 12 мм., успешно применяется при изготовлении и ремонте георешеток, конструкций, герметичной запайке пакетов, сварке пленки;

— ультразвуковая настольная установка для сварки встык лент. Установка предназначена для обработки полимерных лент, сварки встык, разглаживания концов и обеспечивает надежное соединение с высоким коэффициентом прочности на разрыв. Для удобства в работе комплектуется станиной и штативом в сборе для вертикального перемещения.

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.

Преимущества и недостатки

Плюсы использования ультразвука вместо дуги или газовой горелки:

  • нет аэрозольных выделений из ванны расплава;
  • не нужно применять флюсы, создавать защитную атмосферу;
  • высокая точность и тонкость линии шва;
  • отсутствие расходных материалов;
  • не нужно заниматься подготовкой поверхности, ее очисткой;
  • не возникает внутренних напряжений, термодеформации;
  • варить можно в любом положении;
  • позволяет получать разнородные сочинения металлов и неметаллов;
  • применим для тонких изделий от 3 мкм;
  • можно получать линейные и точечные соединения встык, внахлест, тавровые.

К минусам относят невозможность соединения толстостенных элементов, сложность оборудования. Для работы на нем нужна практика.

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.

Характеристика метода

Сварка ультразвуком — это метод создания неразъемных соединений. Во время этой технологии генератором производится замена электрических колебаний с определенным показателем частоты на механические колебания аппарата. Показатели электрических колебаний ультразвука могут быть около 30 кГц.

Специфика данного процесса состоит в направлении теплового воздействия. УЗС имеет некоторые отличия от классических методов сваривания, которые состоят в произведении нагревания контактирующих областей деталей. Ее часто используют для разнородных металлов. Это единственный метод сваривания, который может применяться для соединения ряда полимерных материалов.

Специфика процесса

Задача любой сварки — надежное соединение материалов. При нагревании участков молекулы заготовок переходят в возбужденное состояние, сопровождающееся увеличением расстояния между ними. Здесь может происходить рекомбинация связей составных элементов. Как выполнить это с наименьшими потерями материала, быстро и качественно? Тут без ультразвуковой сварки обойтись сложно.

У/З волна направленного действия попадает в предполагаемое место стыка деталей. Под ее воздействием происходит ранее описанный процесс — возбуждение молекул. Достаточно сблизить заготовки, чтобы процесс их слияния стал неизбежным.

Постскриптум

После прочтения этой статьи не вызывает сомнений тот факт, что сварка ультразвуком пластмасс представляет собой высокотехнологичный процесс скрепления полимерных материалов.

Эффективность её (особенно при использовании механического управления процессом) обуславливает высокое качество шва, которое не стоит рядом с другими способами соединения деталей.

Никто не отменяет того факта, что для выполнения соединений идеального качества необходимо много тренироваться.

Представляется возможным интуитивное выполнение работ, когда практикующий мастер на основании опыта осознает, где и каким образом необходимо совершить то или иное действие.

Однако даже длительно работающим сварщикам иногда приходится совершать ошибки в этом деле, после которых их работа приобретает действительно профессиональный характер.

Всем начинающим мастерам рекомендуется хотя бы попробовать выполнить соединения посредством ультразвуковой сварки.

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.

Читайте также:  Тележка для полуавтомата с баллоном своими руками

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

Сварка искусственных кож

Искусственные кожи (ИК) получают нанесением полимерного материала на тканую основу из натуральных или синтетических волокон.

Из всего ассортимента выпускаемых, выпускаемых в настоящее время ИК, 70% составляют кожи с поливинилхлоридным (ПВХ)-покрытием. ПВХ-покрытие является многокомпонентной системой, включающей добавки стабилизаторов, пластификаторов, наполнителей, модификаторов и других компонентов, введение которых позволяет значительно изменить свойства полимера. Так, в зависимости от вида и количества пластификаторов температура текучести ПВХ-покрытия находится в интервале от 370 до 440 К.

Ультразвуковой сваркой можно успешно сваривать ИК через нетермопластичные листовые или пленочные подложки из материала, совместного с материалом покрытия ИК, а также при наличии промежуточного слоя, например, из пенополиуретана (ППУ), между слоями ИК или ИК и подложкой. При изготовлении элементов отделки салонов транспортных средств интерьеров возникает необходимость соединять ИК и ПВХ — подложкой через промежуточный слой ППУ.

На прочность сварных соединений ИК и стабильность механических свойств большое влияние оказывает схема управления процессом сварки. лучшие результаты достигаются при сварке с ограничением толщины шва в пределах 0,7-0,9 от суммарной толщины покрытий или покрытия и ПВХ — подложны. При испытаниях сварных соединений на расслаивание разрушение происходит путем отслаивания покрытия от основы.

Особенности сваривания полимеров с использованием ультразвука

Наиболее широкий спектр использования у ультразвуковой сварки полимеров. К ее достоинствам следует отнести невозможность перегрева материалов, способность соединять кромки в местах с трудным доступом и изделий, имеющих инородные покрытия. Помимо этого сварка ультразвуком способствует обработке материалов, обладающие небольшим интервалом в ходе кристаллизации.

Принцип работы оборудования для ультразвуковой сварки пленок полимеров следующий. Свариваемые листы накладываются друг на друга и сильно прижимаются к опоре. К ним с требуемым усилием подводится сварочный инструмент, имеющий соединение с устройством преобразования ультразвука. Оно приводится к действию с включением генератора. От напряжения, действующего с частотой ультразвука, растет полимерная эластичность. Причем в сварке тонколистных пленок она распространяется на весь объем детали между опорой и инструментом, а у изделий с большими толщинами – только на зону контакта свариваемых кромок. Для лучшего сцепления при соединеии крупных заготовок на их кромки могут специально наноситься неровности.

