Ультразвуковая сварка пластмасс – метод высокочастотных колебаний

Сварка пластмасс ультразвуком

Ультразвуковая сварка пластмасс - метод высокочастотных колебаний

Главная » Статьи » Профессионально о сварке » Технологии сварки

Рекомендуем приобрести:

Метод сварки пластмасс ультразвуком — один из промышленных методов соединения полимерных материалов, основанный на преобразовании механических высокочастотных колебаний (более 20 000 Гц) в тепловую энергию. Выделяемое при этом тепло размягчает свариваемые поверхности, генерируясь в толще материала, а приложенное давление обеспечивает плотный контакт внутренних поверхностей материала.

Получение и передача ультразвуковых колебаний на материал осуществляется по следующей схеме (рис. 19). Вибратор 1 преобразует электрическую энергию высокой частоты в механические колебания сердечника с частотой ультразвука.

Колебания очень маленькой амплитуды передаются от вибратора к концентратору 2, который усиливает механические колебания и благодаря своей особой конструкции концентрирует их в конце волновода.

Конец волновода является сварочным инструментом (электродом) или опорой, когда в качестве электрода используют наконечники. Колебания от волновода передаются полимерному материалу 3, который укладывают на опору — отражатель 4. Отражатель может быть пассивным (ненастроенным) и активным (настроенным).

В свою очередь, отражатель  укладывают на опорную поверхность стола 5. Давление осуществляется со стороны электрода, как показано на схеме, или со стороны опорной поверхности стола.

Рис. 19. Схема сварки пластмасс ультразвуком:
1 — вибратор; 2 — концентратор; 3 — свариваемый материал; 4 — отражатель; 5 — опора.

Ультразвуковую сварку применяют в основном для соединения материалов с низкой электро- и теплопроводностью, большинство из которых трудно или вообще не возможно сваривать другими методами. Ультразвуком сваривают следующие полимерные материалы: органическое стекло, винипласт, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.

Процесс образования соединения при ультразвуковой сварке можно условно разделить на две стадии. Вначале происходит нагрев соединяемых материалов. На второй стадии между нагретыми до вязкотекучего состояния контактирующими поверхностями возникают связи, которые и обеспечивают получение неразъемного соединения.

Особенности сварки ультразвуком состоят в следующем: 

1) можно соединять детали, толщина одной из которых практически неограничена, и осуществлять сварку конструкций, в которых затруднен доступ к месту сварки; это объясняется тем, что  сварка осуществляется с помощью одного электрода, односторонним способом, ультразвуковая энергия может подводиться на значительном расстоянии от места соединения;

2) высокая производительность процесса; так как максимальный разогрев происходит на свариваемых поверхностях, вследствие чего исключается значительный перегрев пластмасс по толщине или длине привариваемого стержня;

3) не создаются радиопомехи;

4) не подводится напряжение к свариваемым поверхностям;

5) возможна сварка более широкого ассортимента и больших толщин изделий из различных полимерных материалов, чем при сварке ТВЧ.

По характеру распределения вводимой механической энергии относительно свариваемых поверхностей ультразвуковая сварка? может быть разделена на контактную и передаточную.

В первом случае механическая энергия равномерно распределена по всей площади контакта свариваемых изделий. Этот вид ультразвуковой сварки обычно применяют для соединения эластичных пластмасс небольшой толщины (— 0,05—1,5 мм). Наиболее распространены соединения внахлестку.

При передаточной ультразвуковой сварке механические колебания вводятся в отдельной точке или на небольшом участке поверхности верхнего изделия.

Передача и равномерное распределение механической энергии зависят в этом случае от упругих свойств свариваемого материала.

Поэтому передаточную сварку применяют для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полиметилметакрилат и др. Наиболее рациональны соединения встык или втавр.

По степени непрерывности процесса ультразвуковую сварку можно разделить на прессовую и непрерывную. Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение волновода. По этой схеме может осуществляться как контактная, так и передаточная ультразвуковая сварка.

Непрерывная сварка позволяет получить непрерывные протяженные сварные швы за счет относительного перемещения волновода и свариваемого изделия. Она используется для сварки изделий из пленок и синтетических тканей: мешков, фильтров, непромокаемой одежды и др.

По степени механизации непрерывная сварка делится на ручную и механизированную.

При ручной сварке непрерывные швы любой конфигурации получают за счет перемещения сварочного пистолета, а изделие при этом остается неподвижным.

Таким способом можно соединять многослойные пакеты из разных пленок с покрытием. При механизированной непрерывной сварке, как правило, перемещается свариваемое изделие, а сварочный волновод остается неподвижным.

Оптимальный режим, зависящий от свойств свариваемого материала, толщины и формы изделия, состояния контактируемых поверхностей и целого ряда других факторов, определяется в каждом конкретном случае экспериментально.

В связи с массовым характером производства и отсутствием простых и надежных методов неразрушающего контроля для сварных изделий из пластмасс особое значение приобретает надежность и стабильность технологического процесса сварки. Для повышения стабильности свойств сварного соединения и получения соединения с максимальной прочностью режим сварки в каждом отдельном случае может меняться.

На сварочном оборудовании могут быть установлены приборы контроля и регулирования технологическим процессом.

Схемы процесса

Способ предложен в 1958 г. учеными МВТУ им. Н. Э. Баумана под руководством акад. Г. А. Николаева.

