Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ультразвуковая, холодная и диффузионная сварка

Ультразвуковая, холодная и диффузионная сварка

При ультразвуковой сварке соединение образуется под воздействием механических колебаний высокой частоты и усилия сдавливания. Механизм процесса отчасти аналогичен сварке трением.

Свариваются ультразвуком чаще всего тонкие листы (0,05—0,6 мм) в отдельных точках или сплошным швом, как при точечной и шовной контактной сварке. Принцип ультразвуковой сварки заключается в том что, соединяемые листы сдавливаются пуансоном (роликами), к которому от магнито-стрикционного генератора поступают ультразвуковые колебания. Под действием ультразвуковых колебаний вблизи места сварки в металле возникают сдвиговые деформации, которые разрушают окисные поверхностные пленки, затрудняющие образование соединения, и обнажают «чистые», только что образовавшиеся — ювенильные поверхности металла. Атомы таких поверхностей имеют свободные связи, с помощью которых они могут вступать во взаимосвязь с атомами поверхности другого твердого тела и образовывать сварное соединение. В процессе ультразвуковой сварки наблюдается местный разогрев контакта между свариваемыми деталями, что способствует образованию связей между поверхностями свариваемых деталей. Металл не нагревается до плавления, и сварка происходит в твердом состоянии.схема ультразвуковой сварки

Ультразвуковой сваркой свариваются различные металлы, пластмассы, полиэтиленовые и другие пленки.

При ультразвуковой сварке металлов основными, определяющими факторами являются нагрев, уменьшающий твердость и повышающий пластичность металла, и давление, создающее пластическую деформацию и способствующее тесному сближению атомов соединяемых частей. Использование нагрева и давления хорошо выражено в «классическом» способе прессовой сварки. При усилении нагрева до расплавления металла можно не прилагать давление, например, в случае дуговой или газовой сварки.

Холодная сварка

Возможен и противоположный крайний случай, когда значительное повышение давления сделает ненужным нагрев металла и он будет свариваться на холоде. Такой способ, получивший название холодной сварки , как показывает опыт, осуществим не только при комнатной температуре, но и при температуре жидкого азота (около —190° С). Для холодной сварки необходимо сблизить поверхностные атомы соединяемых частей до очень малых расстояний, или, говоря упрощенно, привести их в соприкосновение. При этом силы межатомного взаимодействия создают монолитное соединение, столь же прочное, как и цельный металл.

Осуществлению холодной сварки препятствуют жировые и окисные пленки на поверхности металла, в особенности мономолекулярная пленка из адсорбированных газовых молекул. Жировые и окисные пленки легко удаляются обычными способами очистки; пленку адсорбированных газов удалить очень трудно, так как после очистки она восстанавливается на воздухе за миллиардные доли секунды. Сохранить чистую поверхность на сколько-нибудь продолжительное время можно, лишь производя очистку в высоком вакууме, не ниже 10

8 мм рт. ст. Подобный прием слишком сложен, и вместо него, чтобы произвести холодную сварку, прибегают к значительной пластической деформации, заставляя металл течь вдоль поверхности раздела. При этом смывается и удаляется наружный слой и обнажаются ювенильные поверхности, немедленно срастающиеся в одно целое при сжатии достаточно высоким давлением.

По форме получаемых соединений при холодной сварке различают, аналогично контактной сварке, стыковую, точечную и шовную, или роликовую холодную сварку. Пока что метод холодной сварки находится в стадии перехода от лабораторных исследований к промышленному применению. Из обычных металлов лучше всего сваривается этим способом алюминий, удовлетворительно — медь, никель, серебро. Место после холодной сварки всегда прочнее основного металла, так как образуется значительный наклеп в зоне сварки. Холодная сварка применяется в электротехнике для соединения проводов, а также при производстве различных изделий из алюминия и его сплавов.

Этот метод имеет некоторые принципиальные преимущества, еще слабо используемые промышленностью. Скорость холодной сварки может достичь такой величины, что значительные объемы работ будут теоретически выполнимы за малую долю секунды. Данный способ бездиффузионный, поэтому при сварке разнородных металлов не образуется переходной зоны с хрупкими интерметаллическими соединениями, что в ряде случаев имеет важное практическое значение.

