Ультразвуковая сварка (USW) — это процесс сварки в твердом состоянии, при котором два компонента соединяются путем приложения высокочастотных колебательных сдвиговых напряжений при умеренном усилии зажима. Эта процедура, которая часто используется при сварке внахлест (как показано на рис. ниже), разрушает поверхностное покрытие и обеспечивает тесный контакт между компонентами, образуя прочную металлургическую связь. Тепло выделяется на границе раздела за счет трения и пластической деформации, но температура остается намного ниже точки плавления, что исключает необходимость использования защитных газов, флюсов или присадочных металлов.
В USW сонотрод, прикрепленный к ультразвуковому преобразователю, передает колебательное движение на верхнюю деталь. Это устройство преобразует электрическую энергию в высокочастотное вибрационное движение с амплитудой от 0.018 до 0.13 мм (0.0007–0.005 дюйма) и диапазоном частот обычно от 15 до 75 кГц. Поверхности не подвергаются значительной пластической деформации, поскольку используемое давление зажима значительно ниже, чем при холодной сварке. Время сварки обычно короче секунды.
Медь и алюминий относятся к числу более мягких материалов, с которыми лучше всего работает ультразвуковая сварка. Более твердые материалы быстрее разрушают сонотрод. Лучшие заготовки имеют небольшие размеры, обычно менее 3 мм (1/8 дюйма) по толщине сварного шва. Пайка не требуется при использовании этой технологии для заделки и сращивания проводов в электротехнической и электронной промышленности. Кроме того, он используется при сварке трубок солнечных панелей к листам, сборке мелких деталей и сборке панелей из алюминиевого листового металла.
Процесс сварки
Ниже описывается общая работа процесса ультразвуковой сварки:
-Подготовка материала: поместите пластиковые компоненты на сварочный блок аппарата внахлестку.
-Производство высокочастотного электричества: стандартное электричество (50–60 Гц) преобразуется генератором в высокочастотное электричество (20–40 кГц).
-Преобразование в ультразвук: вибрации усиливаются усилителем после того, как преобразователь преобразует высокочастотное электричество в ультразвуковые волны.
-Сварка: ультразвуковые колебания направляются на собранные детали с помощью сварочного рупора, также известного как сонотрод. Пресс используется оператором для создания давления. После сварки оператор извлекает сварные детали и убирает звуковой сигнал.
Компоненты ультразвукового сварочного аппарата
Аппараты ультразвуковой сварки состоят из различных частей, каждая из которых выполняет определенную функцию. Вот некоторые ключевые детали, которые можно найти во всех типах аппаратов ультразвуковой сварки:
Генератор
Генератор преобразует электрическую мощность в необходимую высокую частоту и напряжение резонансной частоты. Его частью также является микропроцессор, который управляет сварочным циклом и обеспечивает необходимую связь через пользовательский интерфейс.
Машинный пресс
Машинный пресс фиксирует сварочный узел и прикладывает необходимое усилие для поддержания соединения. Он оснащен манометром и регулятором, позволяющим оператору регулировать силу, приложенную к системе.
Сварочный штабель
Преобразователь, усилитель и сварочный рупор являются частью сварочного комплекта и крепятся к прессу в середине усилителя. Ультразвуковые колебания производятся этим узлом, и чтобы гарантировать отличные сварные швы, их частота должна почти соответствовать частоте генератора.
Преобразователь
Преобразователь, иногда называемый преобразователем, преобразует электрическую энергию высокой частоты в механические вибрации. Он состоит из множества керамических пьезоэлектрических дисков, зажатых между двумя титановыми блоками. Кроме того, между пьезоэлектрическими дисками расположен тонкий металлический электрод.
Ракета-носитель
Бустер имеет две основные цели. Он передает вибрации на сварочный рупор, усиливая их за счет сжатия и расширения. Он также служит основой для сварочного пакета на сварочном прессе.