Способ ультразвуковой сварки пластмасс заключается в том, что электрические колебания ультразвуковой частоты (18—30 кГц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические продольные колебания магнитострикционного преобразователя, вводятся в свариваемый материал с помощью продольно-колеблющегося инструмента-волновода, расположенного перпендикулярно свариваемым поверхностям (рис. 29.5). Здесь часть энергии механических колебаний переходит в тепловую, что приводит к нагреву зоны контакта соединяемых деталей до температуры вязкотекучего состояния. Надлежащие условия ввода механических колебаний и создание тесного контакта свариваемых деталей, расположенных на опоре, обеспечивается статическим давлением рабочего торца волновода на свариваемые детали. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне соединения. Динамическое усилие, возникающее в результате воздействия колеблющегося волновода, приводит к нагреву свариваемого материала, а действие статического давления обеспечивает получение прочного сварного соединения. Механические колебания и давление в этом случае действуют по одной линии перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Такая схема ввода энергии применяется для ультразвуковой сварки пластмасс, в отличие от «металлической» схемы, когда механические колебания действуют в плоскости соединяемых поверхностей, а давление прикладывается перпендикулярно к ним. Подвод энергии от волновода может быть односторонним и двусторонним. По характеру передачи энергии и распределению ее по свариваемым поверхностям ультразвуковая сварка делится на контактную и передаточную.

Контактная сварка

Возможность передачи механической энергии в зону сварки зависит от упругих свойств и коэффициента затухания колебаний свариваемых материалов.

Если полимер характеризуется низким модулем упругости и большим коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получить лишь на малом удалении от плоскости ввода колебаний.

Для равномерного распределения энергии по всей площади контакта свариваемых деталей необходимо, чтобы рабочий торец, соприкасающийся с верхней деталью, имел форму и площадь, идентичную площади и форме плоскости контакта свариваемых деталей.

Контактная ультразвуковая сварка обычно применяется для соединения изделий из мягких пластмасс, таких как полиэтилен, полипропилен, поливинил-хлорид, а также пленок и синтетических тканей небольшой толщины — от 0,02 до 5 мм. При этом способе сварки наиболее распространены соединения внахлестку (рис. 29.6).

Передаточная сварка

Если полимер обладает высоким модулем упругости и низким коэффициентом затухания, то сварное соединение можно получать на большом удалении от поверхности ввода механических колебаний (рис. 29.7). В этом случае ввод механических колебаний может осуществляться в точке или на небольшом участке поверхности верхней детали.

Благодаря хорошим акустическим свойствам материала изделия энергия ультразвуковой волны незначительно ослабляется при проходе через деталь, контактирующую с волноводом, и почти полностью транспортируется к границе раздела свариваемых деталей.

Тепловыделение на границе раздела в этом случае зависит от конфигурации изделия, а площадь сварки значительно отличается от площади рабочего торца волновода. Передаточную сварку рекомендуется применять для соединения объемных деталей из жестких пластмасс, таких как полистирол, полиметилметакрилат, капрон, полиамиды, поликарбонат.

Наиболее распространены стыковые и тавровые соединения. Удаление поверхности ввода механических колебаний от плоскости раздела свариваемых деталей зависит от упругих свойств материала, мощности ультразвука, подготовки кромок и может составлять от 10 до 250 мм. В случае необходимости передаточной сваркой можно соединять и мягкие термопласты.

Для этого свариваемые детали должны находиться в жестком застекленном состоянии, что может быть достигнуто путем охлаждения их до температуры стеклования.

Оборудование

В МГТУ им. Н. Э. Баумана разработаны машины типа УПМ-21, УПК-15М, УПШ-12, ВНИИЭСО разработаны машины типа МТУ-1,5 и МТУ-0,4, которые серийно выпускаются заводом «Электросварка». Переносные установки РУСУ-50 и РУСУ-44-250 разработаны в НИАТ. Машины типа БШМ-1 разработаны ВНИИЛТЕКмашем совместно с ВНИИТВЧ им.. В. П. Вологдина и серийно выпускаются ПО Промшвеймаш (г. Орша).

Ультразвуковая сварка полиэтилена

Ультразвуковую сварку применяют при изготовлении емкостей, различных контейнеров и труб, предназначенных для хранения пищевых и других промышленных продуктов.

В большинстве случаев при упаковке продуктов в полиэтиленовую тару соединяемые поверхности загрязнены упаковываемым продуктом. Поэтому использование других методов сварки, кроме ультразвукового, в данном случае исключено.

Загрязненность свариваемых поверхностей упаковываемым продуктом накладывает специфические требования к процессу ультразвуковой сварки, так как это оказывает влияние на прочность получаемого сварного соединения.

Загрязнение поверхности приводит к понижению прочности сварного соединения.

Кроме того, при сварке изделий из полиэтилена следует учитывать особенности хранения и предшествующую обработку соединяемых изделий, которая также влияет на прочностные и эксплуатационные характеристики сварного шва.

Применение предварительной термообработки в интервале температур 50—100°С незначительно влияет на прочность сварных соединений (прочность уменьшается соответственно на 5—9% по сравнению с прочностью образцов, сваренных без предварительной термообработки).

С повышением температуры обработки до 115 °С наблюдается понижение прочности на 17%, и продолжительность сварки при этом увеличивается на 2—3 с.

Значительно влияет на качество сварного шва старение полиэтилена в условиях солнечной радиации. После 30 ч облучения ультрафиолетовыми лучами образец нестабилизированного полиэтилена низкой плотности толщиной 0,7 мм перестает свариваться. Полиэтилен, стабилизированный сажей или парафином, перестает свариваться после 60 ч облучения.

Ультразвуковая сварка полистирола

Ультразвуковую сварку изделий из полистирола применяют для изготовления различных контейнеров и сосудов, игрушек, спортивных товаров, а также для упаковки пищевых продуктов, медикаментов, косметики и т. д.

В зависимости от формы изделия и свойств материала применяют контактную и передаточную сварку или комбинацию этих методов.

Каждый из выпускаемых в настоящее время полистиролов (блочный, суспензионный, эмульсионный и ударопрочный) имеет различную способность свариваться — от наилучшей у блочного до наихудшей у ударопрочного полистирола.