Читайте так же:
Как поменять газовый редуктор

Некоторые преимущества холодной сварки реализует сварка взрывом, особенно удобная для соединения значительных поверхностей, например для получения двухслойного металла из двух различных листов. Листы укладываются один на другой, на верхнем равномерно размещается по поверхности заряд взрывчатки, который подрывается с одного конца запалом. Взрывная волна распространяется по поверхности листа и создает огромные давления. Поверхности в несколько квадратных метров соединяются за тысячные доли секунды. Этот способ начинает внедряться в промышленность.

Диффузионная сварка

Своеобразным по своим физическим основам способом является диффузионная сварка. Диффузия в металлах часто играет существенную роль при сварке — иногда положительную, повышая прочность соединения, иногда отрицательную, способствуя образованию хрупких соединений и т. д.

Принцип диффузионной сварки заключается в том что с повышением температуры и времени нагрева ускоряется диффузия и увеличивается количество продиффундировавшего материала. Диффузия практически не наблюдается лишь при холодной сварке, наибольшего же развития она достигает при некоторых видах прессовой сварки.

Давление сминает неровности сопрягаемых поверхностей и обеспечивает плотное их прилегание. Затем начинается интенсивная диффузия с переходом атомов через поверхность раздела и образованием прочного соединения. Процесс диффузионной сварки заканчивается через 5 — 20 минут после достижения необходимой температуры.

Диффузионная сварка позволяет соединять многие трудно свариваемые металлы и некоторые неметаллические материалы. С помощью диффузионной сварки, например, прочно сварить сталь с графитом или алундом (окись алюминия). По признаку одновременного использования нагрева и давления диффузионная сварка близка к прессовой. Недостатком ее является сложность аппаратуры и процесса, а также большая длительность последнего, связанная с медленностью диффузии в твердых телах.

Ультразвуковая сварка металлов

Ультразвуковая сварка металлов (ultraschall-schweissen; ultrasonic welding) — это сварка давлением при воздействии ультразвуковых колебаний. Соединение образуется в результате совместного действия на детали сжимающего усилия и высокочастотных механических колебаний, что сопровождается относительным тангенциальным смещением малой амплитуды соединяемых поверхностей и нагревом метала в зоне сварки. Усилия действует перпендикулярно соединяемым поверхностям, а колебания вызывают их незначительное смещение с ультразвуковой частотой. При этом происходит небольшая пластическая деформация приповерхностного слоя металла в зоне сварки и образование ювенильных поверхностей и их соединения. Продолжительность процесса измеряется секундами и долями секунд. Ультразвуковую сварку металлов применяют для получения точечных и шовных соединений, а так же для сварки по контуру. Принципиальная схема сварки ультразвуком показана на рис. 1.

Ультразвуковая сварка металлов

Сварочный наконечник 3 (при шовной сварке — ролик) определяет площадь и объем источника ультразвуковых механических колебаний непосредственно в зоне сварки. Он должен передавать колебания для осуществления трения между поверхностями соединяемых деталей с минимальными потерями между ним и верхней деталью. Величина амплитуды колебаний обычно находится в интервале 10 . 25 мкм.

Таким образом, процесс ультразвуковой сварки металлов происходит в условиях трения, вызванного микроскопическим относительным возвратно-поступательным перемещением участков поверхностей в зоне сжатия, что сопровождается выделением теплоты. Распространение ультразвуковых колебаний при сварке показано на рис. 2.

Ультразвуковая сварка металлов

Исследования показали, что при ультразвуковой сварке действуют два основных источника тепла. Один находится в зоне контакта сварочного наконечника (ролика) с деталью, второй — в зоне соединения деталей. Выделение теплоты у сварочного наконечника обусловлено его трением с деталью и приводит к пластическому деформированию наружной поверхности детали под наконечником. Выделение теплоты между деталями обусловлено действием нормальных сжимающих напряжений и напряжений сдвига, что приводит к внешнему и внутреннему трению в металлах и пластической деформации в зоне сварки.

