Ультразвуковая сварка: принципы, оборудование, плюсы и минусы

О чем речь? Ультразвуковая сварка – процесс соединения деталей с помощью волновых колебаний частотой в 20–40 кГц и одновременно давления определенной силы, приложенного к заготовкам.

На что обратить внимание? Сварка данным методом подходит не для всех материалов. Чтобы процесс оказался успешным, необходимо соблюдение нескольких условий. Например, детали должны иметь определенную толщину, а иногда и молекулярную структуру.

Понятие ультразвука

Ультразвук – механические колебания звуковых частиц в упругой среде (в газах, жидкости и пр.) с частотой более 20 000 Гц. Человеческое ухо неспособно воспринимать волны такого рода.

Животные с их помощью ориентируются в пространстве, обнаруживают препятствия, а, например, дельфины, киты, летучие мыши, грызуны, долгопяты так общаются друг с другом. Кроме того, ультразвуковые волны присутствуют в естественных шумах (дождь, ветер, водопад, гроза и пр.).

Человеком ультразвуковые волны были открыты в восьмидесятых годах XIX века, однако практическое применение нашли не так давно. Сегодня технологии с использованием ультразвука можно встретить практически во всех сферах жизни.

Фото: titima037 / Freepik

В промышленности ультразвуковые волны начали применяться в сороковых годах прошлого столетия. Например, с их помощью в настоящее время выполняют предварительную очистку поверхности свариваемых заготовок. Кроме того, ультразвук используют для сваривания металлов и других материалов.

Оборудование для ультразвуковой сварки

Аппарат для ультразвуковой сварки состоит из нескольких элементов, каждый из которых выполняет конкретные функции:

• Генератор. Необходим для преобразования электрического тока в напряжение с соответствующей частотой. Устройства дополняют микропроцессором, который позволяет управлять оборудованием при помощи пользовательского интерфейса.
• Машинный пресс. Предназначен для удержания сварочной системы и соединяемых деталей. Комплектуется такими устройствами, как манометр и регулятор, с помощью которых оператор регулирует силу воздействия на систему.
• Сварочный штабель. Включает в себя преобразователь, усилитель и сварочный рупор, расположенные на прессе установки для ультразвуковой сварки в центральной точке усилителя. Он обеспечивает ультразвуковую вибрацию оборудования. Чтобы обеспечить качество швов, его частоту следует максимально приблизить к частоте генератора.

• Преобразователь. Предназначен для преобразования высокочастотной электрической энергии в механические вибрации. Конструктивно представляет собой расположенные между двумя титановыми блоками пьезоэлектрические керамические диски, между которыми находится металлический электрод.
• Ракета-носитель. Является основой сварочного пресса. Кроме того, благодаря расширению и сжатию повышает степень вибрации, передаваемой на рупор.
• Сварочный рог. Необходим для передачи вибрации обрабатываемым заготовкам. Для его изготовления используют алюминий либо титан. В связи с быстрым износом алюминиевых элементов, оборудование с таким рупором можно использовать только в мелкосерийном производстве деталей. Для снижения скорости износа устройства оснащаются закаленными наконечниками.
• Поддержка инструментов представляет собой основу сварочного аппарата, предназначенную для удержания нижней части оборудования в процессе выполнения сварочных работ. При изготовлении опоры учитывают контуры заготовок.

Принцип ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка осуществляется посредством воздействия на заготовки ультразвука, возникающего следующим образом.

Ультразвуковой генератор (УЗГ) передает электрический ток на обмотку магнитострикционного преобразователя (вибратора), составленного из пластин с величиной поперечного сечения 0,1-0,2 мм. Под воздействием переменного магнитного поля они меняют свои геометрические параметры.

Изменения магнитного поля запускают явление магнитострикции, в результате чего высокочастотные электрические колебания преобразуются в механические аналогичной частоты.

Для повышения амплитуды колебаний используется вибратор, соединенный с волноводом или концентратором. Цилиндрические устройства для распространения волн передают вибрацию без изменения их размаха, в то время как ступенчатые или конические усиливают их. Размер и форма прибора разрабатывается в соответствии с требуемым коэффициентом усиления.

Коэффициент 5 обеспечивает амплитуду вибраций рабочего выступа при холостом ходе 20–30 мкм. Волноводная система должна создавать максимальный размах колебаний в зоне сваривания.

При ультразвуковой сварке металлов колебательные движения разрушают оксидный слой и неровности поверхности заготовки.

Под воздействием возвратно-поступательных движений обрабатываемых деталей возникает трение, которое вызывает нагревание верхних слоев металла. Подобное сцепление не относится к основным источникам тепла при сварке, однако оно способствует образованию сварного соединения.

Особенности ультразвуковой сварки

Для того чтобы обеспечить качество сварного соединения, важно правильно подобрать материалы и методы обработки. Пристального внимания заслуживают следующие моменты:

• Классификация ультразвуковой сварки осуществляется по ряду критериев. Во-первых, в зависимости от способа передачи энергии она может быть контактной или передаточной. Посредством первой соединяют заготовки из мягкой пластмассы, пленки, синтетических материалов, толщина которых не превышает 5 мм. Чаще всего сваривание выполняют методом внахлест. Вторая используется для работы с жесткими пластиками (полистиролом, капроном и пр.). Выполняется стыковым методом.
• Немаловажным нюансом, обеспечивающим высокое качество сварного соединения, является отсутствие влаги в обрабатываемых заготовках, поэтому ультразвуковая сварка материалов не подходит для работы с деталями, содержащими, к примеру, акрил, который способен впитывать жидкость.

• При использовании технологии ультразвуковой сварки следует обращать внимание на величину поперечного сечения заготовок. Чем они толще, тем больше необходимо энергии для вибрации и разрыва молекулярных связей. Поскольку оборудование не способно вырабатывать большое количество энергии, то метод подходит только для работы с деталями, толщина которых не превышает 3 мм.
• Для получения качественного сварного соединения при ультразвуковой сварке важно обращать внимание на однородность материалов обрабатываемых деталей. К примеру, детали из термопласта химически совместимы, при плавлении они образуют между собой молекулярную связь. Технология подходит и для работы с разнородными материалами, однако они должны обладать схожей молекулярной структурой.

Таким образом, метод ультразвуковой сварки не универсален. Чаще всего она применяется для сваривания следующих материалов:

• Пластмассы.

Заготовки из пластика чаще всего соединяют при помощи ультразвуковой сварки. Технология подходит для работы с поликарбонатами, АБС, полиэстером и пр.

При этом важно учитывать такие свойства материалов, как твердость и способность накапливать влагу. Кроме того, ультразвуковой метод сварки не используется для работы с пластиковыми полимерами, например, ПВХ и полиамидами.

• Металлов.

С помощью станков для ультразвуковой сварки можно обрабатывать заготовки из алюминия, меди, серебра, латуни, никеля, золота и их сплавов. Следует иметь в виду, что технология пригодна только для работы с небольшими тонкими деталями.

Области применения ультразвуковой сварки

Машины для ультразвуковой сварки используются в различных отраслях промышленности.

Медицина

Здесь ультразвуковая сварка нашла применение при изготовлении, например, масок для лица, фильтров для крови и газов, а также артериальных и наркозных фильтров.

Для производства большей части медицинских изделий используются заготовки из разнородных материалов (медицинских пластмасс, в том числе АБС-пластика и полиэтилена), позволяющих при помощи ультразвука получать качественные и при этом недорогие сварные соединения.

Автомобилестроение

В сфере автомобилестроения при помощи ультразвуковой сварки производят такие элементы транспортных средств, как дверная или приборная панели, руль. Выбор технологии обусловлен в том числе непрямым нагревом, не оказывающим влияния на заготовки. К ее достоинствам также следует отнести невысокую стоимость, возможность автоматизации, небольшие временные затраты, гибкость производственного цикла.

Авиационно-космическая промышленность

Выбор технологии ультразвуковой сварки в этом случае обусловлен высокой точностью, скоростью, качеством получаемых сварных соединений, а также отсутствием прямого нагрева, влияющего на заготовки.

Электронная отрасль

В этой сфере посредством ультразвука получают проводные соединения.

Также ультразвук применяют при сборке таких устройств, как электродвигатели, конденсаторы и накопители, поскольку такая сварка позволяет получать надежные и качественные швы.

Плюсы и минусы технологии ультразвуковой сварки

К преимуществам ультразвуковой сварки, выгодно отличающей ее от обычной, можно отнести:

• высокую скорость, точность сваривания, прочность полученного соединения;
• широкий диапазон сварки, высокую стабильность, минимальную деформацию заготовок;

• получение чистой, гладкой, эстетически привлекательной поверхности свариваемых деталей;
• отсутствие вредного воздействия на экологию и необходимости в дополнительных расходных материалах;
• небольшую мощность оборудования и, как следствие, низкое энергопотребление;
• простоту управления, низкую стоимость, высокую эффективность и герметичность получаемых соединений.

Как и любая другая технология, ультразвуковая сварка имеет и определенные недостатки, к которым относятся:

• сложность производства оборудования для ультразвуковой сварки, соответственно, его высокая стоимость;
• возможность работы только с небольшими и тонкими заготовками;

• невозможность использовать технологию для серийного производства продукции;
• различные факторы, оказывающие влияние на конечный результат ультразвуковой сварки.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Изображение в шапке статьи: j.pranee / Freepik