При сварке изделий из полистирола одним из важных факторов, влияющих на процесс формирования сварных швов, является качество соединяемых поверхностей.

Хорошая геометрическая форма и правильная подготовка поверхностей не только облегчает сварку, но и способствуют повышению прочности шва, увеличивают производительность процесса и позволяют строго фиксировать одну часть свариваемого изделия относительно другой его части.

Читайте также:  Люстра ковка - необычное украшение любого помещения

Разделки кромок могут различаться по форме, по в основном одна из стыкуемых деталей должна иметь выступ, входящий по всей длине в соответствующий паз другой детали (рис. 20).

Стыкуемые детали должны обладать наименьшей контактной поверхностью; поэтому паз выполняют плоским, а выступ — острым. Острие выступа должно контактировать с соединяемой поверхностью на очень небольшой площади, которая сводится почти к линии.

Это способствует концентрации механической энергии на выступе, ускоряет процесс нагрева и сварки пластмасс.

Наилучшей является V-образная разделка свариваемых кромок, которая применяется для соединения деталей, показанных на рис. 20, а. На верхней детали делается V-образный выступ, а на нижней — V-образный паз.

Высота выступа должна быть больше, чем глубина паза на 0,05—0,030 мм. При таком типе соединений достигается лучшая текучесть разогретого материала под действием давления и шов имеет хороший внешний вид.

При сварке соединений необходимо предусматривать допуски на текучесть размягченного полимера, который выдавливается из зоны шва, образуя грат.

Если грат нежелателен, используют специальные конструкции шва, чтобы избежать выплесков полимера (см. рис. 20, 6 и в).

Доведенный до вязкотекучего состояния полимер должен соединять две стыкуемые поверхности, заполняя зазор в несколько десятых долей миллиметра.

Рис. 20. Типы разделки кромок свариваемых поверхностей изделия.

Линия наплыва вдоль шва и выход наплыва за пределы шва свидетельствуют о том, что сварка произошла, В тех случаях, когда требуется герметичность изделия, необходимо, чтобы сварные детали имели линию наплыва. Однако линия наплыва большей частью ухудшает внешний вид изделия, поэтому ее следует избегать в особенности на полированных поверхностях.

Улучшение внешнего вида достигается ступенчатой конструкцией рабочей части волновода, при этом выступ изготовляют так, чтобы наплыв образовывался на внутренней стороне изделия.

Малогабаритные детали несложной формы свариваются за один контакт волновода с изделием, причем волновод устанавливается перпендикулярно к свариваемым поверхностям по оси симметрии соединения.

Если деталь сложная и длина сварного шва значительная, то количество точек и место введения ультразвуковых колебаний определяются экспериментально.

На свариваемость жестких пластмасс большое влияние оказывают условия хранения соединяемых деталей. Длительное хранение деталей до сварки приводит к уменьшению прочности сварного соединения.

Особенно сильно уменьшается прочность соединения при сварке деталей, прошедших длительное хранение в атмосферных условиях.

Таким образом, для получения качественных сварных соединений сварку необходимо производить либо сразу же после отливки деталей, либо хранить литые детали в темных холодных помещениях. Хранение деталей в атмосферных условиях при наличии солнечной радиации недопустимо.

Применение ультразвука для сварки деталей детских игрушек из полистирола позволило полностью исключить процесс склеивания дихлорэтаном, толуолом и другими растворителями, применение которых приводит к значительной загазованности воздушной среды. Использование ультразвуковой сварки повышает производительность труда и культуру производства.

Соединение пластмасс с металлами

В последнее время ультразвук применяется не только для сварки пластмасс, но и для соединения пластмасс с металлами и впрессовки металлических изделий в пластмассы.

При соединении металлических изделий с пластмассовыми в металлическом изделии делают отверстие, а в изделии из пластмассы — штифт, выполненный как одно целое с изделием.

Металлическое изделие надевают на штифт, а на выступающую часть штифта накладывают ультразвуковой инструмент — волновод, торец которого имеет два сферических углубления, Под действием ультразвука выступающая часть штифта размягчается и деформируется инструментом в две полусферические головки, образующие замковое соединение, напоминающее собой соединение заклепками.

Лебедев Г.А. “Напыление. Сварка. Склеивание”.

См. также:

Источник: https://www.autowelding.ru/publ/1/1/svarka_plastmass_ultrazvukom/2-1-0-231

Ультразвуковая сварка — технология и особенности

Ультразвуковая высокочастотная сварка воздействует на детали путём акустических колебаний. При этом соединяемый материал должен находиться под небольшим давлением. Самое широкое применение способ получил в работе с термопластом, так как не всегда стандартное сваривание или болтовые соединения могут полноценно решить поставленную задачу.

Процесс ультразвукового склеивания является довольно экономичным со стороны затрат на металлические материалы, а также значительно ускоряет работу производства.

 Такой способ отличается высоким качеством сварного шва при этом расход металла можно сократить до 30%.

 Поскольку процесс не является дорогостоящим и трудоёмким, стоимость сооруженных конструкций снижается, что экономит деньги конечного потребителя.

Преимущества

Перед тем как перейти к подробностям, стоит упомянуть о положительных сторонах, которыми обладает ультразвуковая сварка, к ним относят:

  1. Отсутствует потребность в защитной атмосфере;
  2. Нет особых требований к зачистке места стыковки;
  3. Сваривать можно заготовки любых форм;
  4. Есть возможность полностью автоматизировать работу и с легкостью интегрировать сварку с остальными производственными процессами;
  5. Способ является экологически чистым, при его использовании не применяются химикаты, а выделяемые пары образуются в очень небольшом количестве;
  6. Ультразвуковая сварка не предполагает использование сверхвысоких температур, поэтому работать можно с металлами, которые чувствительны к теплу, а также с другими материалами различными по составу;
  7. Расходные материалы, такие как электрод, проволока или припой не используются при ультразвуке;
  8. Чтобы добиться соединения достаточно четверти секунды;
  9. Экономичность со стороны энергозатрат;
  10. Соединение всегда имеет эстетичный вид и высокую надёжность.

