Ултразвуково заваряване на пластмаси. Процесът на ултразвуково заваряване на метали. Схемата за получаване на съединения чрез ултразвук

Ултразвуковите вибрации сега се използват широко в различни индустрии и при изучаването на физични явления. Сегашният етап на развитие на ултразвуковата технология се характеризира като подобрение на досега разработените методи и разширяване на броя на новите приложения на ултразвуковите тестове.

Индустриалната употреба на UZK се развива в две направления:

използване на нискоинтензивни вълни (ниско енергийни колебания)   (0.8 f12.0 MHz) ð за откриване на дефекти, измерване, аларма, автоматизация на производството и др.

използването на високоенергийни вибрации (вълни с висок интензитет)   за активно влияние върху вещества и различни технологични процеси ð почистване на части, заваряване на метали и пластмаси, механична обработка и др.

Най-голямо приложение е студено заваряване на тънкостенни нисковъглеродни електроди със стабилизиращо покритие. Диаметърът на електродите е до 4 mm и се използват ниски токове. DC източници и обратна полярност, Основният недостатък на този режим на заваряване е между основния метал и метала заварен шев образува се доста твърда и крехка зона, която намалява якостта на заварената връзка и усложнява механичната му обработка. Този недостатък може да бъде елиминиран само чрез продължително отгряване на съединението при висока температура.

Ултразвук с ниска интензивност и висока честота (MHz) е бил използван в техниката повече от 60 години.

Ултразвукови вибрации с висок интензитет (повече от няколко W / cm 2) и е= 18¸44 kHz се използва за активно влияние върху вещества и технологични процеси за около 40 години.

При заваръчната техника се използва ултразвук в следните направления:

Да се ​​подобрят механичните свойства на завареното съединение при излагане на заваръчната вана при кристализация. Подобряването на механичните свойства на завареното съединение става благодарение на смилането на структурата на заваръчния метал и отстраняването на газове.

По качество източник на енергия  За да се получат точки и шевове (особено в микроелектрониката), ултразвуковите вибрации активно разрушават естествените и изкуствените филми, което прави възможно заваряването на метали с окислена повърхност, покрита със слой от лак и др.

Заваряването на медно-железни електроди трябва да се извършва по такъв начин, че да се избегне високото прегряване на заварените части: при по-ниски токове, където е възможно стабилно запалване на дъга, заваряване на късите прекъсвания за охлаждане на заварената част. Електродите от мед-желязо са подходящи за заваряване на единични, дефектни или малки течове, които създават течове на отливки за отговорна цел.

На практика, медно-никелови електроди се използват главно за заваряване на дефекти при леене, открити при обработката на чугун на работните повърхности, където втвърдяването е неприемливо. Най-типичният от тези електроди е, че никелът и медта не разтварят въглерода и не образуват структури с висока твърдост след нагряване и бързо охлаждане. Избистрянето на зоната на частично топене практически липсва, тъй като никелът и медта са графитизиращи, които при проникване в този район имат положителен ефект.

Ултразвукът намалява или премахва собствените си напрежения и деформации, които възникват по време на заваряване. Те могат да стабилизират структурните компоненти на заваръчния метал, като елиминират възможността за спонтанна деформация заварена конструкция   с течение на времето.

Да се ​​оцени качеството на заварените съединения (ултразвукова дефектоскопия) от различни метали и сплави.

В същото време желязото и никелът имат неограничена разтворимост в твърдо състояние, което допринася за доброто сливане между шева и основния метал. Недостатъкът на тези сплави е тяхната висока стойност и недостатък, както и фактът, че високата линейна компресия води до образуване на горещи пукнатини. Понякога се образува мрежа от горещи пукнатини, което значително намалява якостта на заварената връзка. В тази връзка не се препоръчва използването на тези сплави за заваряване на пукнатини в продукти, работещи при големи натоварвания.

Заваряването с малък отвор дава добри резултати, тъй като това не пречи на следващата обработка. За заваряване на отделни незначителни дефекти върху третираните повърхности от чугун и висококачествен чугун, произтичащи от механичната обработка на повърхността на продуктите и ремонта на чугун, никел-железни електроди, съдържащи от 40 до 60% никел и 60 до 40% желязо. Заваряването с такива електроди осигурява достатъчно висока якост и определена пластичност на заваръчния метал. Желязо-никеловите електроди имат някои предимства, като висока якост и по-малко линейна компресия.