Сварочный рог
Сварочный рупор, обычно изготовленный из алюминия или титана, передает вибрацию на свариваемую деталь. Хотя алюминий хорошо работает при небольших объемах производства, он быстро изнашивается. Чтобы противостоять этому, большинство сварочных рупоров имеют закаленные наконечники, которые повышают производительность и долговечность при интенсивном использовании.
Поддержка инструментов
Опорный инструмент служит основой машины, поддерживая ее нижний компонент во время сварки. Для обеспечения стабильности и точности он изготавливается с учетом изгибов заготовок.
Параметры сварки
Ультразвуковая сварка — высокоэффективный метод соединения материалов, обычно металлов или полимеров, с использованием высокочастотных вибраций. Сила, приложенная перпендикулярно направлению вибрации, амплитуда и продолжительность вибрации — три основных технологических фактора, влияющих на эффективность и качество ультразвуковой сварки. Понимание и управление этими переменными имеет важное значение для достижения идеальных сварных швов.
Продолжительность вибрации
Время воздействия ультразвуковых колебаний на соединяемые материалы называется длительностью вибрации или временем сварки. Для большинства сварочных операций эта длина обычно составляет менее одной секунды. Тем не менее, если сварка требует большей энергии, длину вибрации необходимо увеличить, сохраняя при этом те же значения для других параметров. Следующая формула определяет энергию, необходимую для сварочного цикла:
где �� — энергия в джоулях, �� — мощность в ваттах, F — сила в ньютонах, �� — амплитуда в микрометрах, �� — частота в герцах, а Δ�� — время цикла в секундах. .
Амплитуда вибрации
Продольное расширение и сжатие сварочного инструмента измеряется амплитудой ультразвуковых колебаний, которая варьируется от 5 до 35 микрометров. Это важная амплитуда, поскольку она соответствует расстоянию трения поверхности сварки. Требуется меньше времени для ввода того же количества энергии при увеличении амплитуды, поскольку для поддержания вибрации требуется больше мощности. Профилирование амплитуды или шаговое перемещение, как его называют, стало возможным благодаря современному ультразвуковому оборудованию во время цикла сварки. Поскольку это укрепляет связь и предотвращает застревание инструмента, этот метод очень полезен для сварки сплавов, таких как алюминий.
Сила, перпендикулярная направлению вибрации
Ключевым фактором в процессе ультразвуковой сварки является сила, приложенная перпендикулярно направлению вибрации. За счет этой силы, создаваемой пневмоцилиндром, создается необходимое механическое напряжение в зоне сварки. Ниже описаны критерии эффективности создания и поддержания вибрации:
где Smh - площадь поперечного сечения пневмоцилиндра в квадратных метрах, пℓ – давление сжатого воздуха в паскалях, η – механический КПД. По мере увеличения давления увеличивается механическая нагрузка, требующая больше энергии для поддержания вибрации.
Варианты процесса
При ультразвуковой точечной сварке колебательное движение передается от наложенных друг на друга вставок к более тонким материалам (толщиной от 0.005 до 3 мм). Сонотрод, прикладывая силу для сжатия деталей, создает сварное соединение, которое вибрирует вместе с заготовкой. Крайне важно, чтобы было относительное движение между заготовками, а не между сонотродом и верхней заготовкой. Этот метод позволяет соединять листы или провода из различных материалов. Ультразвуковая сварка, разновидность непрерывной точечной сварки, создает сварные соединения между наложенными друг на друга тонкими листами, расположенными между сонотродом и наковальней. Во время процесса три вибрационных блока обеспечивают попеременное движение вокруг оси трубчатого сонотрода, образуя шов постоянного размера и формы с его трубчатой передней поверхностью.
Виды ультразвуковой сварки
И металлы, и полимеры, которые имеют разную совместимость с материалами, часто соединяются с помощью ультразвуковой сварки.
Ультразвуковая сварка пластика: Для термопластиков, таких как полиэстер, АБС и поликарбонат, ультразвуковая сварка пластика является наилучшим методом. Следует учитывать такие свойства, как твердость и содержание влаги. Но она не подходит для пластиковых полимеров, таких как полиамид и ПВХ.
