Ультразвуковая сварка металлов представляет собой процесс, в ходе которого получают неразъемное соединение в твердой фазе. Формирование ювенильных участков (в которых образуются связи) и контакт между ними происходят под воздействием специального инструмента. Он обеспечивает совместное действие относительных знакопеременных тангенциальных смещений небольшой амплитуды и сжимающей нормальной силы на заготовки. Рассмотрим далее подробнее, что собой представляет технология ультразвуковой сварки.
Механизм соединения
Малоамплитудные смещения происходят между деталями с ультразвуковой частотой. За счет них микронеровности на поверхности деталей подвергаются пластическому деформированию. Вместе с этим из зоны соединения эвакуируются загрязнения. Ультразвуковые механические колебания передаются к участку сварки от инструмента с внешней стороны заготовки. Весь процесс организуется таким образом, чтобы исключить проскальзывания приспособления и опоры по поверхностям деталей. В процессе прохождения колебаний сквозь заготовки происходит рассеивание энергии. Это обеспечивается внешним трением между поверхностями на начальной стадии сварки и внутренним трением в материале, располагающемся между опорой и инструментом после формирования участка схватывания. В соединении при этом повышается температура, что облегчает деформацию.
Специфика поведения материала
Тангенциальные перемещения между деталями и напряжения, которые вызываются ими и действуют вместе со сжатием от силы сварки, обеспечивают локализацию интенсивной пластической деформации в небольших объемах в приповерхностных слоях. Весь процесс сопровождается размельчением и механической эвакуацией оксидных пленок и прочих загрязнений. Сварка ультразвуковая обеспечивает снижение предела текучести, благодаря чему облегчается пластическая деформация.
Особенности процесса
Сварка ультразвуковая способствует формированию необходимых условий для соединения. Это обеспечивается за счет механических колебаний преобразователя. Благодаря энергии вибрации создаются сложные напряжения среза, сжатия и напряжения. Пластическая деформация возникает при превышении пределов упругости материалов. Получение прочного соединения обеспечивается за счет увеличения площади непосредственного соприкосновения после эвакуации поверхностных оксидов, органических и адсорбированных пленок.
Применение УЗ
Ультразвук широко используется в научной сфере. С его помощью ученые исследуют ряд физических свойств веществ и явлений. В промышленности ультразвук применяется для обезжиривания и очистки изделий, работы с труднообрабатываемыми материалами. Кроме этого, колебания благоприятно воздействуют на кристаллизующиеся расплавы. Ультразвук обеспечивает в них дегазацию и измельчение зерна, повышение механических свойств литых материалов. Колебания способствуют снятию остаточных напряжений. Они также широко применяются для увеличения скорости медленно протекающих химических реакций. Сварка ультразвуковая может использоваться в разных целях. Колебания могут стать источником энергии для образования шовных и точечных соединений. При воздействии ультразвука на сварочную ванную при кристаллизации улучшаются механические свойства соединения за счет измельчения структуры шва и интенсивному удалению газов. За счет того, что колебания активно удаляют загрязнения, искусственные и естественные пленки, соединять можно детали, с окисленной, лакированной и пр. поверхностью. Ультразвук способствует уменьшению или устранению собственных напряжений, появляющихся при сварке. За счет колебаний можно стабилизировать составляющие структуру соединения. Это, в свою очередь, позволяет предотвратить вероятность самопроизвольной деформации конструкций впоследствии. Ультразвуковая сварка находит в последнее время все более широкое применение. Это обусловлено несомненными преимуществами этого способа соединения в сравнении с холодным и контактным методами. Особенно часто используются УЗ колебания в микроэлектронике.
Мощность УЗ
Ультразвуковая сварка пластика обеспечивает неразъемное соединение за счет совместного действия высокочастотных механических колебаний и сравнительно небольшой сдавливающей силы. Этот метод имеет много общего с холодным способом. Мощность УЗ, которую можно передать через среду, будет зависеть от физических свойств последней. При превышении пределов прочности в зонах сжатия, твердый материал разрушится. В аналогичных ситуациях в жидкостях возникает кавитация, сопровождающаяся появлением мелких пузырьков и их последующим захлопыванием. Вместе с последним процессом возникают местные давления. Такое явление используется при очистке и обработке изделий.
Узлы устройств
Ультразвуковая сварка пластика осуществляется с использованием специальных машин. В них присутствуют следующие узлы:
- Источник питания.
- Колебательная механическая система.
- Аппаратура управления.
- Привод давления.
Колебательная система используется для преобразования электроэнергии в механическую для последующей ее передачи на участок соединения, концентрирования ее и получения требуемой величины скорости излучателя. В этом узле присутствуют:
- Электромеханический преобразователь с обмотками. Он заключен в металлический корпус и охлаждается водой.
- Трансформатор упругих колебаний.
- Сварочный наконечник.
- Опора с механизмом давления.
Крепление системы осуществляется с помощью диафрагмы. Излучение ультразвука происходит только в момент сварки. Процесс происходит под воздействием колебаний, давления, приложенного под прямым углом к поверхности, и теплового эффекта.
