Ультразвуковая сварка

Реферат

По дисциплине: Электротехнологические установки

Тема: Ультразвуковая сварка

Сарайкин И.В.

Санкт-Петербург 2002 год

Особенности технологии УЗС

При вводе механических колебаний в свариваемые металлы изделие начинает вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма колебаний определяется геометрическими размерами изделия. В наиболее простом и распространенном случае — сварка листа прямоугольной формы — в последнем устанавливается стоячая волна с характерным чередованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний. Уровень напряжении, возникающих в пучностях, определяется мощностью энергии, вводимой в зону сварки. При этом возникает опасность появления микро-и макротрещин в зоне сварки. Образование трещин при достаточном уровне энергии свойственно металлам, обладающим малой пластичностью, имеющим местные дефекты, чрезмерный наклеп и т. п. Для снижения вредного эффекта вибрации свариваемого изделия применяют струбцины с резиновыми прокладками, предварительное снятие заусенцев, округление углов, если это возможно по условиям изготовления детали, предварительный отжиг места соединения и т. п. Наиболее рациональной мерой является снижение амплитуды колебаний сварочного наконечника.

При использовании некоторых колебательных систем наблюдается самопроизвольное разворачивание деталей относительно друг друга во время сварки. Это означает, что необходимо применение специальных кондукторов, обеспечивающих фиксированное положение деталей в процессе сварки. Ранее было установлено [2], что закрепление образцов для предотвращения их перемещения во время сварки снижает качество сварки. Однако позднее, исследуя это явление, пришли к выводу, что дополнительное “прокручивание” образцов повышает прочность сварки до 60%.

Причиной прокручивания, по-видимому, является следующее. При условии интенсивного внешнего трения между свариваемыми деталями и относительно низком зажимном усилии в процессе образования сварного соединения возникают и разрушаются единичные узлы схватывания. Вполне естественно, что в некоторый момент времени на данной половине приполированного пятна может образоваться узел, в то время как на другой — нет. Поскольку амплитуда колебаний между деталями в узле схватывания существенно меньше амплитуды проскальзывания между деталями зоны сварки, в которой еще не возникли узлы схватывания, то наличие результирующей пары сил относительно вертикальной оси узла схватывания вполне вероятно.

7 стр., 3244 слов

Специальные виды сварки

... сварки рассматривается ультразвуковая сварка - сварка давлением с приложением ультразвуковых колебаний. 4. Диффузионная сварка Диффузионная сварка -- сварка за счёт взаимной диффузии на атомарном уровне свариваемых поверхностей деталей. Этим видом сварки ... с помощью холодной сварки. Виды соединений при холодной сварке : Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную ...

При УЗС некоторых металлов наблюдается интенсивное сцепление сварочного наконечника со свариваемым металлом. С точки зрения передачи энергии в зону сварки исследователи [3] считают, что это рационально. С технологической же точки зрения это совершенно неприемлемо, так как приварка сварочного наконечника к детали исключает нормальную эксплуатацию сварочной машины. Как выявлено, налипание свариваемого металла на сварочный наконечник и износ наконечника имеет сложную природу. По существу — это задача обратная УЗС. Поэтому для сварочного наконечника нужен материал, который обладал бы максимальной когезией поверхностного слоя относительно свариваемого материала.

Один из основных параметров процесса, определяющий выделение энергии в зоне сварки — сопротивление нагрузки, практически неуправляем. Механические колебательные системы, являющиеся источниками ультразвука, частотно зависимы. Изменение реактивности в системе приводит к изменению собственной частоты системы. Работа системы вне резонанса, как правило, нецелесообразна. Таким образом, нельзя допускать произвольного изменения геометрических размеров системы, в частности стержней, передающих энергию в зону сварки.

Изложенные особенности ряда технологических факторов весьма существенны. Любой из этих недостатков, выраженный в крайней форме, может поставить под сомнение целесообразность применения УЗС. Вместе с тем УЗС характеризуется весьма ценными технологическими особенностями. Так, микросмещения деталей относительно друг друга вызывают дробление твердых окислов и выгорание жировых пленок, что приводит к самопроизвольной очистке поверхностей свариваемых металлов и к последующей их сварке. Это позволяет наиболее эффективно решать проблему присоединения токоотводов в различного рода электро- и радиотехнических устройствах, так как УЗС обеспечивает переходное сопротивление на уровне сопротивления свариваемых металлов. Температура в зоне соединения составляет 0,4—0,6 от температуры плавления металла. Это обеспечивает минимальное искажение исходной структуры, отсутствие выплесков и брызг металла.

В силу специфичности процесса при УЗС хорошо свариваются металлы, обладающие малым электрическим сопротивлением: электротехническая медь, чистый и сверхчистый алюминий, серебро.

При УЗС в принципе нет ограничений по нижнему пределу свариваемых толщин различных металлов. Возможно также соединение с существенным перепадом толщин и свойств свариваемых металлов (металл — стекло; отношение толщин 1: 1000 и больше).

Для УЗС также характерна: 1) малая энергоемкость; 2) возможность питания нескольких сварочных головок от одного генератора и возможность выноса их на значительное расстояние;

3) простота автоматизации процесса работы колебательной системы; 4) гигиеничность процесса.

4. Зона доступа к сварочному наконечнику

Одной из особенностей технологии сварки ультразвуком является ограниченность диапазона форм свариваемых деталей. Это объясняется тем, что геометрические размеры элементов колебательной системы зависят от заданной частоты. Произвольного изменения размеров резонирующих элементов, посредством которых энергия подводится к зоне сварки, производить нельзя. В этом отношении УЗС обладает существенно меньшими технологическими возможностями, чем, например, контактная сварка.

6 стр., 2648 слов

Сварка и резка металлов как технологический процесс

... и сварка электронным лучом. Местный нагрев металла при химической сварке (газовая и термитная сварка плавлением) осуществляется за счет энергии химических реакций. При электрохимической сварке (атомно-водородная и дуговая плазменная) для расплавления свариваемого металла используют ...

Зона доступа к сварочному наконечнику, а точнее, возможный диапазон форм изделий, которые можно сварить УЗС, в различных вариантах построения механических колебательных систем складывается из сочетаний нескольких элементов. Например, известны системы, состоящие из преобразователя, волновода продольных колебаний и сварочного выступа (рис. 2, а).

Зона доступа к сварочному наконечнику в этом случае определяется длиной волновода продольных колебаний и высотой сварочного выступа в сочетании с конусностью волновода и точкой его закрепления. Сварочный выступ (выступает от образующей концентратора на 2—5 мм) является нерезонансным элементом произвольной формы. Свариваемые детали располагаются на массивной опоре. Технологические возможности такой механической колебательной системы ограничиваются относительно простыми формами изделий.

Более совершенной является модификация этой системы (рис. 2, б).

Зона доступа в этом случае увеличена за счет применения резонансного звена и удлинения плеча поворота системы. Такими же возможностями обладают системы с продольно-поперечной схемой волноводов (рис. 2, в).

Однако при этом следует отметить, что передача усилия сжатия посредством перемещения опорного элемента нерациональна. Опора перемещается вместе со свариваемыми изделиями. Изделия необходимо фиксировать дополнительным устройством. Такая кинематическая схема ограничивает верхний предел производительности сварочной машины. Колебательная система, разработанная фирмой “Сонобонд К°” (рис. 2, г), работает в сочетании с резонансной опорой, которая позволила значительно увеличить рабочее пространство у сварочного наконечника. Во ВНИИЭСО при проектировании оборудования была применена схема, показанная на рис. 2, д.

Рис. 2. Варианты механических колебательных систем для точечной сварки

В ряде случаев применение продольно-поперечной системы со стержнем постоянного сечения также не позволяет решить такую задачу, так как при УЗС в зависимости от механических свойств и соотношения толщин свариваемых металлов положение деталей относительно сварочного наконечника имеет большое значение. Решить такие задачи можно при применении модификаций стержня колебательной системы.

Для сварки изделий в труднодоступных местах можно воспользоваться стержнем с Г-образным наконечником (рис. 3, а).

Экспериментально была установлена возможность применения выступа в пределах Уд длины волны в стержне. Смещение точки съема энергии относительно оси стержня существенно увеличивает возможный диапазон форм свариваемых деталей.

Весьма важным обстоятельством, характеризующим возможности УЗС, является сварка по контуру как на машинах с продольной системой, так и с резонирующим стержнем, работающим в режиме изгибных и крутильных колебаний. Такая сварка получена за счет выбора сварочных наконечников специальной формы, соответствующей заданной конструкции изделия. Одним из недостатков такого приема является изменение собственной частоты стержня в силу изменения его формы. Это затрудняет расчет его параметров.

11 стр., 5334 слов

Полуавтоматическая сварка (2)

... и маневренным, для полуавтоматической сварки используется тонкий сварочный пруток (Ø 0,8-1,6 мм). В зависимости от свариваемого металла и его толщины в качестве защитных газов используются инертные, активные газы или их смеси. Благодаря ...

Вместо стержня возможно применение рабочего инструмента в виде пустотелой резонансной трубки, работающей в режиме изгибных или крутильных колебаний (рис. 3, б).

Ее оптимальные геометрические размеры подбираются в зависимости от частоты, конструктивных особенностей и мощности сварочной машины. Кромка сварочного наконечника на внутренней и наружной сторонах срезана с расчетом получить рабочую дорожку шириной 0,5—1,5 мм.

Приварку токоотводов к внутренней или наружной поверхности стакана целесообразно осуществить посредством составного стержня с переменным сечением (рис. 3, б).

При такой конструкции стержня, во-первых, сохраняется достаточно большое сечение опорной части резонирующего стержня, чем обеспечивается необходимая жесткость и, во-вторых, увеличивается зона доступа к сварочному наконечнику. Такая конструкция резонирующего стержня позволила, например, приварить стальные токоотводы к корпусу аккумулятора.

В настоящее время сварка с применением таких стержней практически дала обнадеживающие результаты. Вполне вероятно, что они могут найти применение при изготовлении полупроводниковых элементов, особенно при использовании систем крутильных колебаний.

Технологические возможности шовной УЗС в отношении свариваемых форм можно в некоторой степени сравнить с возможностями машин для контактной сварки.

Шовная ультразвуковая сварка металлов может быть осуществлена посредством колебательной системы со сварочным роликом в виде нерезонансного выступа (рис. 4, а).

Однако, как установлено, применение нерезонансного выступа в виде ролика при шовной УЗС в ряде случаев нежелательно. Технологические возможности такого устройства весьма ограничены и могут быть использованы только в частных случаях, тем более, что в качестве опорного элемента используются массивные ролики.

Применение в качестве излучателя ультразвука резонансного диска (рис. 4, б) позволяет увеличить технологические возможности шовной УЗС.

Во ВНИИЭСО разработана колебательная система, в которой в качестве опоры использован также резонансный диск. Это повышает эффективность использования шовной УЗС (рис. 4, в).

Рекомендуемая форма наконечника для сварки металлов микротолщин показана на рис. 5, д.

Ряд авторов считает, что состояние поверхности сварочного наконечника является одним из важных факторов, влияющих на образование сварного соединения (на его механическую прочность).

Так, например, в работе [2] приведены данные об использовании сварочных наконечников с различной степенью обработки поверхности. Установлено, что при сварке сплавов АМцАМ шлифованным наконечником, сварные соединения обладали низкой прочностью. Удовлетворительные соединения были получены с помощью наконечника, поверхность которого была грубо обработана на наждачном камне. Аналогичные результаты были приведены и в работе [3].

Наилучшие результаты по сварке ряда материалов были получены при использовании сварочного наконечника с шероховатой поверхностью. Обработка экспериментальных результатов позволила прийти к выводу [3], что чем прочнее сцепление сварочного наконечника с деталью, тем интенсивнее передача энергии ультразвука в зону сварки и прочнее сварное соединение.

Однако некоторые приводят противоположные доводы, считая, что в случае шероховатости наконечника потери на соединение уменьшаются, так как шероховатость предотвращает скольжение между наконечником и свариваемыми образцами. Мнение, что обволакивание сварочного наконечника металлом свариваемого изделия способствует передаче энергии, вряд ли справедливо. Дело в том, что при обволакивании исчезает граница раздела между сварочным наконечником и деталью. Исходя из общих принципов распространения плоской волны в твердом теле следует, что потери энергии на границе их раздела в таком случае резко уменьшается. Значит надо предполагать, что источником ультразвуковых колебаний должна являться деталь, сцепившаяся со сварочным наконечником. Поскольку она обладает массой, то это вызывает изменение частоты колебательной системы и выход ее из резонанса. Таким образом оптимальные условия переноса энергии будут нарушены (технологически такое сцепление недопустимо).

12 стр., 5638 слов

Полуавтоматическая сварка

... применяется при проведении полуавтоматической сварки в качестве устройства для подачи сварочной проволоки и защитного газа в зону сварки. ПДГ-516 работает в составе сварочных полуавтоматов вместе с любыми сварочными выпрямителями, имеющими жесткую ...