Читайте так же:
Как выглядит горячий клей пистолет

Вибрирующий сварочный наконечник в первый момент сварки развивает интенсивное выделение тепла в зоне его контакта с деталью. В зону сварки ультразвуковые колебания передаются с некоторым опозданием (см. рис. 2).

Усилие сжатия обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в зону сварки. Его минимальное значение, при котором начинают образовываться соединения, зависит от свариваемых материалов и их толщины, а оптимальное значение возрастает с увеличением амплитуды колебаний.

При увеличении контактного давления начальная скорость нагрева растет за счет улучшения связи между сварочным наконечником и деталями. Скорость нагрева деталей зависит также от формы и состояния поверхности наконечника.

Температура в зоне сварки зависит от твердости и теплофизических свойств свариваемых материалов, мощности колебательной системы и параметров режима сварки. Нагрев в зоне сварки обычно не превышает 0,6 температуры плавления. Под действием трения, нагрева и пластического деформирования пленки загрязнений разрушаются и удаляются из зоны сжатия, благодаря чему становится возможным образование узлов схватывания, их расширение и формирование сварного соединения. Установлено, что ультразвуковые колебания способствуют удалению жировых пленок благодаря развитию кавитационных процессов в условиях действия в отдельных микрообъемах попеременных высоких давлений и разрежений. Поэтому УЗ-сварка может выполняться даже при наличии жировых загрязнений поверхностей. Однако принято обезжиривать поверхности перед свариванием, поскольку это увеличивает диаметр точек сварки. Ультразвуковые колебания также снижают поверхностное натяжение металлов, значительно ускоряют образование активных центров и схватывания поверхностей, процессы диффузии и рекристаллизации. Поэтому формирование кристаллической структуры в зоне соединения при сварке происходит достаточно быстро.

УЗ-сварка может выполняться с импульсным нагревом места сварки от отдельного источника тепла, что позволяет уменьшить усилие сжатия, амплитуду и время действия уз-колебаний, и деформацию металла. Такой способ разработан для ультразвуковой сварки микродеталей. Свариваемые элементы подлежат действию ультразвуковых колебаний и нагреванию одновременно или в определенной последовательности.

Процесс выполняется следующим образом. Сначала сварочный инструмент небольшим усилием прижимается к детали, затем через него пропускается электрический ток для его нагрева и одновременно (или с некоторым опережением или опозданием) включаются ультразвуковые колебания. Способ позволяет сваривать материалы с различными физико-химическими свойствами.

Существует мнение, что успешная ультразвуковая сварка разнородных материалов возможна при условии разности атомных радиусов соединяемых деталей не более 15 . 18%. Это условие соответствует общему представлению о существовании твердых растворов. При разности атомных радиусов в пределах 19 . 44% сварка металлов усложняется. Исследование А. О. Россошинского позволили получить с помощью ультразвукового сваривания надежные соединения между материалами с существенными различиями атомных радиусов и различиями физико-химических свойств, например, между керамикой и металлами. Образование соединений автор объясняет определенным перемещением металла в зоне сварки. Деформация микровыступов под действием колебаний и их сжатие приводит к взаимному проникновению и перемешиванию материалов, которые соединяются, что и обеспечивает качество сварки.

При ультразвуковой сварке можно выделить процессы образования физического контакта, активации поверхностей и объемного взаимодействия, несмотря на кратковременность процесса. Все эти процессы протекают в условиях действия ультразвуковых колебаний. Поэтому иногда отмечается возможность развития процессов усталости в зоне сварного соединения под влиянием длительного действия колебаний и снижение прочности соединений вследствие частичного разрушения узлов схватывания.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка Ультразвуковая сварка использует высокочастотные ультразвуковые акустические колебания, воздействующие на соединяемые детали, собранные вместе под небольшим давлением. Этот метод сварки наиболее часто используется для соединения термопластов и в тех случаях, когда неприменимы болтовые соединения, пайка или склеивание.

