Ультразвукове зварювання (УСЗ) — це процес твердотільного зварювання, у якому два компоненти з’єднуються шляхом застосування високочастотних коливальних напруг зсуву під дією помірної сили затиску. Ця процедура, яка часто використовується під час зварювання внахлест (як показано на малюнку нижче), розриває поверхневі покриття та забезпечує тісний контакт між компонентами, утворюючи міцний металургійний зв’язок. Тепло утворюється на межі розділу через тертя та пластичну деформацію, але температура залишається значно нижчою за точку плавлення, що зводить нанівець потребу в захисних газах, флюсах або наповнювачах.
У USW сонотрод, який прикріплений до ультразвукового перетворювача, передає коливальний рух на верхню заготовку. Цей пристрій перетворює електричну енергію на високочастотний вібраційний рух з амплітудою від 0.018 до 0.13 мм (0.0007–0.005 дюйма) і частотним діапазоном зазвичай від 15 до 75 кГц. Поверхні не зазнають суттєвої пластичної деформації, оскільки застосовуваний тиск затиску є значно нижчим, ніж при холодному зварюванні. Час зварювання зазвичай менше секунди.
Мідь і алюміній належать до м’яких матеріалів, з якими найкраще працює ультразвукове зварювання. Більш тверді матеріали роз'їдають сонотрод швидше. Найкращі заготовки є невеликими, зазвичай менше 3 мм (1/8 дюйма) за товщиною шва. Пайка не потрібна при використанні цієї технології для кінцевих з’єднань проводів і з’єднання в електричному та електронному секторах. Крім того, він використовується для зварювання труб сонячних панелей до листів, складання дрібних деталей і складання панелей з алюмінієвого листового металу.
Процес зварювання
Нижче наведено загальний опис процесу ультразвукового зварювання:
-Підготовка матеріалу: розмістіть пластикові компоненти на зварювальному пакеті машини внахлестку.
- Виробництво високочастотної електроенергії: стандартна електроенергія (50–60 Гц) перетворюється на високочастотну електроенергію (20–40 кГц) генератором.
- Перетворення на ультразвукове: вібрації посилюються бустером після того, як перетворювач перетворює високочастотну електроенергію в ультразвукові хвилі.
-Зварювання: Ультразвукові коливання спрямовуються на зібрані деталі за допомогою зварювального рупору, також відомого як сонотрод. Прес використовується оператором для забезпечення тиску. Оператор виймає зварні компоненти та втягує рупор після зварювання.
Компоненти апарату ультразвукового зварювання
Ультразвукові зварювальні апарати складаються з різних частин, кожна з яких виконує певну функцію. Ось деякі ключові деталі всіх типів ультразвукових зварювальних апаратів:
Generator
Генератор перетворює електричну потужність у необхідну високу частоту та напругу на резонансній частоті. Мікропроцесор, який керує зварювальним циклом і забезпечує необхідний зв’язок через інтерфейс користувача, також є його частиною.
Машинний прес
Машинний прес фіксує зварювальний вузол і прикладає необхідне зусилля для утримання з’єднання. Він оснащений манометром і регулятором, що дозволяє оператору регулювати силу, прикладену до системи.
Зварювальний стек
Перетворювач, підсилювач і зварювальний рупор — усі вони є частиною зварювального блоку та закріплені на пресі в середині прискорювача. Ультразвукові коливання створюються цим вузлом, і щоб гарантувати відмінні зварні шви, їх частота повинна майже відповідати частоті генератора.
Перетворювач
Перетворювач, який іноді називають перетворювачем, перетворює електричну енергію з високою частотою в механічні коливання. Він складається з багатьох керамічних п’єзоелектричних дисків, затиснутих між двома титановими блоками. Крім того, тонкий електрод з металу розташований між п'єзоелектричними дисками.
ракета-носій
Бустер має дві основні мети. Він передає вібрації на зварювальний рупор після їх посилення через стиснення та розширення. Він також служить основою для зварювального стека на зварювальному пресі.
Зварювальний горн
Зварювальний рупор, як правило, виготовлений з алюмінію або титану, передає вібрацію на зварювану деталь. Незважаючи на те, що алюміній добре працює в невеликих обсягах, він швидко зношується. Щоб протистояти цьому, більшість зварювальних рупорів мають загартовані наконечники, які покращують продуктивність і довговічність під час інтенсивного використання.