Недостатки

Как и любой другой способ соединения, ультразвуковая сварка имеет не только преимущества, но и отрицательные моменты:

  • величина подвергающихся сварке деталей имеет свои ограничения, а именно не более 250 мм. Это объясняется тем, что могут возникать трудности с контролем амплитуды, а также ограничением в выходящей мощности датчика. Ещё это происходит из-за отсутствия возможности сонотрода, передать достаточную мощность звуковой волны;
  • такая сварка не будет актуальной при соединении толстостенных материалов. Это значит, что одна из заготовок должна быть легкой обязательно, ведь она будет поглощать основное количество энергии;
  • влага, которая может находиться в материале, должна присутствовать в небольшом количестве. А если её много, актуальным станет использование вибрационной сварки.

Как ультразвук воздействует на детали?

Все прекрасно понимают и учили ещё в школе, что вся твердая материя состоит из атомов, имеющих определённый порядок построения, это называется кристаллическая решетка. Эти частицы могут совершать возвратно-поступательные колебания, относящиеся к своему изначальному положению.

Любое вещество имеет свою внутреннюю энергию, и чем она выше, тем большей будет амплитуда колеблющихся частиц. Когда это происходит, молекулы могут потерять имеющуюся связь между собой.

В таком состоянии, но с амплитудой, которая понижена, собственно и происходит рекомбинация тех самых связей внутри вещества.

В итоге ультразвуковая сварка обеспечивает довольно надёжное соединение за очень короткий временной промежуток, путём дополнительного стимула, который даёт толчок для увеличения амплитуды колебаний.

Для этого ультразвуковые волны направляются на место будущего соединения, где и происходят данные реакции. Это не занимает много времени и не является сверх трудоёмким процессом.

 Поэтому ультразвук — это один из самых приемлемых способов соединения для опытных сварщиков.

Используемое оборудование

Все оборудование для ультразвукового контроля сварки включат в себя несколько составляющих:

  1. Механика, создающая давление на соединяемые детали;
  2. Акустический узел, включающий в себя волновод;
  3. За качеством и контролем процесса следит специальная аппаратура;
  4. Генератор электроколебаний.

Некоторые задумываются о том, стоит ли пытаться сделать такое устройство своими руками? Это уместно только в том случае, если речь идет о высококвалифицированном работнике, так как дело придётся иметь с физическими, а также математическими расчетами.

Если все правила не будут учитываться и произойдёт хотя бы малейшее отклонение от схемы требуемого оборудования, добиться качественного результата не получится, а в худшем случае детали не будут соединяться вовсе.

Поэтому, прежде чем садится за такой проект, нужно быть на 100% уверенным в своих силах, обладать соответствующими знаниями и опытом.

Сферы использования ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка не может похвастаться своей универсальностью в сваривании конструкций. С одной стороны, это идеальный способ соединения большего количества материалов. С другой, они должны отличаться высокой пластичностью и не иметь огромных линейных размеров. Только в таком случае с помощью ультразвука можно будет добиться самого качественного результата.

А вот если речь идёт о сварке более мягких материалов (например, пластика), то в таком случае ситуация будет выглядеть намного положительней. Здесь не будут распространяться вторичные звуковые волны, а частицы на месте стыков будут быстро активироваться, что приведёт к скорейшему и качественному соединению.

Поэтому самым распространённым подвидом ультразвуковой сварки, является соединение с её помощью пластмасс. Её часто используют при большом промышленном производстве, а также во многих специализированных мастерских.

Сварка актуальна в случае, когда невозможно применять стандартные методы, подразумевающие использование высоких температур, что не приведёт к положительному результату ремонт детали, которая имеет высокую чувствительность к теплу.

При работе с металлическими деталями, сварка с помощью ультразвука будет сопровождаться выделением определённого количества тепла. Оно образуется за счет пластической деформации и возникновением трения на поверхностях, подвергающихся соединению.

Сама температура не является постоянной, а будет зависеть от ряда факторов, таких как твёрдость металла, а также его физических свойств (имеется в виду теплоёмкость и теплопроводность).

Незначительным образом на это также повлияет выбранный режим сварочной работы.

Как работает оборудование?

Установка надёжной ультразвуковой сварки должна просчитываться до мелочей. Если все условия выполнены, она будет работать четко и без перебоев. Генератор нужен для создания электрических колебаний. Они переходят в состояние звуковых волн с высокой частотностью. Волны являются упругими.

Значит передаваться, они будут через волноводы, сконструированные в виде стержней или полых трубок.

Как говорили ранее, молекулы характеризуются определённой частотой колебаний, и когда волны, совпадающие по частоте, входят в реакцию, это образует резонанс, то есть амплитуда движения частиц начинает увеличиваться. Это как раз то, что помогает сварить конструкцию.

Читайте также:  Чем интересен импульсный сварочный аппарат?

Когда молекулы начинают смещаться друг к другу, этого уже достаточно для надёжной стыковки. Но чтобы соединять различные материалы, нужны и разная частота колебаний, которая регулируется соответствующей аппаратурой.

Вывод

Способ сваривания деталей с помощью ультразвука, это эффективный метод, но не всегда.

Стоит учитывать ряд физических и математических особенностей, которые необходимы для получения качественного результата.

Процесс довольно сложный и требует высокой квалификации специалиста проводящего работы с соединениями, то же самое касается сооружения аппарата самостоятельно. Зачастую это не приводит к ожидаемому успеху.