Читайте так же:
Как подключить спутниковую приставку к телевизору

Хотя ультразвуковая сварка была разработана уже в 1940-х годах, в промышленных целях она впервые была использована в начале 1960-х для сварки тонкой проволоки в электронной промышленности. В 1963 г. ультразвуковая сварка стала использоваться для соединения полиэтилена. С того же времени ультразвуковая сварка начала применяться для сварки алюминия и тонкого листового металла в автомобильной промышленности (модули зажигания, провода к клеммам, провода жгутов).

Медленный процесс признания преимуществ ультразвуковой сварки в промышленности был вызван отсутствием мощного ультразвукового оборудования, которое могло бы гарантировать стабильное качество сварки даже для больших деталей. В результате исследования в 80-х и 90-х годах были в основном сосредоточены на развитии ультразвукового оборудования.

Несмотря на то, что при ультразвуковой сварке применяется вибрация, этот способ отличается от «вибрационной сварки», также известной как сварка трением. В случае вибрационной сварки одна из соединяемых деталей удерживается на месте, а другая совершает колебательные движения (от электромагнитного или гидравлического привода).

При ультразвуковой сварке обе детали удерживаются на месте и для создания трения используются высокочастотные звуковые волны. Акустическая энергия создает трение и производит тепло, в результате детали свариваются между собой менее чем за секунду, что делает ультразвуковой способ сварки одним из самых быстрых, используемых на сегодняшний день.

Процесс ультразвуковой сварки — полностью автоматизирован и производится на специальных установках. Принцип ультразвуковой сварки показан на рис. 1, а состав типовой установки — на рис. 2.

Принцип ультразвуковой сварки

Принцип ультразвуковой сварки

Рис. 1. Принцип ультразвуковой сварки: а — совмещение деталей, б — контакт деталей с наконечником, в — приложение давления, г — сварка, д — выдержка, е — подъем наконечника

Схема установки для звуковой сварки

Рис. 2. Схема установки для звуковой сварки

Генератор (в отдельном блоке) служит для преобразования электрических колебаний от сети в высокочастотные (20. 60 кГц), преобразователь с помощью пьезоэлементов превращает электрические колебания в акустические. Бустер и сонотрод — это пассивные резонансные элементы установки, служащие для передачи колебаний от преобразователя к деталям.

Обычно установки для ультразвуковой сварки комплектуются набором бустеров с разными коэффициентами трансформации перемещений. Форма сонотрода определяется необходимой конфигурацией сварного шва. В зависимости от формы сонотрода создаются продольные радиальные, краевые и другие колебания волн. Для каждого шва требуется свой сонотрод.

Физическая сущность процесса заключается в возникновении на контакте двух деталей очень сильных колебаний малой амплитуды. Вибрации, в сочетании с давлением, удаляют примеси и оксиды с поверхности деталей. Электроны начинают двигаться между деталями, формируя металлургический шов.

Ультразвуковая сварка идеально подходит для создания электрических соединений, сваривания алюминия и меди, для герметизации концов медных трубок, для сварки пластмасс, для встраивания металлических деталей в пластмассовые.

Соединения, получаемые при помощи ультразвуковой сварки

Рис. 3. Соединения, получаемые при помощи ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка пластмасс позволяет получить более надежные соединения, чем другие способы. При этом ультразвуковая сварка пластмасс принципиально отличается от сварки металлов.

Во-первых, ультразвуковая сварка металлов происходит с помощью поперечных колебаний, параллельных сварным поверхностям. Ультразвуковая сварка пластмасс использует вибрации продольных колебаний, которые являются нормальными (т.е. находятся под прямым углом) к сварным поверхностям. Форма сонотродов, которые передают ультразвуковые колебания в металлические и пластиковые швы также совершенно разные.

Во-вторых, при сварке металлов шов создается через фрикционное взаимодействие поверхностей, создающее твердотельную связь без плавления материала. Ультразвуковая сварка пластмассовых деталей основана на плавлении материала в том смысле, как и многие другие традиционные методы сварочных процессов, такие как дуговая сварка, сварка сопротивлением или лазерная), но в гораздо более низком температурном диапазоне.