Ултразвукът приготвя повечето термопластични полимери (например полистирол).

Първите експерименти по ултразвуково заваряване (UZS) на метали бяха предприети в Германия през 1936-37 г. и работата по създаването на оборудване и технология на UZS започна в Съединените щати в началото на 50-те години.

В СССР първите работи по УЗС на металите се появяват през 1958 година.

ВНИИСО Ленинград, Московският държавен технически университет на име Бауман Москва, НИИТОП Н. Новгород и други са ангажирани в изследователска и развойна дейност в областта на УЗС.

Процесът на ултразвуково заваряване на метали

При ултразвуково заваряване се получава постоянна връзка на метали, когато съвместно влияят върху детайлите на високочестотните механични колебания и относително малките сили на натиск, приложени нормално към повърхността на контакта им ( е= 10¸100 kHz, амплитуда на трептене х = 1¸100 μm).

За да се получат високочестотни механични вибрации, той обикновено се използва магнитострикционен ефект, Тя се състои в преоразмеряване на някои сплави под въздействието на променливо магнитно поле.

Ултразвуковите преобразуватели обикновено използват чисти никелови или желязо-кобалтови сплави. Преоразмеряването на магнитострикционните материали е много малко: за никел магнитострикционното удължение е 40 × 10 -6. Следователно, за да се увеличи амплитудата и концентрацията на енергия, вибрации, както и да се предадат механични вибрации към мястото на заваряване, използвайте вълноводикоито като правило имат стесняващата се форма. Коефициентът на сила на вълноводите обикновено е равен на 5, амплитудата в края на вълновода при на празен ход  трябва да бъде 20-30 микрона. Опитът от ултразвукова микрозаварка показа, че амплитудата на осцилациите x = 1–3 μm вече осигурява формирането на надеждна връзка.

Вълноводите предават осцилационната енергия на плоската вълна от магнитострикционен преобразувател към заваръчен връх (инструмент)

Фиг.1. Появата на вълноводите

Амплитудната амплитуда на осцилиращото отклонение при d 1 ¹ d 2 K y = d 1 2 / d 2 2, където d 1 и d 2 са диаметрите на входните и изходните краища на вълновода.

Основният възел на машината за UZS е магнитострикционен преобразувател. Неговата схема за точково заваряване има следната форма.

1-магнитострикционен преобразувател; 2 вълновод; 3-издатина; Компресия с 4 диска (механизъм за компресиране); 5-продукт; 6 махало; 7-а бленда; 8-токов проводник; 9-корпусно водно охлаждане.

Фиг.2. Инсталационна схема за точково заваряване

1-магнитострикционен преобразувател; 2 вълновод; 3 - заваръчна ролка; 4-щифтови валяк; 5-продукт; 6-конверторен корпус; 7-токово захранване за магнитострикционен преобразувател; 8-оборотно задвижване; Подаване на вода за 9 охлаждане.

Фигура 3. План за монтаж на ултразвукова заварка на шев

Намотката на магнитострикционния преобразувател се захранва от високочестотен ток от ултразвуковия генератор. Механичните вибрации се предават и усилват от вълновод. В края на вълновода има работен перваз. При заваряване високочестотните еластични вибрации се предават през вълновода към работния издатък под формата на хоризонтални механични движения с висока честота.

Продължителността на процеса на заваряване зависи от заваръчния метал и неговата дебелина, а при малки дебелини се изчислява на части от секундата.

Фигура 4. Диаграма на процесите на UZS метали

Колебанията на върха са поляризирани в равнина, която съвпада с повърхността на горната плоча.

Колебанията на върха (работна издатина, инструмент) предизвикват вибрации на плочите и опори с амплитуди от х 1, х 2, х 3 и х 0\u003e х 1\u003e х 2\u003e х 3, както във всяка от областите „върха-част“, ​​„ детайл-детайл "," детайлна поддръжка "е усвояването на вибрационната енергия.

Процесът на заваряване започва с взаимодействието на неравности на съединяваните повърхности под въздействието на сила N и настъпва тяхната деформация.

