Spawanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych, tworzyw sztucznych, metali, materiałów polimerowych, profili aluminiowych. Zgrzewanie ultradźwiękowe: technologia, czynniki szkodliwe

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Ultradźwiękowe spawanie metali to proces, podczas którego uzyskuje się trwałe połączenie w fazie stałej. Powstawanie obszarów młodzieńczych (w których powstają wiązania) i kontakt między nimi następuje pod wpływem specjalnego narzędzia. Zapewnia wspólne działanie względnych przemiennych przemieszczeń stycznych o małej amplitudzie i normalnej sile ściskającej na półfabrykaty. Przyjrzyjmy się bliżej, czym jest technologia zgrzewania ultradźwiękowego.

Mechanizm połączenia

Przemieszczenia o niskiej amplitudzie występują pomiędzy częściami o częstotliwości ultradźwiękowej. Dzięki nim mikronierówności na powierzchni części ulegają odkształceniom plastycznym. Jednocześnie zanieczyszczenia są ewakuowane ze strefy połączenia. Ultradźwiękowe drgania mechaniczne przenoszone są na miejsce spawania z narzędzia na zewnątrz przedmiotu obrabianego. Cały proces jest zorganizowany w taki sposób, aby wykluczyć ślizganie się oprawy i podparcie wzdłużpowierzchnie detali. Podczas przechodzenia drgań przez obrabiany przedmiot energia jest rozpraszana. Zapewnia to tarcie zewnętrzne pomiędzy powierzchniami na początkowym etapie zgrzewania oraz tarcie wewnętrzne w materiale znajdującym się pomiędzy podporą a narzędziem po utworzeniu obszaru wiązania. Podnosi to temperaturę w złączu, ułatwiając odkształcanie.

Specyficzne zachowanie materiału

Przemieszczenia styczne pomiędzy częściami oraz naprężenia, które powodują i działają wraz ze ściskaniem od siły spawania, zapewniają lokalizację poważnych odkształceń plastycznych w małych objętościach w warstwach przypowierzchniowych. Całości procesowi towarzyszy rozdrabnianie i mechaniczne usuwanie warstw tlenków i innych zanieczyszczeń. Zgrzewanie ultradźwiękowe zmniejsza granicę plastyczności, ułatwiając w ten sposób odkształcenie plastyczne.

Funkcje procesu

Zgrzewanie ultradźwiękowe przyczynia się do tworzenia niezbędnych warunków połączenia. Zapewniają to mechaniczne drgania przetwornika. Energia wibracji tworzy złożone naprężenia ścinające, ściskające i odkształcające. Odkształcenie plastyczne występuje, gdy przekroczone są granice sprężystości materiałów. Uzyskanie mocnego połączenia zapewnia zwiększenie obszaru bezpośredniego kontaktu po odprowadzeniu tlenków powierzchniowych, filmów organicznych i zaadsorbowanych.

Korzystanie z KM

Ultradźwięki są szeroko stosowane w nauce. Z jego pomocą naukowcy badają szereg właściwości fizycznychsubstancje i zjawiska. W przemyśle ultradźwięki wykorzystywane są do odtłuszczania i czyszczenia produktów, pracujących z materiałami trudnymi do obróbki. Ponadto fluktuacje korzystnie wpływają na krystalizujące topy. Ultradźwięki zapewniają im odgazowanie i rozdrobnienie ziarna, poprawiając właściwości mechaniczne materiałów odlewanych. Wibracje przyczyniają się do usuwania naprężeń szczątkowych. Są również szeroko stosowane w celu zwiększenia szybkości powolnych reakcji chemicznych. Zgrzewanie ultradźwiękowe może być wykorzystywane do różnych celów. Wibracje mogą stać się źródłem energii do tworzenia połączeń szwowych i punktowych. Gdy jeziorko spawalnicze jest poddawane działaniu ultradźwięków podczas krystalizacji, właściwości mechaniczne złącza ulegają poprawie dzięki udoskonaleniu struktury spoiny i intensywnemu usuwaniu gazów. Ze względu na to, że wibracje aktywnie usuwają brud, sztuczne i naturalne filmy, możliwe jest łączenie części o oksydowanej, lakierowanej itp. powierzchni. Ultradźwięki przyczyniają się do zmniejszenia lub wyeliminowania samonaprężeń pojawiających się podczas spawania. Dzięki wibracjom możliwa jest stabilizacja elementów struktury mieszanki. To z kolei umożliwia zapobieganie późniejszemu samoistnemu odkształcaniu się konstrukcji. Spawanie ultradźwiękowe jest ostatnio coraz szerzej stosowane. Wynika to z niewątpliwych zalet tej metody łączenia w porównaniu z metodami zimnymi i kontaktowymi. Szczególnie często drgania ultradźwiękowe są stosowane w mikroelektronice.

Obiecujący kierunekrozważane zgrzewanie ultradźwiękowe materiałów polimerowych. Niektórych z nich nie da się połączyć w żaden inny sposób. W przedsiębiorstwach przemysłowych obecnie przeprowadza się zgrzewanie ultradźwiękowe cienkościennych profili aluminiowych, folii, drutu. Ta metoda jest szczególnie skuteczna w przypadku łączenia produktów z różnych surowców. Zgrzewanie ultradźwiękowe aluminium stosowane jest w produkcji sprzętu AGD. Metoda ta jest skuteczna przy łączeniu surowców arkuszowych (nikiel, miedź, stopy). Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych znalazło zastosowanie w produkcji urządzeń optyki i mechaniki precyzyjnej. Obecnie stworzono i wprowadzono do produkcji maszyny do łączenia różnych elementów mikroukładów. Urządzenia wyposażone są w automatykę, dzięki czemu znacząco wzrasta wydajność.

Moc USA

Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzywa sztucznego zapewnia trwałe połączenie dzięki połączonemu działaniu drgań mechanicznych o wysokiej częstotliwości i stosunkowo niewielkiej sile ściskającej. Ta metoda ma wiele wspólnego z metodą na zimno. Moc ultradźwięków, które mogą być przesyłane przez medium, będzie zależeć od właściwości fizycznych tego ostatniego. Jeśli granice wytrzymałości w strefach ściskania zostaną przekroczone, materiał stały zapadnie się. W podobnych sytuacjach w cieczach występuje kawitacja, której towarzyszy pojawianie się małych pęcherzyków i ich późniejsze zapadanie się. Wraz z tym ostatnim procesem powstają lokalne naciski. Zjawisko to jest wykorzystywane w czyszczeniu i przetwarzaniu produktów.

Węzły urządzeń

Zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych odbywa się za pomocąmaszyny specjalne. Zawierają następujące węzły:

1. Zasilanie.
2. Wibracyjny system mechaniczny.
3. Sprzęt sterujący.
4. Napęd ciśnieniowy.

System oscylacyjny służy do przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną w celu jej późniejszego przekazania do sekcji łączącej, koncentracji jej i uzyskania wymaganej wartości prędkości emitera. Ten węzeł zawiera:

1. Przetwornik elektromechaniczny z uzwojeniami. Jest zamknięty w metalowej obudowie i chłodzony wodą.
2. Elastyczny transformator oscylacyjny.
3. Wskazówka spawalnicza.
4. Wsparcie z mechanizmem dociskowym.

System jest mocowany za pomocą membrany. Promieniowanie ultradźwiękowe występuje tylko w momencie spawania. Proces przebiega pod wpływem drgań, nacisku przyłożonego pod kątem prostym do powierzchni oraz efektu termicznego.

Możliwości metody

Zgrzewanie ultradźwiękowe jest najbardziej efektywne w przypadku tworzyw sztucznych. Produkty wykonane z miedzi, niklu, złota, srebra itp. można łączyć ze sobą oraz z innymi produktami niskoplastycznymi. Wraz ze wzrostem twardości pogarsza się spawalność ultradźwiękowa. Wyroby ogniotrwałe z wolframu, niobu, cyrkonu, tantalu, molibdenu są skutecznie łączone za pomocą ultradźwięków. Zgrzewanie ultradźwiękowe polimerów jest uważane za stosunkowo nową metodę. Takie produkty można również łączyć zarówno ze sobą, jak iz innymi częściami stałymi. Jeśli chodzi o metal, można go łączyć zszkło, półprzewodniki, ceramika. Możesz także związać puste miejsca przez warstwę pośrednią. Na przykład produkty stalowe są spawane ze sobą za pomocą aluminium z tworzywa sztucznego. Dzięki krótkiemu przebywaniu w podwyższonej temperaturze uzyskuje się wysokiej jakości połączenie różnych produktów. Właściwości surowców ulegają niewielkim zmianom. Brak obcych zanieczyszczeń to jedna z zalet zgrzewania ultradźwiękowego. Brak również czynników szkodliwych dla ludzi. Po podłączeniu powstają dogodne warunki higieniczne. Wiązania produktów są chemicznie jednorodne.

Funkcje połączenia

Spawanie metali odbywa się z reguły na zakładkę. Jednocześnie dodawane są różne elementy projektu. Spawanie może odbywać się punktowo (jeden lub więcej), ciągłym szwem lub w zamkniętym okręgu. W niektórych przypadkach podczas wstępnego formowania końca półwyrobu drutu wykonuje się połączenie trójnikowe z płaszczyzną. Możliwe jest zgrzewanie ultradźwiękowe kilku materiałów jednocześnie (pakiet).

Grubość części

Jest ograniczony przez górną granicę. Wraz ze wzrostem grubości metalowego przedmiotu konieczne jest zastosowanie oscylacji o większej amplitudzie. To zrekompensuje utratę energii. Z kolei wzrost amplitudy jest możliwy do pewnego limitu. Ograniczenia są związane z prawdopodobieństwem pęknięć zmęczeniowych, dużych wgnieceń narzędzia. W takich przypadkach należy ocenić, jakzgrzewanie ultradźwiękowe byłoby odpowiednie. W praktyce metoda stosowana jest dla grubości wyrobów od 3…4 µm do 05…1 mm. Spawanie może być również stosowane do części o średnicy 0,01 … 05 mm. Grubość drugiego produktu może być znacznie większa niż pierwszego.

Możliwe problemy

Przy stosowaniu metody zgrzewania ultradźwiękowego konieczne jest uwzględnienie prawdopodobieństwa uszkodzenia zmęczeniowego istniejących połączeń w produktach. Podczas procesu obrabiane przedmioty mogą obracać się względem siebie. Jak wspomniano powyżej, na powierzchni materiału z narzędzia pozostają wgniecenia. Samo urządzenie ma ograniczoną żywotność ze względu na erozję płaszczyzny roboczej. W niektórych miejscach materiał produktu jest przyspawany do narzędzia. Prowadzi to do zużycia urządzenia. Naprawie sprzętu towarzyszy szereg trudności. Wiążą się one z faktem, że samo narzędzie działa jako element nierozłącznej konstrukcji pojedynczej jednostki, której konfiguracja i wymiary są dostosowane dokładnie do częstotliwości roboczej.

Parametry przygotowania produktu i trybu

Przed wykonaniem zgrzewania ultradźwiękowego nie trzeba wykonywać żadnych skomplikowanych pomiarów powierzchni części. W razie potrzeby możesz zwiększyć stabilność jakości połączenia. W tym celu wskazane jest jedynie odtłuszczenie produktu rozpuszczalnikiem. W przypadku łączenia metali ciągliwych za optymalny uważa się cykl z opóźnieniem impulsu w stosunku do początku ultradźwięków. Przy stosunkowo dużej twardości produktu wskazane jest poczekanie na lekkie podgrzanie przed włączeniem ultradźwięków.

Wzory spawalnicze

Jest ich kilka. Schematy technologiczne zgrzewania ultradźwiękowego różnią się charakterem drgań narzędzia. Mogą być skrętne, zginane, podłużne. Rozróżnia się również schematy w zależności od przestrzennego położenia urządzenia względem powierzchni spawanej części, a także od sposobu przenoszenia sił ściskających na produkty i cech konstrukcyjnych elementu nośnego. W przypadku połączeń konturowych, szwowych i punktowych stosuje się warianty z drganiami zginającymi i wzdłużnymi. Działanie ultradźwiękowe można łączyć z lokalnym pulsacyjnym nagrzewaniem części z oddzielnego źródła ciepła. W takim przypadku można osiągnąć szereg korzyści. Przede wszystkim można zmniejszyć amplitudę oscylacji, a także siłę i czas ich transmisji. Właściwości energetyczne impulsu cieplnego oraz okres jego superpozycji na ultradźwięki stanowią dodatkowe parametry procesu.

Efekt termiczny

Spawaniu ultradźwiękowemu towarzyszy wzrost temperatury na złączu. Pojawienie się ciepła jest spowodowane pojawieniem się tarcia na powierzchniach stykających się produktów, a także odkształceniami plastycznymi. W rzeczywistości towarzyszą one powstawaniu połączenia spawanego. Temperatura w miejscu styku będzie zależeć od parametrów wytrzymałościowych. Głównym z nich jest stopień twardości materiału. Ponadto duże znaczenie mają jego właściwości termofizyczne: przewodność cieplna i pojemność cieplna. Wybrany tryb spawania ma również wpływ na poziom temperatury. Jak pokazuje praktyka, pojawiający się efekt termiczny nie stanowi warunku determinującego. toWynika to z faktu, że maksymalna wytrzymałość złączy w produktach jest osiągana przed wzrostem temperatury do poziomu granicznego. Możliwe jest skrócenie czasu przenoszenia drgań ultradźwiękowych poprzez wstępne podgrzanie części. Zwiększy to również siłę połączenia.

Wniosek

Spawanie ultradźwiękowe jest obecnie nieodzowną metodą łączenia części w niektórych gałęziach przemysłu. Metoda ta jest szczególnie rozpowszechniona w mikroelektronice. Ultradźwięki umożliwiają łączenie różnych materiałów plastikowych i twardych. Obecnie aktywnie prowadzone są prace naukowe mające na celu udoskonalenie narzędzi i technologii spawalniczych.