Читайте так же:
Как припаять светодиод к подложке

Оборудование для ультразвуковой сварки

Рис. 4. Оборудование для ультразвуковой сварки

Преимущества ультразвуковой сварки:

1. Не требуется специальная очистка поверхности.

2. Не нужна защитная атмосфера.

3. Не требуются расходные сварочные материалы (проволока, электроды, припой и т. д.).

4. Малое потребление энергии.

5. Короткое время сварки для образования соединения (около четверти секунды).

6. Полная автоматизация процесса сварки и возможность легкой интеграции с другими производственными процессами.

7. Возможность сварки различных по природе материалов, в том числе чувствительных к воздействию высокой температуры, т. к. при сварке выделяется незначительное количество тепла.

8. Сварка любых форм заготовок.

9. Сварные швы, созданные с помощью этого процесса, являются визуально привлекательными, аккуратными.

10. При ультразвуковой сварке не используются едкие химикаты и выделяется небольшое количество паров, в отличие от других способов.

современное оборудование для сварки

Ограничения ультразвуковой сварки:

1. Самым серьезным ограничением в применении ультразвуковой сварки является величина свариваемых деталей — не более 250 мм. Это связано с ограничениями в выходной мощности датчика, неспособности сонотрода передавать очень высокую мощность ультразвуковых волн, и трудностями в контроле амплитуды.

2. Для сварки ультразвуком также требуется более низкое содержание влаги в соединяемых материалах. В противном случае предпочтительна вибрационная сварка.

3. Ультразвуковая сварка не эффективна для соединения толстостенных материалов. По крайней мере одна из соединяемых деталей должна быть легкой, так как она «вбирает» в себя огромное количество энергии.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Возможности и особенности технологии ультразвуковой сварки для различных материалов

Согласно ГОСТ Р ИСО 857-1-2009, ультразвуковая сварка (УЗС) – «сварка давлением, при которой механические колебания высокой частоты и малой амплитуды и статическая сила формируют шов между двумя свариваемыми заготовками при температуре значительно ниже температуры плавления металла».

Простыми словами – для получения сварочного шва применяют давление на соединяемые заготовки и действие ультразвуковых колебаний специального оборудования. При этом происходит нагрев заготовок в контактной зоне, диффузия и образование молекулярных связей между поверхностями, кристаллизация и в результате прочное соединение.

Классификация УЗ-сварки

  • с подогревом опоры или наковальни, на которой выполняются работы;
  • нагретым клином;
  • нагретым мундштуком;
  • в виде шляпки гвоздя, когда подаваемая через мундштук проволока (одна или несколько) плавится, и образуемая капля под давлением формируется в форме шляпки.

По степени автоматизации:

    ; ;
  • автоматизированная.

По способу использования энергии:

  • односторонняя;
  • двусторонняя.

По воздействию излучателя:

  • импульсная (короткий импульс и дальнейшее передвижение волновода);
  • непрерывная (постоянное действие и передвижение);

По затрачиваемой энергии:

  • по величине осадки или зазора;
  • по времени;
  • по количеству кинетической энергии.

По способу подачи энергии в зону действия:

    ;
  • передаточная.

Применяемое оборудование и инструменты

Оборудование для сварки ультразвуком разнообразно и для правильного выбора необходимо основываться на приведенной классификации, а также требований к готовому сварному изделию. Это могут быть:

  • ручной инструмент;
  • установки для непрерывного сварочного шва;
  • ультразвуковые прессы;
  • модули настольные и др.

Общие составные части оборудования следующие:

  • генераторы или др. источники питания;
  • наковальни или опоры;
  • преобразователь электрических колебаний в механические (например, магнитострикционный);
  • кронштейны для крепежа;
  • управляющие части;
  • сварочные наконечники рабочего инструмента и др. рабочий инструмент.
Читайте так же:
Как сделать распылитель краски в домашних условиях

Выбор режимов управления оборудованием

Режимы управления и установка каждого параметра выбирается в зависимости от свойств материала, его толщины, требуемого шва (точечный, непрерывный) и последующей нагрузки на шов и др.

