Технология ультразвуковой сварки

Одним из эффективных способов сварки конструкций из разных твердых материалов является способ соединения под действием ультразвуковых колебаний. Он позволяет сваривать не только однородные материалы, но и отличные по составу сплавы. Это достигается посредством подачи в область сварки механической колебательной энергии.

Ультразвуковую сварку металлов проводят под действием стержневой системы колебаний. В составе ее оборудования – концентратор ультразвука, оснащенный сварочным наконечником, и преобразователь резонанса. Детали, подвергаемые сварке, сжимают с силой, зависящей от разновидностей соединяемых изделий и их толщин. Этот способ применяется в сооружениях несущих конструкций авиации, автомобильной и некоторых других отраслей промышленного производства. Он актуален для металлов, склонных к образованию хрупких соединений, а также в приварке тонколистных обшивок.

Ультразвуковая сварка – уникальный способ получения соединений. Его главной отличительной особенностью считается возможность соединять материалы с минимумом переходов сопротивления электричества. Причем он не требует специальной обработки поверхностей заготовок перед сваркой, не нужно очищать их от лаков и пленочных оксидов. Еще при использовании ультразвука возможно соединение изделий с толщинами, в сотни раз большими, чем у других способов сварки.

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.

Основные области применения ультразвуковой сварки

Использование установок ультразвуковой сварки в промышленном производстве позволяет производить соединение довольно тонких листов, проволок и фольги. Это особенно актуально при сваривании материалов разного состава. Изготовление полупроводниковых приборов, элементов микроэлектроники, тонкой механики, оптики, нагревателей бытовой техники невозможно без использования свари ультразвуком. Также этот способ незаменим при сращении краев рулонов тонких медных, никелевых и алюминиевых листов.

Уникальные возможности технологии ультразвуковой сварки способствуют соединению пластичных металлов типа золота, никеля, меди, серебра, алюминия друг с другом и менее пластичными или твердыми материалами. Так, металлические элементы могут привариваться к керамическим, стеклянным и полупроводниковым изделиям. Не менее ценна сварка ультразвуком по отношению тугоплавких металлов, например вольфрама, циркония и ниобия. Данный метод позволяет соединять две металлические детали через прослойку, которая может содержать третий металл. Например, два стальных изделия можно сварить через алюминиевую прослойку. Технология соединения металлов, имеющих покрытие различными оксидами, лаками либо полимерами, получила большое распространение в ультразвуковой сварке проводов.

Чаще всего этот вид сварки применяют в нахлесточных соединениях с разной конструкцией его составляющих. Операция сварки производится беспрерывными или выполненными по замкнутым контурам швами, одной либо несколькими точками. Реже осуществляют соединения тавровым способом, например, проволоки и плоскости. Для этого осбой формовке подвергают конец проволочной части изделия. Также возможно применение ультразвукового способа для одномоментной сварки пакета из нескольких деталей.

Краткий период пребывания материала в условиях высоких температур способствует производству соединений высокого качества для металлов, способных образовывать интерметаллиды. Загрязняясь посторонними включениями в ходе сварки, материалы могут изменять свои свойства. В отличие от других способов, высокая химическая однородность соединения ультразвуком сообщает свариваемому материалу хорошие гигиенические качества, что широко используется при ультразвуковой сварке тканей.

Но при всех своих достоинствах, сварка ультразвуком имеет определенные сложности. Так, на практике бывает трудно контролировать колебательную амплитуду – один из важнейших показателей этого процесса. Применяя этот вид сварки, необходимо учесть вероятность усталостного разрушения полученного шва и то, что заготовки во время работы способны менять свое положение относительно друг друга. На размягченных поверхностях деталей инструменты могут оставлять вмятины. Известны случаи приваривания материала заготовки к оборудованию, что способствует его быстрому изнашиванию. Имеются определенные сложности в ремонте ультразвуковых установок, так как они являются частью неразборной конструкции, конфигурации и габариты которой строго рассчитываются.