Возможности метода
Сварка ультразвуковая наиболее эффективна для пластичного сырья. Изделия из меди, никеля, золота, серебра и пр. могут соединяться как друг с другом, так и с другими малопластичными изделиями. С повышением твердости свариваемость ультразвуком ухудшается. Эффективно соединяются с помощью УЗ тугоплавкие изделия из вольфрама, ниобия, циркония, тантала, молибдена. Ультразвуковая сварка полимеров считается относительно новым способом. Такие изделия могут также соединяться как друг с другом, так и с другими твердыми деталями. Что касается металла, то его можно соединять со стеклом, полупроводниками, керамикой. Связывать заготовки можно и через прослойку. К примеру, стальные изделия сваривают друг с другом через алюминиевую пластику. За счет кратковременности пребывания под повышенной температурой получается высококачественное соединение разнородных изделий. Свойства сырья подвергается незначительным изменениям. Отсутствие посторонних примесей – одно из преимуществ, которым обладает ультразвуковая сварка. Вредные факторы для человека также отсутствуют. При соединении создаются благоприятные гигиенические условия. Связи изделий отличаются химической однородностью.
Особенности соединения
Сварка металла осуществляется, как правило, нахлесточным способом. При этом добавляется различное конструктивное оформление элементов. Сварка может осуществляться точками (одной или несколькими), непрерывным швом либо по замкнутому кругу. В некоторых случаях при предварительной формовке конца заготовки из проволоки производится тавровое соединение ее с плоскостью. Можно осуществлять ультразвуковую сварку нескольких материалов одновременно (пакетом).
Толщина деталей
Она ограничена верхним пределом. При увеличении толщины металлической заготовки нужно применять колебания с большей амплитудой. Это позволит компенсировать потерю энергии. Увеличение амплитуды, в свою очередь, возможно до определенного предела. Ограничения связаны с вероятностью возникновения усталостных трещин, больших вмятин от инструмента. В таких случаях следует оценить, насколько целесообразна будет ультразвуковая сварка. На практике метод используется при толщине изделий от 3…4 мкм до 05…1 мм. Сварка может использоваться и для деталей с диаметром 0.01…05 мм. Толщина второго изделия может быть существенно больше первого.
Возможные проблемы
При применении метода ультразвуковой сварки необходимо учесть вероятность усталостного разрушения имеющихся соединений в изделиях. Во время процесса заготовки могут разворачиваться относительно друг друга. Как выше было сказано, на поверхности материала от инструмента остаются вмятины. Само устройство отличается ограниченным сроком службы, что обусловлено эрозией его рабочей плоскости. В отдельных точках материал изделия приваривается к инструменту. Это приводит к износу устройства. Ремонт оборудования сопровождается рядом сложностей. Они связаны с тем, что сам инструмент выступает как элемент неразборной единой конструкции узла, конфигурация и размеры которого рассчитаны точно на рабочую частоту.
Подготовка изделий и параметры режима
Перед выполнением ультразвуковой сварки каких-либо сложных мероприятий с поверхностью деталей осуществлять не нужно. При желании можно повысить стабильность качества соединения. Для этого целесообразно только обезжирить изделие растворителем. Для соединения пластичных металлов оптимальным считается цикл с запаздыванием импульса относительно момента запуска ультразвука. При сравнительно высокой твердости изделия целесообразно дождаться небольшого нагрева, прежде чем включать УЗ.
Схемы сварки
Их существует несколько. Технологические схемы УЗ сварки отличаются по характеру колебания инструмента. Они могут быть крутильными, изгибными, продольными. Также схемы различают в зависимости от пространственного положения устройства относительно поверхности свариваемой детали, а также по способу передачи сжимающих сил на изделия и конструктивными особенностями опорного элемента. Для контурного, шовного и точечного соединения используются варианты с изгибными и продольными колебаниями. Ультразвуковое воздействие может сочетаться с локальным импульсным нагревом деталей от отдельного теплового источника. В этом случае можно достичь ряда преимуществ. В первую очередь можно уменьшить амплитуду колебаний, а также силу и время их пропускания. Энергетические свойства теплового импульса и периода его наложения на ультразвук выступают как дополнительные параметры процесса.
Тепловой эффект
Ультразвуковая сварка сопровождается повышением температуры на участке соединения. Возникновение тепла обуславливается появлением трения на поверхностях контактирующих изделий, а также пластическими деформациями. Они, собственно, сопровождают формирование сварного соединения. Температура на контактном участке будет зависеть от прочностных параметров. Главным из них считается степень твердости материала. Кроме того, немалое значение имеют его теплофизические свойства: теплопроводность и теплоемкость. На температурный уровень влияет и выбранный режим сварки. Как показывает практика, появляющийся тепловой эффект не выступает как определяющее условие. Это обуславливается тем, что максимальная прочность соединений в изделиях достигается раньше, чем температура повышается до предельного уровня. Уменьшить продолжительность пропускания ультразвуковых колебаний можно, предварительно проведя подогрев деталей. Это также будет способствовать усилению прочности соединения.
Заключение
Ультразвуковая сварка в настоящее время в некоторых промышленных отраслях является незаменимым методом соединения деталей. Особенно распространен этот способ в микроэлектронике. УЗ позволяет соединять самые разные пластичные и твердые материалы. Сегодня активно ведется научная работа по усовершенствованию инструментов и технологий сварки.