Были проведены экспериментальные работы по выявлению влияния степени обработки поверхности сварочного наконечника на механическую прочность соединений при сварке меди М1.

Установлено, что при сварочном наконечнике, обработанном грубым наждачным камнем, среднее разрушающее усилие при испытании образцов Рср = 24 кГ. Внешний вид сварной точки в полной мере соответствует грубо обработанной поверхности наконечника.

В другом случае наконечник был тщательно обработан мелкозернистой наждачной бумагой. При испытании этой группы образцов Рср = 24,5 кГ (по 20 образцам).

Существенной разницей между сварными соединениями было состояние наружной поверхности сварной точки: при сварке наконечником с обработанной поверхностью сварная точка имела шлифованный вид.

Таким образом, судить по состоянию поверхности сварной точки о качестве соединения в этом случае было нельзя.

Есть сведения, которые говорят о влиянии материала сварочного наконечника на прочность сварных соединений. В работе [3] приведены результаты об использовании в качестве материала сварочных наконечников сталей: ЭВ, НЖ-1, 45, Р-18, ШХ15 и др. Установлено, что при сварке меди М1, твердость наконечника существенно влияет на прочность соединения.

Б. Б. Золотарев и др. [2] приводят несколько иные данные. Сварочные наконечники были изготовлены из сормайта, сталей ШХ15 и 45. Сваривалась медь М1. Материал наконечника влияния на прочность соединений не оказал.

Можно было бы привести достаточное число примеров, результаты которых исключают друг друга.

Износоустойчивость сварочного наконечника, способность его не свариваться с деталью, которой он передает энергию ультразвука, является в настоящее время одной из основных проблем, в области освоения ультразвука для целей сварки.

При работе сварочный наконечник, как уже было сказано выше, находится в сложном термомеханическом состоянии.

Наконечник одновременно подвержен цикличному термическому нагружению, знакопеременным механическим напряжениям и весьма интенсивному внешнему трению о свариваемый материал. Нагрев наконечника до температуры рекристаллизации свариваемых металлов происходит примерно за 0,5—1,5 сек, а охлаждение после окончания сварки в течение 3—5 сек.

Истирание поверхности сварочного наконечника о свариваемую деталь происходит за счет его возвратно-поступательного движения со скоростью относительного перемещения до 2—4 м/сек и усилия сжатия до 10 кГ/мм 2 .

Следствием такого взаимодействия на поверхности сварочного наконечника, если не происходит процесса его соединения со свариваемым металлом, начинается его разрушение, т. е. возникновение микротрещин, разрастание их до макроразмеров, выкрашивание кусков металла и т. п. В таких условиях в силу пластического деформирования наружной поверхности свариваемого металла последний как бы запрессовывается в эти трещины. Возникает налипание его на поверхности наконечника. И чем больше и глубже трещины, тем это налипание выражено сильнее.

16 стр., 7700 слов

Технологический процесс газовой сварки стыковых соединений труб с поворотом на

... сварочных материалов, а также нормы и правила контроля сварных соединений трубопроводов, условия их выбраковки и ремонта. Цель письменной экзаменационной работы: изучить и описать технологический процесс газовой сварки стыковых соединений ... кислорода и ацетилена в горелку, сварочными горелками с набором наконечников, присадочной проволокой для сварки и наплавки, набором ключей, молотком, зубилом, ...

2) машины, в которых резонирующий стержень механической колебательной системы используется в качестве упорного или опорного элемента и неподвижно закреплен в корпусе машины (рис. 2, б и д).

Этот признак в значительной степени определяет достоинства или недостатки сварочной машины

Из приведенных данных следует, что процесс ультразвуковой сварки в настоящее время практически освоен. Стабильная работа колебательных систем дает разброс в прочности сварных соединений не более, чем это наблюдается при использовании контактной сварки. При этом следует заметить, что УЗС позволяет получить надежные сварные соединения разнотолщинного алюминия без предварительного снятия окисных пленок, электротехнической меди и других металлов, где использование контактной сварки практически затруднено.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/ultrazvukovaya-svarka/

Холопов Ю. В. Ультразвуковая сварка. Л., “Машиностроение”, 1972.

Золотарев Б. Б., Волков Ю.Д. Точечная сварка металлов ультразвуком. -“Сварочное производство”, 1982, №9

Силин Л.Л., Баландин Г.Ф. Ультразвуковая сварка. М., Машгиз, 1982.