Ультразвуковая сварка металлов. Этот метод эффективен для соединения металлов, включая сплавы меди, серебра, латуни, никеля, золота и алюминия. Этот метод лучше всего работает с тонкими металлами небольшого диаметра, что делает его идеальным для деликатного использования.
Преимущества ультразвуковой сварки
Поскольку ультразвуковая сварка использует методы непрямого нагрева, она улучшает эстетику без ущерба для функциональности, что отличает ее от традиционных методов сварки листового металла и несварочных методов. Вот его основные преимущества:
Скорость: высокочастотные ультразвуковые колебания, создаваемые ультразвуковой сваркой, позволяют быстро сваривать подходящие детали, обеспечивая быстрый производственный процесс. Результатом этого являются короткие сроки выполнения работ и высокая производительность.
Высокий уровень безопасности: при использовании непрямого нагрева создается меньший эксплуатационный риск. Сварные соединения и окружающие материалы защищены от повреждений за счет локализованного и быстрого рассеивания выделяемого тепла.
Надежность: оборудование надежно, имеет мало неисправностей и отказов. Автоматизация дополнительно сводит к минимуму операционные и человеческие ошибки, экономит эксплуатационные расходы и повышает качество сварных соединений.
Подходит для разнородных материалов. Еще одним важным аспектом сварки пластмасс является то, что эта процедура хорошо подходит для соединения разнородных материалов. При соединении разнородных пластмасс ультразвуковая сварка не требует развития молекулярных связей, в отличие от других методов сварки пластмасс.
Недостатки ультразвуковой сварки
Ультразвуковая сварка имеет ряд недостатков. Для начала, она не подходит для твердых и влагосодержащих пластиков. Этот метод имеет проблемы с термопластиками с высоким содержанием влаги и прочными полимерами, такими как полипропилен. Кроме того, ограниченный диапазон преобразователя в 100-150 мм означает, что он не может сваривать детали со швами более 150 мм. Размер детали является еще одним ограничением. Тот факт, что плавление толстых материалов требует больших затрат энергии, также делает их проблемными.
Дорогостоящие первоначальные затраты — еще один серьезный недостаток. Для организаций ультразвуковое сварочное оборудование требует значительных финансовых вложений из-за его высокой стоимости, которая растет с автоматизацией. Кроме того, этот метод ограничен нахлесточными соединениями, которые формируются из секций, накладывающихся друг на друга на ровной поверхности. Другие типы соединений, такие как угловые, стыковые, тавровые и торцевые соединения, не должны использовать его. При выборе того, является ли ультразвуковая сварка лучшим методом для вашего применения, имейте в виду, что эти недостатки ограничивают его универсальность по сравнению с другими методами сварки.
Применение ультразвуковой сварки
Ультразвуковая сварка — это ценный метод, который находит применение в самых разных отраслях, особенно в производстве потребительских и промышленных товаров. Он используется для изготовления жизненно важных медицинских принадлежностей, таких как анестезиологические фильтры, фильтры для крови и газов, а также лицевые маски. Этот метод идеально подходит для медицинских приборов, поскольку он гарантирует недорогие, высококачественные соединения деталей, состоящих из различных медицинских полимеров, таких как АБС и полиэтилен.
Для создания таких компонентов, как приборные панели, дверные панели и рулевые колеса, автомобильная промышленность использует ультразвуковую сварку для плавления пластика. Помимо низких капитальных затрат, автоматизации, быстрого цикла и гибкости, этот процесс предпочтителен, поскольку в нем используется непрямой нагрев, который не вызывает повреждения заготовки.
Благодаря своей точности, скорости и высококачественным соединениям ультразвуковая сварка также помогает авиационной отрасли.
Точно так же в секторе электроники ультразвуковая сварка используется для соединения проводов и сборки электродвигателей, конденсаторов, носителей информации и чувствительных схем. Благодаря своей точности и надежности он идеально подходит для создания крошечных и сложных электрических компонентов.
Референсы
Грувер, член парламента, 2010. Основы современного производства: материалы, процессы и системы. 4-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc.