Дефекти в подготовката и инсталирането. Най- заварени съединения  най-често има дефекти във формата и размера на линиите. Формата и размерите на шва обикновено зависят от дебелината на заваръчния материал. Те се назначават със спецификации и са посочени на чертежите. В допълнение, шевовете могат да имат неравномерна ширина по шева, неравна височина, хълмове, канали, седла и др. тези дефекти се дължат главно на лошото качество на електродите или на невъзможността на заварчика правилно да води електрода или горелката. Всички тези дефекти могат значително да намалят якостта на връзката, особено при ударни или вибрационни натоварвания.

След включване на UZK в резултат на относителни колебания на повърхностите, които трябва да се съединят, контактните неравности се изместват и частично се деформират, настъпва конвергенция, се извършва почистване на повърхността, настъпват зони за настройка и т.н.

В началния момент на действие на ултразвуковите вибрации върху заварените повърхности се появява сухо триене, което води до разрушаване на оксидни филми и филми от адсорбирани газове и течности. След образуването на ювенилни повърхности, процесът на сухо триене се превръща в чисто триене, което се съпровожда от формирането на точките на закрепване. Малката амплитуда на трептене на триещите се повърхности и възвратно-постъпателната природа на тези трептения допринасят за хващане.

Металографски изследвания на проби от различни метали, заварени в различни заваръчни режими (мощност, продължителност, с различен натиск), не са открили ефекти на високи температури върху метала в зоната на заваряване на отливката. Установено е, че температурата в зоната на заваряване не е по-висока от 0,6   върху точката на топене.

Някои данни за температурата (t °) в зоната на заваряване са дадени в Таблица 1.

Таблица 1

В резултат на това има лека пластична деформация в зоната на заваряване (5-20%) от първоначалните им размери.

Устойчивостта на ултразвуковите метали се определя от:

техните физико-механични свойства при t ° заваряване;

свойства на механичната колебателна система, вида на повърхностната обработка преди заваряване и др.

Завареното съединение с подходящ режим на заваряване има сила, равна на якостта неблагороден метал.

Използването на ултразвук днес покрива дори индустриалната сфера. Класически пример за това е ултразвуково заваряване. Тя се основава на редица физически закони, които си струва да се знае преди започване на работа. Какви са особеностите на процеса? Какво оборудване се използва? Какви са предимствата на ултразвука при заваряване? За това ще научите от този материал.

Обща информация

Ултразвуковото заваряване е метод за създаване на постоянни връзки, при които електрическите колебания на определена честота с помощта на генератор се променят до механични колебания на апарата. Електрическите колебания на ултразвука са средно 30 kHz.

Спецификата на операцията - в посока на излагане на топлина. UZS се различава от класическите методи на заваряване в това, че се нагряват само контактните зони на частите, а не всички. Той е приложим при обработката на различни материали, а за редица полимерни материали е единственият правилен метод за свързване.

Времето на заваряване се определя от характеристиките на материалите и варира от десети до няколко секунди. Използват се ултразвук, поликарбонат, PVC, полипропилен, кожа и тъкани със синтетични влакна.

Специфика на процеса

Задачата на всяко заваряване е надеждно свързване на материалите. При нагряване частите на заготовките на молекулата преминават в възбудено състояние, придружено от увеличаване на разстоянието между тях. Тук може да възникне рекомбинация на връзки на съставни елементи. Как да направим това с най-малка загуба, бързо и ефективно? Тук без ултразвуково заваряване  трудно да се направи.

Действието на U / Z в посоката на вълната попада в очакваното място на пресичане на части. Под неговото влияние протича описаният по-горе процес - възбуждане на молекули. Достатъчно е да съберем празните места, така че процесът на сливането им да стане неизбежен.

Предимствата на ултразвуковото заваряване

Предимствата на метода включват:

• отлична здравина на свързаните части;
• няма нужда от предварителна подготовка на повърхности (смилане, почистване на мръсотия и др.), както и почистване на заварка след кристализация;
• вътрешните напрежения липсват на всички етапи на работа;
• външно, шевът не се различава;
• процесът може да продължи без участието на оператора;
• повишаване на ефективността на производството чрез спестяване на време за работа на заварчиците;
• възможността за комбиниране на редица операции (с остър метал или рисуване на картина);
• при заваряване на ултразвукови допълнителни консумативи или свързващи елементи не се изисква (лепило, конци, разтворители);
• под действието на ултразвуковата вълна върху човек, неговите компоненти не оказват неблагоприятно въздействие;
• не се изисква защитна среда (газ);
• енергийна ефективност

Двете добре познати методи на ултразвуково заваряване - шев и преса са еднакво добри. Първият се използва за получаване на шевове с дължина по-малка от 250 mm, а втората - с точка или контурна връзка.

