Установка ультразвуковой и термозвуковой сваркиES-4029(тонкой золотой и алюминиевой проволокой)

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.

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.

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.

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

Это интересно: Как использовать фен для сварки пластика — краткая инструкция

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.

Сравнение ультразвуковой и лазерной сварки

Литий-ионные аккумуляторы бывают различных форм и размеров. Существует множество вариантов соединения элементов, как друг с другом, так и с электроникой автомобиля. В автомобильной индустрии очень важно использовать надежные соединения, которые подойдут для массового производства, а также будут экономически выгодными.
Компании по производству сварочного оборудования представляют широкий спектр решений для аккумуляторных батарей. Чаще всего в электромобилях используется 2 основных метода соединения: Ультразвуковая и лазерная сварка.

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.

Применение сварки ультразвуком

Данный метод создания неразъемных соединений используется при производстве:

1. Деталей и схем электроники. Формируют полупроводниковые p-n переходы, подсоединяют выводы микросхем и т.д.
2. Игрушек.
3. Упаковки.
4. Товаров широкого потребления с тонкостенными элементами. Например, с помощью УЗС изготавливают оправы очков.
5. Аккумуляторов, батареек.
6. Фреонопроводов в холодильных камерах.
7. Медицинских изделий.
8. Автомобильных узлов.

Также данный метод применяют для устройства электрических и теплопроводных соединений.

Возможности ультразвуковых волн

Метод позволяет соединять заготовки из следующих материалов:

• металлов;
• пластмассы;
• стекла;
• ткани;
• кожи;
• керамики;
• композитов.

Метод позволяет соединять пластмассу.
Минимальная толщина изделия составляет 1 мкм. Например, в микроэлектронике методами УЗС к проволоке приваривают фольгу.

Ультразвук позволяет соединять разнородные материалы, например металл и стекло. Распространяясь по изделию, волны проникают в любые места, в т.ч. наиболее труднодоступные.

Установленные ограничения

Соединяют заготовки со следующими параметрами:

1. Толщиной до 1,5-2 мм.
2. Размерами не более 25-30 см.

Ограничения обусловлены затуханием звуковых колебаний в материале. Применение метода для соединения крупногабаритных заготовок является экономически нецелесообразным из-за непропорционального увеличения мощности оборудования.

Прочность получаемых швов

Сопротивление разрыву в зоне соединения достигает 70% величины, свойственной основному материалу. Для этого следует подобрать оптимальные параметры процесса.

Для образования соединения требуется около четверти секунды.

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.

Регулируемые параметры

Применение ультразвуковой сварки для различных материалов возможно при правильной настройке оборудования, регулировании силовой нагрузки. Настройка производится экспериментальным путем. В лабораториях разработаны настроечные таблицы, по ним ориентируются при выборе настроек, определении технологического режима. Основные регулируемые параметры ультразвукового сварочного оборудования:

• амплитуда излучения импульсов волноводом (сварочным наконечником), от нее зависит степень взаимодиффузии соединяемых материалов;
• продолжительность импульса, влияет на скорость создания швов;
• статическая нагрузка, в автоматах регулируется механическое давление пресса, на ручных аппаратах степень нажима определяется опытным путем;
• частота электроколебаний, от нее зависит сила давления волновода.

К дополнительным настройкам, влияющим на режим сварки, относятся:

• температура дополнительного разогрева деталей (зависит от материала, формы, фактуры);
• высота наконечника;
• степень зажима соединяемых элементов.

При выборе режима работы сварщики ориентируются на личный опыт. Начинающим придется пройти путь проб и ошибок, прежде чем браться за ответственные соединения, например сборку полипропиленового водовода.

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.

Коротко об установках

Оборудование для ультразвуковой сварки состоит из следующих узлов:

• генератор электрических колебаний;
• акустический узел с волноводом;
• прессовый механизм;
• контролирующая процесс аппаратура.

В самостоятельном изготовлении устройства нет необходимости, и на то есть ряд причин. Первая и основная — создание машины потребует множества математических и физических расчетов. Минимальное отклонение приведет к появлению резонанса в месте контакта деталей, что снизит качество сварного соединения.

Разновидности УЗС

Сварка ультразвуком классифицируется по ряду критериев. Первый — способ передачи энергии. Так выделяют:

• контактную;
• передаточную сварку.

Первая обычно используется для соединения мягких пластмасс, пленок, синтетики толщиной до 5 мм. Наиболее распространенный метод сварки — внахлест.

Вторая применима при обработке жестких пластмасс (полистирол, капрон и т.п.). Соединение — стыковое.

Другими критериями классификации УЗС являются:

• способ перемещения волновода (прессовая — за одно короткое движение элемента; непрерывная — за продолжительное воздействие на участок сварки);
• способ дозировки вводимой механической энергии (с фиксацией времени воздействия у/з импульса, осадкой либо зазором). Особенности сварочного оборудования

В отличие от ручной или полуавтоматической работы, где можно использовать разные типы электродов или проволок, а также изменять другие параметры процесса, в оборудовании для ультразвуковой сварки все рассчитано до мелочей. Процесс протекает следующим образом:

• генератор создает электрический импульс;
• колебания преобразуются в высокочастотную звуковую волну;
• волна передается через волновод к месту соединения деталей;
• здесь она создает резонанс;
• смещение материалов друг к другу приводит к их мгновенному соединению.

В зависимости от физических характеристик соединяемых материалов подбирается частота колебаний. Далее — некоторые примеры установок.

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.

Применение ультразвуковой сварки в промышленности

Вид сварки ультразвуком используют для сварки фольги, проволоки, тонких листов и других элементов. От других видов сварки его выгодно отличает возможность сваривания разнородных и термочувствительных материалов, ведь процесс может происходить без нагрева, или при минимальном нагреве.

Ультразвуковую сварку широко используют в таких областях промышленности, как производство микросхем, полупроводников, микроприборов, микроэлементов для электроники, чипов, конденсаторов, трансформаторов, мобильных телефонов, для изготовления многих элементов в различных видах домашней техники. Также этот вид сварки нашёл применение в оптических приборах и приборах точной механики, в изготовлении реакторов, вакуумных сушильных установок, соединении концов рулонов тонколистовых материалов, в автомобильной промышленности и многих других областях науки и техники.

Дополнительные

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

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.

Технологические возможности ультразвуковой сварки

При помощи УЗС можно сваривать различные части изделий толщиной 0,005-3,0мм и диаметром 0,01-0,5мм. При этом, если необходимо приварить тонкий лист или фольгу к детали, то толщина последней практически не ограничена. Разница в толщине свариваемых частей может достигать в сто раз! На рисунке ниже представлены наиболее характерные соединения для сварки ультразвуком:

Таблица свариваемости материалов при сварке ультразвуком

С помощью ультразвуковой сварки можно сваривать как однородные металлы и их сплавы, так и разнородные и даже с некоторыми неметаллическими материалами. Свариваемость того или иного материала зависит от его твёрдости и кристаллической решётки. Чем выше твёрдость, тем хуже свариваемость стали. На рисунке ниже дана таблица свариваемости некоторых материалов при УЗС: