Процесс ультразвуковой сварки
В общем понимании сварка - это технологический процесс, обеспечивающий получение неразъемного соединения деталей в результате воздействия на них теплоты и давления. Некоторые способы сварки не требуют применения давления (например, сварка плавлением).
Ультразвуковая сварка основана на тех же явлениях, т. е. является способом интенсификации сварки материалов пластическим деформированием. Интенсификация достигается за счет того, что в результате воздействия ультразвуковых колебаний на соединяемые материалы в зоне сварки повышается температура, растрескиваются твердые и выгорают жировые пленки, улучшается пластическое деформирование и т. д.
Схематично процесс ультразвуковой сварки показан на рис. 65.
Рисунок 65 – Процесс ультразвуковой сварки
Здесь сварочный инструмент, являющийся элементом колебательной системы, получает колебания амплитуды 2А, направленные параллельно плоскости сварки, и прижимается под рабочим усилием р к свариваемым деталям. Рабочее усилие приводит в соприкосновение свариваемые поверхности; микронеровности на них деформируются и «растекаются». При этом за счет ультразвуковых колебаний инструмента эти микронеровности получают дополнительную деформацию; интенсифицируется их «растекание» и сближение. Образуются общие кристаллы, прочно соединяющие свариваемые детали за счет взаимного проникновения материалов. Одновременно из-за воздействия ультразвука в месте сварки происходит своеобразное перемещение частиц свариваемого материала и трение их, что приводит к повышению температуры в зоне сварки и лучшему схватыванию материалов. Ультразвук разрушает окисные пленки в зоне сварки, в результате чего возникают дополнительные участки, свободные от них, т. е. дополнительные участки схватывания.
Важнейшими преимуществами ультразвуковой сварки являются локальный характер нагрева свариваемых деталей без распространения зоны высокой температуры (близкой к температуре плавления свариваемых материалов) на большой площади и высокая прочность соединения, практически равная или даже превышающая прочность самого свариваемого материала. Другим преимуществом ультразвуковой сварки является возможность соединять разнотолщинные материалы, что другими методами осуществить нельзя.
Свариваемость металлов ультразвуком
Свариваемость металлов ультразвуком определяется их физико-механическими свойствами при нагреве до температуры сварки и другими факторами. Лучше свариваются пластичные металлы и сплавы: алюминий, медь, латунь и др. Ультразвуком хорошо свариваются тугоплавкие и активные металлы: молибден, ниобий, тантал, а также некоторые нержавеющие стали. Этот метод успешно применен для сварки разнородных материалов, например меди с алюминием, никеля с титаном и др.
Свариваются ультразвуком и неметаллические материалы: полимерные пленки и термопластичные пластмассы. Соединение таких материалов происходит при достижении в рабочей зоне температуры их размягчения, т. е. в вязкотекучем состоянии и при сравнительно небольшом статическом давлении. Материалы, не способные переходить в такое состояние под воздействием температуры и давления, с помощью ультразвука не свариваются.
Преимущества ультразвуковой сварки
Важным преимуществом ультразвуковой сварки пластмасс также является локальный характер нагрева свариваемых деталей, что при нормально протекающем процессе исключает их перегрев и деформацию. При этом качество и прочность соединения отвечают техническим требованиям, предъявляемым к сварным соединениям.
Необходимо отметить, что при ультразвуковой сварке не требуется второй (нижний) электрод, так как процесс осуществляется односторонним способом - сварочным ультразвуковым инструментом. Нижний электрод заменяется при ультразвуковой сварке технологической опорой. Это существенно упрощает конструкцию станков для ультразвуковой сварки.
Виды ультразвуковой сварки
Различают три вида ультразвуковой сварки: точечную, шовную и шовно-шаговую. Точечной и шовной сваркой соединяют металлы и пластмассы; шовно-шаговая применяется, как правило, для сварки пластмасс и синтетических тканей. В отличие от непрерывной шовной сварки шовно-шаговая выполняется частями с перемещением свариваемых материалов на шаг сварки. При этом каждая очередная часть шва перекрывает предыдущую.