Інструмент підтримки
Опорний інструмент виступає в якості основи машини, підтримуючи її нижні компоненти під час зварювання. Щоб забезпечити стабільність і точність, він виготовлений відповідно до кривих деталей.
Параметри зварювання
Ультразвукове зварювання є високоефективним методом з’єднання матеріалів, зазвичай металів або полімерів, за допомогою високочастотних коливань. Зусилля, що прикладається перпендикулярно до напрямку вібрації, амплітуда вібрації та тривалість вібрації є трьома основними технологічними факторами, які впливають на ефективність і якість ультразвукового зварювання. Розуміння цих змінних і керування ними має важливе значення для досягнення ідеальних зварних швів.
Тривалість вібрації
Час, протягом якого ультразвукові коливання застосовуються до матеріалів, які потрібно з’єднати, називається тривалістю вібрації або часом зварювання. Ця тривалість зазвичай менше однієї секунди для більшості зварювальних операцій. Тим не менш, якщо для зварювання потрібно більше енергії, довжину вібрації потрібно збільшити, зберігаючи ті самі значення для інших параметрів. Наступна формула визначає енергію, необхідну для циклу зварювання:
де �� — енергія в джоулях, �� — потужність у ватах, F — сила в ньютонах, �� — амплітуда в мікрометрах, �� — частота в герцах, а Δ�� — тривалість циклу в секундах. .
Амплітуда вібрації
Поздовжнє розширення та звуження зварювального інструменту вимірюється амплітудою ультразвукових коливань, яка коливається від 5 до 35 мікрометрів. Це важлива амплітуда, оскільки вона відповідає відстані тертя поверхні зварювання. При збільшенні амплітуди потрібно менше часу, щоб ввести ту саму кількість енергії, оскільки для підтримки вібрації потрібна більша потужність. Профілювання амплітуди або, як його ще називають, степінг, стає можливим завдяки сучасному ультразвуковому обладнанню під час циклу зварювання. Оскільки він зміцнює з’єднання та запобігає затисканню інструменту, цей метод дуже корисний для зварювання сплавів, таких як алюміній.
Сила, перпендикулярна до напрямку вібрації
Ключовим фактором у процесі ультразвукового зварювання є сила, яка прикладається перпендикулярно напрямку вібрації. Цією силою створюється необхідна механічна напруга в зоні зварювання, яка створюється пневмоциліндром. Нижче наведено критерії продуктивності для створення та підтримки вібрації:
де Smh – площа поперечного перерізу пневмоциліндра в квадратних метрах, сℓ - тиск стисненого повітря в паскалях, а η - механічний ККД. Зі збільшенням тиску механічне навантаження зростає, що вимагає більшої потужності для підтримки вібрації.
Варіанти процесу
При ультразвуковому точковому зварюванні коливальний рух передається від накладених внахлест пластин до більш тонких матеріалів (від 0.005 до 3 мм). Сонотрод, застосовуючи силу для стиснення частин, створює зварний зв’язок, який вібрує разом із заготовкою. Дуже важливо, щоб був відносний рух між деталями, а не між сонотродом і верхньою деталлю. Цим методом можна з’єднати листи або дроти з різної якості матеріалу. Ультразвукове зварювання, форма безперервного точкового зварювання, створює зварні з’єднання між тонкими листами, що перекриваються, розташованими між сонотродом і ковадлом. Під час процесу три вібраційні блоки забезпечують поперемінний рух навколо осі трубчастого сонотрода, утворюючи шов відповідного розміру та форми з його трубчастою передньою поверхнею.
Види ультразвукового зварювання
Як метали, так і полімери, які мають різну сумісність матеріалів, часто з’єднуються за допомогою ультразвукового зварювання.
Ультразвукове зварювання пластику: для таких термопластів, як поліестер, АБС і полікарбонат, ультразвукове зварювання пластику є найкращим методом. Необхідно враховувати такі властивості, як твердість і вологість. Але це не підходить для пластикових полімерів, таких як поліамід і ПВХ.
Ультразвукове зварювання металу: цей метод ефективний для з’єднання металів, у тому числі сплавів із міді, срібла, латуні, нікелю, золота та алюмінію. Цей метод найкраще працює з тонкими металами малого діаметра, що робить його ідеальним для чутливих випадків.
Переваги ультразвукового зварювання
Оскільки ультразвукове зварювання використовує методи непрямого нагрівання, воно покращує естетику без шкоди для функціональності, відрізняючи його від традиційного зварювання листового металу та методів без зварювання. Ось його основні переваги:
Швидкість: високочастотні ультразвукові коливання, створювані ультразвуковим зварюванням, швидко зварюють відповідні деталі, забезпечуючи швидкий процес виробництва. Результатом цього є короткий час виконання та висока пропускна здатність.
Високий рівень безпеки: Менший експлуатаційний ризик створює непряме нагрівання. Зварні з’єднання та навколишні матеріали захищені від пошкоджень завдяки локальному та швидкому розсіюванню тепла, що виділяється.
Надійність: техніка є надійною та має мало несправностей та збоїв. Автоматизація додатково мінімізує помилки, пов’язані з роботою та людським фактором, заощаджує експлуатаційні витрати та покращує якість зварних з’єднань.
Підходить для різнорідних матеріалів. Іншим важливим аспектом зварювання пластику є те, що ця процедура добре підходить для з’єднання різнорідних матеріалів. При з’єднанні різнорідних пластмас ультразвукове зварювання не потребує розвитку молекулярних зв’язків, на відміну від інших методів зварювання пластмас.
Недоліки ультразвукового зварювання
Ультразвукове зварювання має ряд недоліків. По-перше, це не підходить для твердих і вологовмісних пластмас. Цей метод має проблеми з термопластами з високим вмістом вологи та міцними полімерами, такими як поліпропілен. Крім того, обмежений діапазон датчика 100-150 мм означає, що він не може зварювати деталі зі з’єднаннями більше 150 мм. Розмір частини є ще одним обмеженням. Той факт, що плавлення товстих матеріалів потребує багато енергії, також створює проблеми.
Дорогі початкові витрати є ще одним серйозним недоліком. Для організацій ультразвукове зварювальне обладнання вимагає значних фінансових вкладень через їх високу вартість, яка зростає з автоматизацією. Крім того, цей метод обмежений з’єднаннями внахлест, які утворюються з секцій, що накладаються одна на одну на рівній поверхні. Інші типи з’єднань, такі як кутові, стикові, трійникові та крайові з’єднання, не повинні використовувати його. Вибираючи, чи є ультразвукове зварювання найкращим методом для вашого застосування, майте на увазі, що ці недоліки обмежують його універсальність у порівнянні з іншими методами зварювання.
Застосування ультразвукового зварювання
Ультразвукове зварювання є цінною технікою, яка знаходить застосування в багатьох галузях промисловості, зокрема у виготовленні споживчих і промислових товарів. Він використовується для виготовлення життєво важливих медичних матеріалів, таких як фільтри для анестезії, фільтри для крові та газів і маски для обличчя. Цей метод ідеально підходить для медичних пристроїв, оскільки гарантує недорогі високоякісні з’єднання деталей, що складаються з різних медичних полімерів, таких як ABS і поліетилен.
Щоб створити такі компоненти, як панелі приладів, дверні панелі та кермо, автомобільна промисловість використовує ультразвукове зварювання для сплавлення пластику. На додаток до низьких капітальних витрат, автоматизації, швидкого циклу та гнучкості, цей процес є кращим, оскільки він використовує непряме нагрівання, яке не спричиняє пошкодження заготовки.
Завдяки своїй точності, швидкості та високоякісним з’єднанням ультразвукове зварювання також допомагає авіаційній галузі.
Так само в секторі електроніки використовується ультразвукове зварювання для з’єднання проводів і поєднання електродвигунів, конденсаторів, носіїв інформації та делікатних схем. Завдяки своїй точності та надійності він ідеально підходить для створення крихітних складних електричних компонентів.
Посилання
Groover, MP, 2010. Основи сучасного виробництва: матеріали, процеси та системи. 4-е вид. Гобокен, Нью-Джерсі: John Wiley & Sons, Inc.