Основные регулируемые параметры:

  • частота электрических колебаний;
  • амплитуда колебаний наконечника и статистическое давление;
  • усилие прижима наконечника к заготовке (в ручном приблизительное, а в прессе выставляется точно);
  • продолжительность действия импульса;
  • температура нагрева толстых заготовок, высоты расположения наконечника и т. д.

Для каждого нового типа соединения производят лабораторный подбор режимов и испытания качества сварного шва в зависимости от будущей эксплуатации изделия.

Технология УЗС для металлов

Соединение методом УЗС применяется для различных металлов и сплавов. Данный метод имеет широкие возможности в соединении не только однородных, но и разных материалов (соединение стальной пластины с керамической, проволоки и фольги и т. д.). Применяется в электронике, ювелирном, холодильном, автомобильном, аккумуляторном производствах и др.

Например, для сварки:

  • пучков проводов и разъемов в автомобилях;
  • деталей при производстве аккумуляторов, электродвигателей, батареек, солнечных батарей;
  • трубопроводов в холодильниках, кондиционерах и т. д.

Схема операций технологического процесса:

  • подготовка свариваемых поверхностей;
  • сборка узлов;
  • прихватка;
  • сварка;
  • правка.

Для сварного изделия разрабатывается технологический процесс. Каждый этап технологии для каждого изделия индивидуален.

Подготовка металлических свариваемых поверхностей

Для УЗС металлов эта операция может быть упрощена до визуального контроля. Не нужна тщательная механическая зачистка поверхностей, потому что:

  1. С помощью воздействий высокочастотных колебаний происходит трение мельчайших частиц (оксидной пленки, примесей).
  2. Повышение температуры в этой зоне контакта и трение стирает границы поверхностей и происходит образование однородной структуры.
  3. Давление в зоне соединения прижимает поверхности и образует большую зону соприкосновения.

Основные регулируемые параметры оборудования УЗС металлов:

  • амплитуда колебаний сварочного наконечника;
  • время;
  • сварочное давление.

Преимущества УЗС для металлов:

  • экономия энергии;
  • высокая производительность;
  • отсутствие материалов для сварки;
  • отсутствие высоких температур (в зоне сварки температура в среднем равна 4% от температуры плавления);
  • экологичность;
  • нет необходимости в защитной газовой среде;
  • форма соединяемых поверхностей различна.

Недостатки данного метода сварки:

  • ограничения по размерам заготовок;
  • небольшая толщина свариваемых поверхностей;
  • чувствительность к влаге.

Технология УЗС для пластмасс

Для УЗС пластмасс по сравнению с металлами не требуется нагрев до высоких температур и приложения больших усилий.

Применяется во многих производствах. Это УЗ-сварка:

  • труб, плит, фасонных деталей;
  • пленочных покрытий, упаковок;
  • волокнистых нетканых материалов;
  • материалов из синтетических волокон;
  • искусственной кожи и др.

Технологический процесс сварки для пластмасс

Технология получения сварного шва у пластмасс значительно упрощается в отличие от технологии УЗС для металлов. Основное различие — в схеме ввода волновой энергии и одновременном механическом воздействии.

Основные этапы подключения оборудования:

  1. Подключение генератора (частота от 20 000 Гц).
  2. Подключение преобразователя для преобразования ультразвуковых колебаний генератора в механические продольные колебания.
  3. Подключение волновода перпендикулярно сварному соединению.

Динамическое (повышение температуры) и статистическое (образование связей) воздействия направлены одинаково, но перпендикулярно сварному шву.

Подготовка пластиковых свариваемых поверхностей

Для УЗС пластмасс эта операция также может быть упрощена. Но некоторые поверхности перед сваркой могут после тщательной очистки обрабатываться растворителями (активизаторами) для разупрочнения поверхностного слоя.

При сварке жестких пластиков иногда на поверхности делаются выступы с углами при вершине 45-60 градусов, что повышает прочность и герметичность изделия.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector