Zváranie ultrazvukových plastov, plastov, kovov, polymérnych materiálov, hliníkových profilov. Ultrazvukové zváranie: technológia, škodlivé faktory

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Ultrazvukové zváranie kovov je proces, počas ktorého sa v tuhej fáze získa nerozoznateľný spoj. Tvorba juvenilných oblastí (v ktorých sa vytvárajú väzby) a kontakt medzi nimi sa vyskytujú pod vplyvom špeciálneho nástroja. Zabezpečuje spoločné pôsobenie relatívnych znamienkových striedavých tangenciálnych posunov malej amplitúdy a tlakovej normálovej sily na polotovary. Pozrime sa bližšie na to, čo je technológia ultrazvukového zvárania.

Pripojovací mechanizmus

Posuny s nízkou amplitúdou sa vyskytujú medzi časťami s ultrazvukovou frekvenciou. Vďaka nim dochádza k plastickej deformácii mikrodrsností na povrchu dielov. Súčasne sú zo zóny pripojenia evakuované nečistoty. Ultrazvukové mechanické vibrácie sa prenášajú na miesto zvárania z nástroja na vonkajšej strane obrobku. Celý proces je organizovaný tak, aby sa vylúčilo skĺznutie upínadla a podperydetailné povrchy. Pri prechode vibrácií cez obrobok sa energia rozptýli. Toto je zabezpečené vonkajším trením medzi povrchmi v počiatočnej fáze zvárania a vnútorným trením v materiáli umiestnenom medzi nosičom a nástrojom po vytvorení oblasti nastavenia. To zvyšuje teplotu v spoji, čo uľahčuje jeho deformáciu.

Špecifické správanie materiálu

Tangenciálne posuny medzi dielmi a napätia, ktoré spôsobujú a pôsobia spolu s kompresiou zo zváracej sily, poskytujú lokalizáciu ťažkej plastickej deformácie v malých objemoch v blízkych povrchových vrstvách. Celý proces je sprevádzaný brúsením a mechanickou evakuáciou oxidových filmov a iných nečistôt. Ultrazvukové zváranie znižuje medzu klzu, čím uľahčuje plastickú deformáciu.

Funkcie procesu

Ultrazvukové zváranie prispieva k vytvoreniu nevyhnutných podmienok pre spojenie. To je zabezpečené mechanickými vibráciami prevodníka. Energia vibrácií vytvára zložité šmykové, tlakové a deformačné napätia. K plastickej deformácii dochádza pri prekročení elastických limitov materiálov. Získanie pevného spojenia je zabezpečené zväčšením plochy priameho kontaktu po evakuácii povrchových oxidov, organických a adsorbovaných filmov.

Pomocou KM

Ultrazvuk je vo vedeckej oblasti široko používaný. S jeho pomocou vedci skúmajú množstvo fyzikálnych vlastnostílátok a javov. V priemysle sa ultrazvuk používa na odmasťovanie a čistenie prostriedkov, pracujúcich s ťažko obrobiteľnými materiálmi. Okrem toho výkyvy priaznivo ovplyvňujú kryštalizujúce taveniny. Ultrazvuk im zabezpečuje odplynenie a zjemnenie zrna, čím sa zlepšujú mechanické vlastnosti odlievaných materiálov. Vibrácie prispievajú k odstráneniu zvyškových napätí. Široko sa používajú aj na zvýšenie rýchlosti pomalých chemických reakcií. Ultrazvukové zváranie je možné použiť na rôzne účely. Vibrácie sa môžu stať zdrojom energie pre tvorbu švíkov a bodových spojov. Keď je zvarový kúpeľ vystavený počas kryštalizácie ultrazvuku, mechanické vlastnosti spoja sa zlepšujú vďaka zjemneniu štruktúry zvaru a intenzívnemu odstraňovaniu plynov. Vďaka tomu, že vibrácie aktívne odstraňujú nečistoty, umelé a prírodné filmy, je možné spájať diely s oxidovaným, lakovaným povrchom a pod. Ultrazvuk prispieva k zníženiu alebo eliminácii vlastného napätia, ktoré vzniká pri zváraní. Vďaka vibráciám je možné stabilizovať zložky štruktúry zlúčeniny. To zase umožňuje zabrániť možnosti následnej spontánnej deformácie štruktúr. Ultrazvukové zváranie sa v poslednej dobe čoraz viac používa. Je to spôsobené nepochybnými výhodami tohto spôsobu pripojenia v porovnaní so studenými a kontaktnými spôsobmi. Obzvlášť často sa ultrazvukové vibrácie používajú v mikroelektronike.