Сергей Одинцов

Источник: http://electrod.biz/vidy/ultrazvukovaya-svarka-osobennosti.html

Анализ возможностей ультразвуковой сварки

Трудно представить механизм или конструкцию, в котором бы не требовалось соединение отдельных деталей, частей, материалов. Связь часто необходима жёсткая, монолитная. В таких случаях применяют различные варианты сварки. Универсальным способом, который подходит для металла, пластмассы является ультразвуковая сварка под давлением.

Плюсы и минусы использования ультразвука

Колебания упругой среды может происходить с различной частотой. В зависимости от частоты, среда по разному реагирует на колебания. В технике, медицине большое распространение нашли ультразвуковые колебания или колебания с частотой более 20кГц.

Одной из областей применения ультразвука является сваривание различных веществ. Используют сварку ультразвуком достаточно широко, особенно при производстве таких веществ, материалов, устройств:

  • полупроводников;
  • микроприборов и микроэлементов для электроники;
  • конденсаторов, предохранителей, реле, трансформаторов;
  • нагревателей бытовых холодильников;
  • приборов точной механики и оптики
  • реакторов;
  • сращивании концов рулонов различных тонколистовых материалов (медь, алюминий, никель и их сплавы) в линиях их обработки.

Автомобильная промышленность так же один из потребителей возможностей ультразвука.

Кроме того это единственный способ соединения полимерных материалов между собой.

Как и любой технологический процесс ультразвуковая сварка имеет свои плюсы и минусы. Плюсами такого способа соединения являются:

  • нагрев свариваемых частей не превышающий пределов пластической деформации;
  • незначительные энергозатраты;
  • предварительный этап по подготовке деталей состоит из их обезжиривания;
  • для сварочных работ такого вида нет ограничений по типу поверхности. Это может быть поверхность оксидированная, плакированная, с изоляционной плёнкой;
  • возможность сваривания материалов различных форматов, например, металлов, пластмасс, полимеров;
  • потенциал в сварочных работах с ультратонкими листами;
  • этот вид сварки может соединить материалы с разнородной структурой в единый пакет;
  • подходит для работы с такими металлами, для которых другие виды сварки невозможны из-за их свойств (молибден, вольфрам, тантал, цирконий);
  • быстрота процесса и значительный уровень автоматизации;
  • высокая прочность сварочного шва;
  • не выделяются вредные вещества в процессе работы.

К недостаткам можно отнести вредное воздействие ультразвука на организм человека и необходимость предварительного сжатия свариваемых деталей. Минусом считается и высокотехнологичные генераторы ультразвука.

Физические основы применения ультразвука для сварки

Для выполнения сварочных работ используется оборудование, состоящие их нескольких узлов:

  • источник питания;
  • блок управления технологическим циклом сварки;
  • механическая колебательная система;
  • привод давления.

Основные функции технологического процесса возложены на механическую колебательную систему. Она выполняет такие технологические этапы:

  • преобразует электрическую энергию в механическую;
  • передаёт механическую энергию в зону сварки;
  • синхронизирует внутреннее сопротивление свариваемых деталей с сопротивлением нагрузки;
  • согласует размеры зоны, куда вводится энергия, с параметрами излучателя;
  • концентрирует энергию;
  • обеспечивает получение требуемого показателя колебательной скорости излучателя.

В качестве источника механических колебаний выступает электромеханический преобразователь из веществ, обладающих магнитострикционными или электрострикционными свойствами. Это может быть никель, пермендюр, титан бария.

В таких веществах переменное электромагнитное поле создаёт механические напряжения, что вызывает упругие деформации.

Далее энергия концентрируется и предаётся к сварочному наконечнику — волноводу, а амплитуда механических колебаний увеличивается.

Если приложить колебания ультразвуковой частоты к деталям, в них возникнут касательные напряжения. Эти напряжения вызывают пластические деформации материала, из которого изготовлены свариваемые детали.

Механические колебания с частотой свыше 20 кГц в точках соприкосновения со свариваемым материалом станут источниками повышения температуры из-за сил трения.

Соединяемые поверхности сближаются на расстояния, при которых в силу вступают силы межатомного взаимодействия.

После сближения свариваемых поверхностей, соединение происходит за счёт тепловой диффузии атомов поверхностных слоёв.

Основные характеристики ультразвукового сварочного оборудования:

  • сдавливающее усилие — от 0,1кН до 2 кН;
  • потребляемая мощность колеблется в пределах 4-6 кВ;
  • рабочее время сварки — до 3 с;
  • амплитуда механических колебаний — от 10 до 20 мкм

Такие показатели позволяют сваривать детали толщиной около 2 мм, но при этом второй элемент может иметь и большую толщину, которая иногда превышает в 1000 раз.

Как сварить между собой полимеры

Важность применения ультразвука в сварочных работах связана и с возможностью проводить ультразвуковую сварку полимерных материалов.

Ультразвуковые колебания увеличивают пластические свойства полимеров там где происходит контакт. При первичном контакте происходит разрыв химических связей и активируются полимерные молекулы.

Затем, за счёт химического взаимодействия, наблюдается взаимодействие на поверхностях соединения.

Деформирование полимера с частотой соответствующей ультразвуковой, вызывает его нагрев до определённого значения температуры. Эта температура должна соответствовать определённому состоянию материала:

  • для аморфных полимеров — вязко-текучее состояние;
  • для частично кристаллических полимеров — плавление.

Такое состояние веществ способствует протеканию диффузии.

Некоторые этапы ультразвуковой сварки пластмасс отличаются от аналогичного процесса в металлах. Их можно определить в таком порядке:

  • подключение генератора ультразвуковых колебаний;
  • преобразование ультразвуковых колебаний в механические продольные;
  • создание статического давления;
  • подключение волновода, который создаёт динамическое усилие, а так же увеличивает температуру в зоне сварки.

При такой схеме оба вида усилия лежат в одной плоскости, которая перпендикулярна расположению свариваемой поверхности. Таким способ часто сваривают абсолютно разные по типу химических связей вещества: пластмасс металл, металл-керамика.