В начале ультразвуковой сварки пластмасс происходит физическое взаимодействие поверхностей с активацией молекул полимера из-за разрывания химических связей. Следующим этапом служит химическое реагирование свариваемых материалов между собой, которое переходит впоследствии во взаимное проникновение. Деформации полимерных материалов под действием частоты ультразвуках провоцируют их нагревание до температуры, необходимой для кристаллического расплавления либо перехода пластмассы в вязкотекучее состояние. Одновременно начинается диффузный процесс отдельных частей макромолекулы с перемешиванием вязкотекучих составов соединяемых полимеров. Свариваемость материала определяется размерами таких частей, чем они больше, тем лучше качество сварного шва. Прочность получаемого соединения определяется как физико-механическими характеристиками объектов сварки, так и возможностями аппарата ультразвуковой сварки.

Необходимые предпосылки для формирования качественного сварного шва создаются под действием механики колебаний ультразвукового преобразователя. Полученная таким образом энергия вибрации образует напряжения среза и сжатия (растяжения), которые способствуют превышению предельной упругости полимеров. При ее достижении, в районе соприкосновения соединяемых пластмасс образуется пластическая деформация. Ее результатом, а также влияния ультразвуковых колебаний, служит расширение областей непосредственного контакта с одновременным удалением с них газов, поверхностных окислов, органических и жидкостных пленок. Все это содействует прочности образуемого шва.

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.

Понятие и определение ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка (УЗС) — эти вид сварки давлением, который происходит под воздействием ультразвуковых колебаний (ГОСТ 2601, СЭВ 5277).

Неразъёмное соединение под воздействием ультразвуковых волн образуется в процессе сжатия свариваемых деталей, которое происходит при относительно небольшом усилии (порядка нескольких единиц ньютона, или даже десятых долей ньютона при соединении элементов микросхем и порядка 104Н при сварке толстых листом). Одновременно с приложенным усилием, на соединяемые детали воздействуют механические колебания с частотой 15-80 кГц.

Краткая теория

Основным источником энергии при ультразвуковом сваривании являются колебания ультразвуковых волн. Этот принцип позволяет сваривать между собой как металл, так и пластик, различные ткани и кожу, а также соединения металла со стеклом.

Её используют вместе с точечной, контактной и шовной видами.

Любопытный факт: внедрение в производство оборудования для ультразвукового сваривания в 60-е годы XX века помогло успешно завершить проект по свариванию и выпуску автомобиля, полностью сделанного из пластика.

Для универсальной сварки применяют различное специальное оборудование.

Предпочтение отдают универсальному оборудованию по типу «швейной машинки» для непрерывной ультразвуковой сварки различных синтетических изделий, например, брезента. Тема оборудования детально будет рассмотрена позже.

Виды УЗС

Данная методика включает в себя несколько направлений. Они отличаются видом оборудования, способом применения ультразвука и пр.

Прерывная и непрерывная

Непрерывная технология предполагает безостановочное движение рабочего органа вдоль области соединения с неизменной скоростью и постоянным воздействием ультразвука. Образуется сплошной герметичный шов, востребованный, например, при изготовлении надувных изделий или пластиковой упаковки.

В прерывистом методе рабочий орган тоже движется равномерно, но звук излучается короткими импульсами.

Точечная сварка

Выставив излучатель в нужную позицию, производят импульс. Затем смещают рабочий орган на некоторый шаг, прижимают к деталям и снова активируют ультразвуковой генератор.

Точечная сварка
Точечная сварка устанавливается в нужную позицию.

Точечная сварка позволяет быстро выполнить соединение на большой площади. Расстояние между точками определяется требуемой прочностью шва.

Роликовая сварка

Используется автоматизированное оборудование. Детали перемещаются между роликами, один из которых является излучателем.


Для роликовой сварки используют автоматизированное оборудование.

Данный способ обеспечивает высокие точность и качество соединения.

Сварка по контуру

Детали соединяют по замкнутой линии любой конфигурации. По способу подачи энергии различают 2 разновидности сварки:

  1. Контактную. Предполагает равномерное распределение импульса по всему поперечному сечению заготовки. Метод используют для соединения внахлест пленок и деталей толщиной до 1,5 мм из мягкой пластмассы.
  2. Передаточную. Применяют для соединения жесткого пластика с высокими модулем упругости и коэффициентом затухания ультразвуковых колебаний. Импульс генерируется в нескольких точках.

Сварка по контуру
Детали соединяют по контуру любой конфигурации.

Источники

  • https://santehno96.ru/delaj-sam/stanok-ultrazvukovoj-svarki.html
  • https://MetEkspert.ru/oborudovanie/svarka-ultrazvukom.html
  • https://LedModa.ru/samodelki/ultrazvukovoj-svarochnyj-apparat.html
  • https://BurForum.ru/svarka/ultrazvukovaya-plastmass-oborudovanie-2.html
  • https://WikiMetall.ru/metalloobrabotka/svarka-ultrazvukovaya.html
  • https://armatool.ru/ultrazvukovaa-svarkaoborudovanie-shema-tehnologia/
  • https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/ul-trazvukovaya-svarka.html

[свернуть]
Ссылка на основную публикацию