Sľubný smerpovažované za ultrazvukové zváranie polymérnych materiálov. Niektoré z nich nemožno spojiť iným spôsobom. V priemyselných podnikoch sa v súčasnosti vykonáva ultrazvukové zváranie tenkostenných hliníkových profilov, fólií, drôtov. Táto metóda je obzvlášť účinná pri spájaní výrobkov z rôznych surovín. Ultrazvukové zváranie hliníka sa používa pri výrobe domácich spotrebičov. Táto metóda je účinná pri spájaní plechových surovín (nikel, meď, zliatiny). Ultrazvukové zváranie plastov našlo uplatnenie pri výrobe zariadení optiky a jemnej mechaniky. V súčasnosti boli vytvorené a zavedené do výroby stroje na spájanie rôznych prvkov mikroobvodov. Zariadenia sú vybavené automatickými zariadeniami, vďaka ktorým sa výrazne zvyšuje produktivita.

Sila USA

Ultrazvukové zváranie plastov poskytuje trvalé spojenie vďaka kombinovanému pôsobeniu vysokofrekvenčných mechanických vibrácií a relatívne malej tlakovej sily. Táto metóda má veľa spoločného s metódou za studena. Ultrazvuková sila, ktorá môže byť prenášaná cez médium, bude závisieť od fyzikálnych vlastností média. Ak sú prekročené medze pevnosti v kompresných zónach, pevný materiál sa zrúti. V podobných situáciách sa v kvapalinách vyskytuje kavitácia sprevádzaná objavením sa malých bubliniek a ich následným kolapsom. Spolu s posledným procesom vznikajú lokálne tlaky. Tento jav sa využíva pri čistení a spracovaní produktov.

Uzol zariadenia

Ultrazvukové zváranie plastov sa vykonáva pomocoušpeciálne stroje. Obsahujú nasledujúce uzly:

1. Napájanie.
2. Vibračný mechanický systém.
3. Ovládacie zariadenie.
4. Pohon tlaku.

Oscilačný systém slúži na premenu elektrickej energie na mechanickú energiu pre jej následný prenos do spojovacej sekcie, jej koncentrovanie a získanie požadovanej hodnoty rýchlosti emitora. Tento uzol obsahuje:

1. Elektromechanický prevodník s vinutím. Je uzavretý v kovovom obale a chladený vodou.
2. Elastický oscilačný transformátor.
3. Zvárací hrot.
4. Podpora s prítlačným mechanizmom.

Systém je upevnený pomocou membrány. Ultrazvukové žiarenie vzniká až v momente zvárania. Proces prebieha pod vplyvom vibrácií, tlaku aplikovaného v pravom uhle na povrch a tepelného efektu.

Možnosti metódy

Ultrazvukové zváranie je najúčinnejšie pre plastové suroviny. Výrobky z medi, niklu, zlata, striebra atď. je možné kombinovať medzi sebou aj s inými nízkoplastovými výrobkami. So zvyšujúcou sa tvrdosťou sa zhoršuje ultrazvuková zvárateľnosť. Žiaruvzdorné výrobky z volfrámu, nióbu, zirkónu, tantalu, molybdénu sú účinne spojené pomocou ultrazvuku. Ultrazvukové zváranie polymérov sa považuje za relatívne novú metódu. Takéto výrobky môžu byť tiež spojené navzájom aj s inými pevnými časťami. Čo sa týka kovu, dá sa kombinovať ssklo, polovodiče, keramika. Môžete tiež zviazať polotovary cez medzivrstvu. Napríklad oceľové výrobky sú navzájom zvarené cez hliníkový plast. Vďaka krátkemu pobytu pri zvýšenej teplote sa získa vysokokvalitné spojenie rôznych produktov. Vlastnosti surovín podliehajú malým zmenám. Neprítomnosť cudzích nečistôt je jednou z výhod, ktoré má ultrazvukové zváranie. Chýbajú aj škodlivé faktory pre človeka. Pri napojení sa vytvoria priaznivé hygienické podmienky. Väzby produktov sú chemicky homogénne.

Funkcie pripojenia

Zváranie kovov sa spravidla vykonáva prekrývacím spôsobom. Zároveň sú pridané rôzne dizajnové prvky. Zváranie sa môže vykonávať bodovo (jedným alebo viacerými), súvislým švom alebo v uzavretom kruhu. V niektorých prípadoch sa počas predbežného vytvárania konca drôteného polotovaru vytvorí spojenie T s rovinou. Je možné vykonávať ultrazvukové zváranie viacerých materiálov súčasne (balenie).