Источник: http://stroitel5.ru/analiz-vozmozhnostejj-ultrazvukovojj-svarki.html

Ультразвуковая сварка

Частым требуемым условием сварочного соединения является его ювелирная прочность и равномерность. Ультразвуковая сварка – метод сварки, способный устранить мельчайшие микронеровности и деформирование поверхностей, также зона сварки полностью очищается от всевозможных загрязнений.

Изюминка этого процесса заключается в одновременном воздействии на поверхность заготовок силы сжатия последовательных смещений ультразвуковой частоты. Ультразвук передается непосредственно к сварному участку через плоскость всей заготовки от станка.

Колебания обеспечивают рассеивание энергии и значительное увеличение температурных показателей в месте предполагаемого соединения.

Высокая температура способствует пластинчатой деформации, что является обязательным условием качественного конечного результата сварки.

Область применения:

  1. Соединение тончайших заготовок из листовой фольги.
  2. Сварка листовых заготовок, проволоки.
  3. Ультразвуковая технология демонстрирует отличные показатели при соединении разнородных сплавов и других материалов.

Применяется в микроэлектронике, изготовлении полупроводниковых устройств, приспособлений тонкой механической направленности, в оптике. Ультразвуковой метод сварки обеспечивает соединение материалов, которые практически не пропускают электричество и обладают низкой способностью к теплопроводности.

Ультразвуковая сварка пластмасс

Сварка с применением ультразвуковых колебаний является инновационным способом соединения различных по составу материалов, успешность которого обеспечивается преобразованием высокочастотных колебаний механической природы в тепловую энергию. Полученное тепло способствует размягчению поверхностей заготовок, а оказываемое давление становится гарантом идеального плотного прилегания соединяемых материалов.

Положительными особенностями сварки ультразвуковым методом являются следующие:

  • Допускается сварка заготовок, одна из которых может обладать неограниченной толщиной. Также поддерживается возможность сварки деталей с затрудненным доступом к предполагаемому месту соединения. Эти возможности объясняются используемым 1 электродом. Энергия ультразвука может передаваться на удаленное от источника место соединения.
  • Производительность всего процесса колеблется на высоких отметках. Максимальное нагревание происходит исключительно в месте соединения свариваемых поверхностей, что исключает чрезмерный перегрев пластмасс в толщине материала. Также исключается перегрев по длине привариваемой заготовки.
  • Отсутствуют радиопомехи.
  • Напряжение к свариваемым поверхностям не поступает.
  • Ультразвуковые колебания содействуют сварке широкого многообразия заготовок, применяются различные материалы свариваемых поверхностей, допускается работа с полимерными конструкциями.

Ультразвуковой контроль сварки

Для создания качественного конечного результата процесс сварки двух поверхностей начинается с предварительного ультразвукового контроля.

Начальной операцией контроля ультразвуком является зачистка сварной поверхности в месте непосредственного соединения. Благодаря этому удаляются металлические остатки, брызги металла, остаточный шлак и окалина.

Зачистка выполняется специальным небольшим шлифовальным устройством, в редких случаях требуется ручная зачистка напильником либо наждачной бумагой.

Любой оставшийся дефект выскакивает на дисплее дефектоскопа в виде четкого импульсного всплеска. Обнаружение недочета дефектоскопом предполагает дальнейшую оценку глубиномером, что позволяет выявить насколько глубину дефекта.

Подробный анализ выполненной работы позволяет создавать полностью герметичные и однородные сварные швы, которые используются в передовых областях. Высокое качество сварки делает технологию ультразвукового соединения заготовок практически незаменимой в некоторых процессах.

Ультразвуковая сварка металлов: возможности инновационного метода

Простотой сварки с применением этого метода характеризуются пластичные металлические поверхности (серебро, золотые материалы, никелевые сплавы), причем для соединения с этими поверхностями подойдет практически любая заготовка, даже твердая непластичная структура.

Стоит отметить: при увеличении твердости материалов ультразвуковой метод теряет свариваемость поверхностей.

В процессе сварки металлических конструкций главной разновидностью соединений считается нахлесточный тип, имеющий несколько конструктивных элементов. Выполнение сварочных работ может осуществляться через одну либо несколько активных точек соприкосновения, также может поддерживаться постоянный непрерывный единичный шов. Сварка может выполняться даже замкнутым контуром.

Последним нововведением в ультразвуковых сварочных работах является соединение не одной заготовки, а одновременно нескольких. Такой тип соединений называется сваркой пакетом.

Ручная ультразвуковая сварка

Сварочные работы с применением ультразвука выполняются как в автоматическом режиме на современном оборудовании, так и ручном альтернативном варианте. При ручном методе соединения заготовок мастер собственноручно обеспечивает перемещение акустической головки при полной неподвижности основного изделия.

Установка ручного типа состоит из:

  1. Генератор ультразвуковой.
  2. Подвижная акустическая головка.
  3. Преобразователь.
  4. Обособленный волновод с дополнительными сменными насадками.

Специализированная заточка каждой насадки позволяет получить несколько разновидностей ширины конечных швов.

Перспективное развитие сварочной технологии ультразвука активно используется на современных заводах.

Технологичные компании применяют этот метод сварочных работ для производства судов, в авиастроении, при создании реакторов и других инновационных изобретений, где требуется уникальная прочность и стабильность сварных швов. Активно применяется этот метод соединения заготовок в космической отрасли, ракетостроении и атомной сфере.

Источник: http://svarkagid.com/ultrazvukovaja-svarka/

Сварка ультразвуком

Метод сварки пластмасс ультразвуком — один из новых про­мышленных методов соединения полимерных материалов, осно­ванный на преобразовании механических высокочастотных коле­баний {более 20 000 Гц) в тепловую энергию. Выделяемое при этом тепло размягчает свариваемые поверх­ности, генерируясь в толще материала, а при­ложенное давление обеспечивает плотный кон­такт внутренних поверхностей материала.

