Ультразвуковая сварка металлов и пластмасс

 Для получения неразрывного соединения на тонких деталях требуется метод сварки, позволяющий выполнить шов, но не перегревающий тонкостенные элементы для избежания деформации. Поэтому была изобретена ультразвуковая сварка металлов. Она дает возможность накладывать точечные или продольные швы не только на металлических частях, но и изделиях из пластика. Сварочный метод реализуется благодаря специализированному оборудованию по работе с высокочастотными колебаниями. В чем суть технологии, и каковы ее преимущества и возможности?

Детализация метода

Сварка ультразвуком возможна благодаря техническим устройствам, которые преобразуют электрические колебания напряжения в механические. Последние достигают высокой частоты до уровня ультразвука. Его параметры могут варьировать от 18 до 180 кГц. Он воздействует на свариваемые поверхности, прижатые друг к другу без зазора.

Первое действие — это вызывание трения мельчайших частиц от высокочастотных колебаний. Так, удаляются оксидные пленки и другие примеси с поверхности соединения. Этот процесс называется сухим трением, предшествующим основному. Вторая стадия — повышение температуры в зоне трения и образование перемешивания молекул до создания однородной структуры. Это достигается за счет чистого трения в зоне сварки. Происходит стирание границ между материалами в области воздействия ультразвука. Третий этап — это физическое прижимания свариваемых элементов для более плотного контакта сторон и образования большей зоны соприкосновения.

Если предстоит сваривать толстые детали, то чтобы уменьшить время воздействия и амплитуду колебаний, используют предварительный подогрев изделий. Для этого заготовки подсоединяют к аппарату индукционного нагрева и доводят до определенной температуры. После чего выполняется сваривание ультразвуком.

Рабочим инструментом является сварочный наконечник на аппарате или в руках сварщика. Технологическая схема может варьировать в зависимости от типа колебания. Он может быть продольным, крутильным или изгибным.

Преимущества сварочного способа

Ультразвуковая сварка выделяется несколькими преимуществами, благодаря чему широко применяется в промышленности. А именно:

• высокая скорость выполнения работ, оптимизирующая производственный процесс;
• отсутствие вредных испарений для дыхательной системы человека;
• нет необходимости в использовании инертных газов для защиты места соединения;
• экономичность метода ввиду отсутствия расходных материалов (электродов, присадочной проволоки);
• самостоятельная предварительная очистка поверхности от мусора и оксидных пленок благодаря воздействию высокочастотных колебаний;
• метод позволяет аккуратно выполнять швы, оставляя малозаметные следы прижима сварочного стержня;
• отсутствие деформаций конструкции благодаря точечному и кратковременному влиянию механических колебаний;
• возможность выполнять разнообразные швы во всех пространственных положениях;
• сварочному методу поддается большинство видом металлов и полипропилена;
• простота обучения;
• отсутствие электрического напряжения на свариваемой детали.

Применение ультразвука

Сваривание материалов высокочастотными колебаниями нашло широкое применение в областях промышленности с использованием пластичного сырья. Ультразвуковая сварка пластмасс позволяет создать любое соединение, по форме и сложности, не требующее классического плавления материала. Точечный или продольный шов будет надежно удерживать стороны вместе. Это активно используется в производстве игрушек и плотных упаковок из полипропилена. Сварка пластмасс ультразвуком нашла отображение и в изготовлении тонких оправ для очков.

Метод соединения успешно воздействует на сваривание: меди, алюминия, золота, никеля, серебра, вольфрама, циркония, молибдена, ниобия. Это нашло отображение в ювелирном деле и радиоэлектронике. Ультразвук можно задействовать в креплении микросхем и создании мелкой механики. Благодаря регулируемым настройкам, высокочастотными колебаниями возможно соединять даже проволоку и фольгу.

Ультразвуковой метод позволяет связывать однородные материалы не только друг с другом, но и с разными видами. Например, стальную пластину можно соединить со стеклом, керамикой, или полупроводниками. В некоторых случаях требуется алюминиевая прослойка, когда соединение напрямую будет менее прочным. Но чем выше твердость используемого материала, тем ниже качество сваривания.

Оборудование для сварки

Оборудование для ультразвуковой сварки имеет различные формы, но его общие черты следующие:

• кронштейн для крепления корпуса сверху;
• подставочная часть где выполняются рабочие манипуляции;
• источник питания;
• преобразовательная колебательная система;
• привод для увеличения давления;
• управляющая часть.

Источником тока может быть генератор колебаний с рабочей частотой от 18 кГц. Преобразователь изменяет электрические колебания в механические с продольным действием. Сварочный наконечник может крепиться стационарно на аппарат, и изделие необходимо подносить между ним и платформой, либо рабочий может манипулировать ручкой с наконечником перемещая его по изделию. Последний прикладывается к свариваемой поверхности всегда под прямым углом. Некоторые установки способны сваривать детали только с одной стороны, другие осуществляют двухстороннее воздействие.

Сварка может выполняться точечно, благодаря продольным колебаниям и небольшому прижиму. Второй вариант — это шовное соединение, которое выполняется на продолжительном режиме работы аппарата и изделии, перемещаемом под сварочным наконечником на роликах.

Регулируемые параметры

Для получения качественного соединения существуют различные параметры, которые устанавливаются индивидуально, в зависимости от вида материала, его толщины, и будущей возможной нагрузке. Подбор настроек для каждого нового вида соединения осуществляется в лабораторных условиях, путем экспериментов и проверок качества шва при давлении на разрыв и смещение. Оптимальные данные по настройке передаются на производство и запускаются в процесс.

Среди регулирующихся значений выделяются следующие:

• амплитуда колебаний сварочного наконечника от которой зависит время сваривания и степень прочности соединения;
• механическое давление, которым прижимается головка сварочного наконечника к материалу (при использовании пресса выставляется точно, а при ручном нажиме рассчитывается приблизительно);
• частота электрических колебаний;
• статическое давление, образовываемое во время сварки благодаря установленной амплитуде;
• продолжительность импульса в течении которого ультразвук будет воздействовать на место стыковки материалов (от этого параметра зависит скорость сварки);
• второстепенные настройки: установка температуры предварительного подогрева в случае толстых деталей, настройка высоты сварочного наконечника исходя из размеров изделия и т. д.

Технологический процесс

Сварка ультразвуком различных материалов производится в простой последовательности. А именно:

1. Включается аппарат для начала выработки тока нужной частоты и преобразования в механические колебания.
2. На подставку агрегата выставляется нижняя сторона свариваемого изделия.
3. Сверху накладывается ответная часть. Важно соблюсти точное расположение деталей, чтобы сохранить симметрию и правильность сборки.
4. Стороны зажимаются прессом и фиксируются.
5. В случае работы с твердыми материалами запускается предварительный подогрев индукцией.
6. На конце пресса установлена сварочная головка, которая начинает излучать импульс заданной временной длины.
7. По окончанию воздействия ультразвука пресс отводится вверх, а изделие проверяется на качество соединения.
8. Для выполнения не точечного, а продольного соединения, используется аналогичная последовательность, но с применением включения роликового механизма, по которому перемешаются свариваемые детали.

При аналогичной работе на ручном аппарате, где сварочная головка находится на специальной рукоятке или пистолете, процесс выполняется похожим образом. Поскольку в этом виде нет прижимного пресса, рабочему важно использовать твердую подложку для установки на нее участка под сварку. Производится фиксация материалов нажимом пистолета, и только после этого включается подача импульса.

Возможности ультразвука

Ультразвуковой метод позволяет сваривать разнообразные материалы. Отличительной чертой технологии является возможность работать с особо тонкими деталями. Их минимальная толщина может составлять 3-4 мкм. Максимальная величина, поддающаяся свариванию таким способом 1-1,5 мм. Благодаря воздействию высокочастотных колебаний не появляются деформации и сохраняется правильный вид конструкции. При более толстых деталях (свыше 1,5 мм) целесообразнее использовать иные методы сварки, поскольку при ультразвуке теряется надежность сцепления материалов.

Из видов сварочного метода выделяются точечные швы, благодаря которым за короткое время можно быстро соединить большую площадь. Расстояние между точками выставляется индивидуально, и зависит от толщины сторон и будущей эксплуатации. Точки можно ставить и непосредственно вблизи друг от друга для упрочнения связи в местах с повышенной нагрузкой. При использовании роликовых механизмов реализуются кольцевые и ровные сплошные швы. Это используется для создания плотных упаковок из пластмассы.

По виду соединений ультразвуковой сваркой чаще всего реализуются нахлесточные стыки. Для этого одну сторону изделия накладывают на вторую. Воздействие на материал может оказываться с одной или сразу двух сторон. При работе с проволокой выполняются и тавровые стыки.

Несмотря на многочисленные преимущества, метод имеет и недостатки. Их всего два: возможность работы с относительно тонкими материалами и появление небольших следов от прижима сварочного наконечника к поверхности мягких изделий. Но благодаря высокой производительности, способности соединять разнообразные металлы и полимеры, а также безвредности для рабочих, этот способ сварки и дальше будет активно применяться в промышленности.