Hrúbka časti

Je obmedzený horným limitom. S nárastom hrúbky kovového obrobku je potrebné aplikovať oscilácie s väčšou amplitúdou. Tým sa vykompenzuje strata energie. Zvýšenie amplitúdy je zase možné až do určitej hranice. Obmedzenia sú spojené s pravdepodobnosťou únavových trhlín, veľkých prehĺbenín od nástroja. V takýchto prípadoch treba posúdiť akoultrazvukové zváranie by bolo vhodné. V praxi sa metóda používa pre hrúbky produktov od 3…4 µm do 05…1 mm. Zváranie je možné použiť aj pre diely s priemerom 0,01 … 05 mm. Hrúbka druhého produktu môže byť výrazne väčšia ako prvého.

Možné problémy

Pri aplikácii metódy ultrazvukového zvárania je potrebné brať do úvahy pravdepodobnosť únavového zlyhania existujúcich spojov vo výrobkoch. Počas procesu sa môžu obrobky navzájom otáčať. Ako je uvedené vyššie, na povrchu materiálu z nástroja zostávajú preliačiny. Samotné zariadenie má obmedzenú životnosť v dôsledku erózie jeho pracovnej roviny. V niektorých bodoch je materiál výrobku privarený k nástroju. To vedie k opotrebovaniu zariadenia. Opravu zariadení sprevádza množstvo ťažkostí. Súvisia s tým, že samotný nástroj pôsobí ako prvok neoddeliteľnej konštrukcie jedného celku, ktorého konfigurácia a rozmery sú navrhnuté presne pre pracovnú frekvenciu.

Príprava produktu a parametre režimu

Pred vykonávaním ultrazvukového zvárania nie je potrebné vykonávať žiadne zložité opatrenia s povrchom dielov. V prípade potreby môžete zvýšiť stabilitu kvality pripojenia. Na tento účel sa odporúča iba odmastiť produkt rozpúšťadlom. Na spájanie tvárnych kovov sa za optimálny považuje cyklus s oneskorením impulzu vzhľadom na začiatok ultrazvuku. Pri relatívne vysokej tvrdosti výrobku je vhodné pred zapnutím ultrazvuku počkať na mierne zahriatie.

Zváracie vzory

Je ich niekoľko. Technologické schémy ultrazvukového zvárania sa líšia povahou oscilácií nástroja. Môžu byť torzné, ohybové, pozdĺžne. Schémy sa tiež rozlišujú v závislosti od priestorovej polohy zariadenia vzhľadom na povrch zváranej časti, ako aj od spôsobu prenosu tlakových síl na výrobky a konštrukčných prvkov nosného prvku. Pre obrysové, švové a bodové spojenia sa používajú varianty s ohybom a pozdĺžnymi vibráciami. Ultrazvukové pôsobenie je možné kombinovať s lokálnym pulzným ohrevom dielov zo samostatného zdroja tepla. V tomto prípade možno dosiahnuť množstvo výhod. V prvom rade môžete znížiť amplitúdu kmitov, ako aj silu a čas ich prenosu. Energetické vlastnosti tepelného impulzu a perióda jeho superpozície na ultrazvuku pôsobia ako dodatočné parametre procesu.

Tepelný efekt

Ultrazvukové zváranie je sprevádzané zvýšením teploty v spoji. Vznik tepla je spôsobený výskytom trenia na povrchoch kontaktujúcich produktov, ako aj plastickými deformáciami. V skutočnosti sprevádzajú tvorbu zvarového spoja. Teplota na kontaktnej ploche bude závisieť od parametrov pevnosti. Hlavným je stupeň tvrdosti materiálu. Okrem toho majú značný význam jeho termofyzikálne vlastnosti: tepelná vodivosť a tepelná kapacita. Zvolený režim zvárania ovplyvňuje aj úroveň teploty. Ako ukazuje prax, vznikajúci tepelný efekt nepôsobí ako určujúca podmienka. toje spôsobené tým, že maximálna pevnosť spojov vo výrobkoch je dosiahnutá skôr, než teplota vystúpi na hraničnú úroveň. Predhrievaním dielov je možné skrátiť trvanie prenosu ultrazvukových vibrácií. Tým sa tiež zvýši pevnosť spojenia.

Záver

Ultrazvukové zváranie je v súčasnosti v niektorých priemyselných odvetviach nevyhnutnou metódou spájania dielov. Táto metóda je rozšírená najmä v mikroelektronike. Ultrazvuk umožňuje spájať rôzne plastové a tvrdé materiály. Dnes sa aktívne vykonáva vedecká práca na zlepšovaní zváracích nástrojov a technológií.