Читайте также:  Пайка деталей лазером: особенности процесса и технологии выполнения

Получение и передача ультразвуковых ко­лебаний на материал осуществляется по сле­дующей схеме (рис. 19). Вибратор 1 преобра — _ зует электрическую энергию высокой частоты в механические колебания сердечника с ча­стотой ультразвука.

Колебания очень малень­кой амплитуды передаются от вибратора к концентратору 2, который усиливает механи­ческие колебания и благодаря своей особой конструкции концентрирует их в конце волно­вода.

Конец волновода является сварочным инструментом (электродом) или опорой, когда в качестве электрода используют наконечники.

Колебания от волновода передаются полимер­ному материалу 3, который укладывают на опору — отражатель 4. Отражатель может быть пассивным (ненастроенным) и активным (настроенным). В свою очередь, отражатель укладывают на опорную поверхность стола 5.

Давление осуществляется со стороны электрода, как по­казано на схеме, или со стороны опорной поверхности стола.

Ультразвуковую сварку применяют в основном для соединения материалов с низкой электро — и теплопроводностью, большинство из которых трудно или вообще не возможно сваривать другими методами. Ультразвуком сваривают следующие полимерные
материалы: органическое стекло, винипласт, полиэтилен, поливи­нилхлорид, полистирол и др.

Процесс образования соединения при ультразвуковой сварке можно условно разделить на две стадии. Вначале происходит на­грев соединяемых материалов. На второй стадии между нагретыми до вязкотекучего состояния контактирующими поверхностями воз­никают связи, которые и обеспечивают получение неразъемного соединения.

5 Особенности сварки ультразвуком состоят в следующем:

і 1) можно соединять детали, толщина одной из которых прак­

тически неограничепа, и осуществлять сварку конструкций, в ко­торых затруднен доступ к месту сварки; это объясняется тем, что. сварка осуществляется с помощью одного электрода, односто — : роиним способом, ультразвуковая энергия может подводиться на значительном расстоянии от места соединения;

2) высокая производительность процесса; так как максималь­ный разогрев происходит на свариваемых поверхностях, вслед­ствие чего исключается значительный перегрев пластмасс по тол­щине или длине привариваемого стержня;

3) не создаются радиопомехи;

4) не подводится напряжение к свариваемым поверхностям;

5) возможна сварка более широкого ассортимента и больших толщин изделий из различных полимерных материалов, чем при сварке ТВЧ.

По характеру распределения вводимой механической энергии относительно свариваемых поверхностей ультразвуковая сварка может быть разделена на контактную и передаточную.

В первом случае механическая энергия равномерно распре­делена по всей площади контакта свариваемых изделий, Этот вид ультразвуковой сварки обычно применяют-для соединения эластич­ных пластмасс небольшой толщины (— 0,05—1,5 мм). Наиболее распространены соединения внахлестку.

При передаточной ультразвуковой сварке механические коле­бания вводятся в отдельной точке или на небольшом участке по­верхности верхнего изделия.

Передача и равномерное распреде­ление механической энергии зависят в этом случае от упругих свойств свариваемого материала.

Поэтому передаточную сварку применяют для соединения объемных деталей из жестких пласт­масс, таких как полистирол, полиметилметакрилат и др. Наибо­лее рациональны соединения встык или втавр.

По степени непрерывности процесса ультразвуковую сварку можно разделить на прессовую и непрерывную. Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение волновода.

По этой схеме может осуществляться как контактная, так и передаточная ульт­развуковая сварка.

Непрерывная сварка позволяет получить не­прерывные протяженные сварные швы за счет относительного перемещения волновода и свариваемого изделия.’ Она исполь­

зуется для сварки изделий из пленок и синтетических тканей: мешков, фильтров, непромокаемой одежды и др.

По степени механизации непрерывная сварка делится на руч­ную и механизированную.

При ручной сварке непрерывные швы любой конфигурации получают за счет перемещения сварочного пистолета, а изделие при этом остается неподвижным.

Таким спо­собом можно соединять многослойные пакеты из разных пленок с покрытием. При механизированной непрерывной сварке, как правило, перемещается свариваемое изделие, а сварочный волно­вод остается неподвижным.

Оптимальный режим, зависящий от свойств свариваемого ма­териала, толщины и формы изделия, состояния контактируемых поверхностей и целого ряда других факторов, определяется в каж­дом конкретном случае экспериментально.

В связи с массовым характером производства и отсутствием простых и надежных методов неразрушающего контроля для свар­ных изделий из пластмасс особое значение приобретает надеж­ность и стабильность технологического процесса сварки. Для по­вышения стабильности свойств сварного соединения и получения — соединения с максимальной прочностью режим сварки в каждом отдельном случае может меняться,

На сварочном оборудовании могут быть установлены приборы контроля и регулирования технологическим процессом.

Сварка полиэтилена. Ультразвуковую сварку применяют при изготовлении емкостей, различных контейнеров и труб, пред­назначенных для хранения пищевых и других промышленных про­дуктов.

В большинстве случаев при упаковке продуктов в полиэтилено­вую тару соединяемые поверхности загрязнены упаковываемым продуктом. Поэтому использование других методов сварки, кроме ультразвукового, в данном случае исключено.

Загрязненность сва­риваемых поверхностей упаковываемым продуктом накладывает специфические требования к процессу ультразвуковой сварки, так как это оказывает влияние на прочность получаемого сварного соединения.

Загрязнение поверхности приводит к понижению проч­ности сварного соединения.

Кроме того, при сварке изделий из полиэтилена следует учи­тывать особенности хранения и предшествующую обработку сое­диняемых изделий, которая также влияет на прочностные и экс­плуатационные характеристики сварного шва.