Накратко за инсталациите

Оборудването за ултразвуково заваряване се състои от следните единици:

• електрически осцилатор;
• акустичен възел с вълновод;
• механизъм за печатане;
• оборудване за контрол на процеса.

В независимото производство на устройството не е необходимо, и за това има редица причини. На първо място, създаването на машина ще изисква множество математически и физически изчисления. Минималното отклонение ще доведе до появата на резонанс в точката на контакт на частите, което ще намали качеството на завареното съединение.

Сортове на UZS

Ултразвуковото заваряване се класифицира според редица критерии. Първият е начин за прехвърляне на енергия. Така разпределете:

• за връзка;
• трансферно заваряване

Първият обикновено се използва за свързване на меки пластмаси, филми, синтетика до 5 мм дебелина. Най-често срещаният метод на заваряване се припокрива.   Вторият е приложим при обработката на твърди пластмаси (полистирол, найлон и др.). Връзка - челно.

Други критерии за класификация на UZS са:

• метод за придвижване на вълновода (натиснете - за едно кратко движение на елемента; непрекъснато - за продължително въздействие върху зоната на заваряване);
• метода на дозиране на входящата механична енергия (с фиксиране на времето на излагане на импулса, тяга или пролука).
  • Характеристики на заваръчна техника

За разлика от ръчна или полуавтоматична работа, където можете да използвате различни видове електроди или проводници, както и да промените други параметри на процеса, в оборудването за ултразвуково заваряване всичко е проектирано за дреболии. Процесът протича по следния начин:

• генераторът създава електрически импулс;
• вибрациите се преобразуват във високочестотна звукова вълна;
• вълната се предава през вълновода към мястото на свързване на частите;
• тук създава резонанс;
• изместването на материалите един към друг води до тяхното незабавно свързване.

В зависимост от физическите характеристики на свързваните материали се избира честота на трептене. Следват няколко примера за инсталиране.

Ултразвуково заваръчно оборудване

Обикновено всички устройства могат да се разделят на три групи:

• стационарни (металообработващи машини);
• десктоп;
• ръчни.

Пример за първата група е ултразвукова заваръчна машина SportTex EU 1300. Визуално тя прилича на обикновена шевна машина.

Особености:

• напрежение - 220 V;
• честота - 50 Hz;
• мощност - 1,5 kW;
• работна повърхност - 50 mm;
• производителност - до 10 m / min;
• работно налягане - до 7 бара;
• работна честота - до 20 kHz;
• размери - 1200х1200х550 мм;
• тегло - 110 кг.

Цената на инсталацията е най-малко 200 хиляди рубли, така че обикновено се използва в производството.

По-компактното устройство е ултразвуков модул за свързване на тръби (малки продълговати контейнери, например за пасти за зъби, кремове и др.). Скоростта на десктоп инсталациите варира от 0.3 до 1.5 сек и зависи от ширината на шва (до 70 мм).

Други опции:

• работна честота - до 35 kHz;
• мощност - до 1,5 kW;
• пневматично задвижване;
• размери - 533х261х219 мм;
• тегло - 30 кг.

Цената на такива инсталации е много по-ниска от стационарната.

Най-компактните устройства за ултразвуково заваряване се използват за занитване на пластмаси, затягане на малки части, фиксиране на елементи върху носещи конструкции. Пример за това е Handy Star. Неговата мощност, честота и скорост на работа са подобни на настолните устройства, но размерите и теглото са значително по-ниски, което се отразява на цената. Разглежданият инструмент в сумата от три измерения дава 720 мм, а теглото е само 4,5 кг. Това оборудване се използва за ултразвуково заваряване в автомобилната индустрия, ремонт на продукти от платно и производство на лентови транспортьори.

Важно е да запомните няколко точки. Първият - дължината на заварените части не трябва да надвишава една четвърт от метър. Това се дължи на дизайна на инсталациите. Второто е, че частите, които трябва да се съединят, трябва да бъдат сухи. Третият - поне една от частите трябва да бъде тънкостенна.

основен » инструкции » Ултразвуково заваряване на пластмаси. Процесът на ултразвуково заваряване на метали. Схемата за получаване на съединения чрез ултразвук