Применение предварительной термообработки в интервале температур 50—100 °С незначительно влияет на прочность свар­ных соединений (прочность уменьшается соответственно на 5—9% по сравнению с прочностью образцов, сваренных без предвари — тел ьной терм ообра б отки).

С повышением температуры обработки до 115 °С наблюдается понижение прочности на 17%, и продолжительность сварки при этом увеличивается на 2—3 с.

ЙЯ

Значительно влияет на качество сварного шва старение поли­этилена в условиях солнечной радиации. После 30 ч облучения ультрафиолетовыми лучами образец нестабилизйрованного поли­этилена низкой плотности толщиной 0,7 мм перестает свари­ваться, Полиэтилен, стабилизированный сажей или парафином, перестает свариваться после 60 ч облучения.

Сварка полистирола. Ультразвуковую сварку изделий из полистирола применяют для изготовления различных контейне­ров и сосудов, игрушек, спортивных товаров, а также для упа­ковки пищевых продуктов, медикаментов, косметики и т. д.

В за­висимости от формы изделия и свойств материала применяют кон­тактную и передаточную сварку или комбинацию этих методов.

Каждый из выпускаемых в настоящее время полистиролсв (блоч­ный, суспензионный, эмульсионный и ударопрочный) имеет раз­личную способность свариваться — от наилучшей у блочного до наихудшей у ударопрочного полистирола.

При сварке изделий из полистирола одним из важных факто­ров, влияющих на процесс формирования сварных швов, является качество соединяемых поверхностей.

Хорошая геометрическая форма и правильная подготовка поверхностей не только облегчает сварку, но и способствуют повышению прочности шва, увеличи­вают производительность процесса и позволяют строго фиксировать одну часть свариваемого изделия относительно другой его части.

Разделки кромок могут различаться по форме, по в основном одна из стыкуемых деталей должна иметь выступ, входящий но..всей длине в соответствующий паз другой детали (рис. 20).

Стыкуемые детали должны обладать наименьшей контактной по­верхностью; поэтому паз выполняют плоским, а выступ — острым. Острие выступа должно контактировать с соединяемой поверхно­стью на очень небольшой площади, которая сводится почти к ли­нии.

Это способствует концентрации механической энергии на вы­ступе, ускоряет процесс нагрева и сварки пластмасс.

Наилучшей является V-образная разделка свариваемых кро­мок, которая применяется для соединения деталей, показанных па рис, 20, а. На верхней детали делается V-образный выступ, а на нижней—V-образиый паз.

Высота выступа должна быть больше, чем глубина паза на 0,05—0,030 мм. При таком типе соединений достигается. лучшая текучесть разогретого материала под дейст­вием давления и шов имеет хороший внешний вид.

При сварке соединений необходимо предусматривать допуски на текучесть размягченного полимера, который выдавливается из зоны шва, образуя грат.

Если грат нежелателен, используют спе­циальные конструкции шва, чтобы избежать выплесков полимера (см, рис. 20,6 и а).

Доведенный до вязкотекучего состояния по­лимер должен соединять две стыкуемые поверхности, заполняя за­зор в несколько десятых долей миллиметра.

Линия наплыва вдоль шва и выход наплыва за пределы шва свидетельствуют о том, что сварка произошла, В тех случаях,

когда требуется герметичность изделия, необходимо, чтобы свар­ные детали имели линию наплыва. Однако линия наплыва боль­шей частью ухудшает внешний вид изделия, поэтому ее следует избегать в особенности на полированных поверхностях.

Улучшение внешнего вида достигается ступенчатой конструк­цией рабочей части волновода, при этом выступ изготовляют так, чтобы наплыв образовывался на внутренней стороне изделия. Ма­логабаритные детали несложной формы свариваются за один кон-

а

Рис. 20. Типы разделки кромок свариваемых поверхно­стей изделия.

такт волновода с изделием, причем волновод устанавливается перпендикулярно к свариваемым поверхностям по оси симметрии соединения. Если деталь сложная и длина сварного шва значи­тельная, то количество точек и место введения ультразвуковых колебаний определяются экспериментально.

На свариваемость жестких пластмасс большое влияние оказы­вают условия хранения соединяемых деталей. Длительное хране­ние деталей до сварки приводит к уменьшению прочности сварного соединения, .

Особенно сильно уменьшается прочность соединения при сварке деталей, прошедших длительное хранение в атмосферт ных условиях.

Таким образом, для получения качественных свар­ных соединений сварку необходимо производить либо сразу же после отливки деталей, либо хранить литые детали в темных хо­лодных помещениях. Хранение деталей в атмосферных условиях при наличии солнечной радиации недопустимо..

Применение ультразвука для сварки деталей детских игрушек из полистирола позволило полностью исключить процесс склеива­ния дихлорэтаном,, толуолом и другими растворителями, примене­ние которых приводит к значительной загазованности воздушной среды. Использование ультразвуковой сварки повышает произво­дительность труда и культуру производства.

Соединение пластмасс с металлами. В последнее время ультразвук применяется не только для сварки пластмасс, но и для соединения пластмасс с металлами и впрессовки метал­лических изделий в пластмассы.

При соединении металлических изделий с пластмассовыми в металлическом изделии делают отверстие, а в изделии из пласт­массы— штифт, выполненный как одно целое с изделием.

Ме­таллическое изделие надевают на штифт, а на выступающую часть штифта накладывают ультразвуковой инструмент — волновод, то­рец которого имеет два сферических углубления.

Под действием ультразвука выступающая часть штифта размягчается и дефор­мируется инструментом в две полусферические головки, образую­щие замковое’ соединение, напоминающее собой соединение за­клепками.

Источник: http://hssco.ru/svarka-ultrazvukom/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector