Svařování ultrazvukových plastů, plastů, kovů, polymerních materiálů, hliníkových profilů. Ultrazvukové svařování: technologie, škodlivé faktory

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Ultrazvukové svařování kovů je proces, při kterém se v pevné fázi získá nerozebíratelný spoj. K tvorbě juvenilních oblastí (ve kterých se tvoří vazby) a kontaktu mezi nimi dochází pod vlivem speciálního nástroje. Poskytuje společné působení relativních znaménkových střídavých tangenciálních posunů malé amplitudy a tlakové normálové síly na polotovary. Podívejme se blíže na to, co je technologie ultrazvukového svařování.

Spojovací mechanismus

Mezi díly s ultrazvukovou frekvencí dochází k posunům s nízkou amplitudou. Díky nim dochází k plastické deformaci mikrodrsností na povrchu dílů. Současně jsou ze zóny připojení evakuovány nečistoty. Ultrazvukové mechanické vibrace jsou přenášeny na místo svařování z nástroje na vnější straně obrobku. Celý proces je organizován tak, aby se vyloučilo sklouznutí přípravku a podpěrydetailní povrchy. Při průchodu vibrací obrobkem dochází k rozptýlení energie. To je zajištěno vnějším třením mezi povrchy v počáteční fázi svařování a vnitřním třením v materiálu umístěném mezi držákem a nástrojem po vytvoření oblasti nastavení. To zvyšuje teplotu ve spoji a usnadňuje jeho deformaci.

Specifické chování materiálu

Tangenciální posuny mezi součástmi a napětí, která způsobují, a působí společně s tlakem ze svařovací síly, poskytují lokalizaci těžké plastické deformace v malých objemech v blízkých povrchových vrstvách. Celý proces je doprovázen broušením a mechanickým odsáváním oxidových filmů a dalších nečistot. Ultrazvukové svařování snižuje mez kluzu, a tím usnadňuje plastickou deformaci.

Funkce procesu

Ultrazvukové svařování přispívá k vytvoření nezbytných podmínek pro spojení. To je zajištěno mechanickými vibracemi převodníku. Vibrační energie vytváří složitá smyková, tlaková a deformační napětí. K plastické deformaci dochází při překročení mezí pružnosti materiálů. Získání pevného spojení je zajištěno zvětšením plochy přímého kontaktu po evakuaci povrchových oxidů, organických a adsorbovaných filmů.

Pomocí KM

Ultrazvuk je ve vědecké oblasti široce používán. S jeho pomocí vědci zkoumají řadu fyzikálních vlastnostílátek a jevů. V průmyslu se ultrazvuk používá k odmašťování a čištění prostředků, pracujících s těžkoobrobitelnými materiály. Kromě toho fluktuace příznivě ovlivňují krystalizující taveniny. Ultrazvuk jim zajišťuje odplynění a zjemnění zrna, čímž zlepšuje mechanické vlastnosti litých materiálů. Vibrace přispívají k odstranění zbytkových pnutí. Jsou také široce používány ke zvýšení rychlosti pomalých chemických reakcí. Ultrazvukové svařování lze použít pro různé účely. Vibrace se mohou stát zdrojem energie pro tvorbu švových a bodových spojů. Při vystavení svarové lázně působení ultrazvuku během krystalizace dochází ke zlepšení mechanických vlastností spoje díky zjemnění struktury svaru a intenzivnímu odstraňování plynů. Vzhledem k tomu, že vibrace aktivně odstraňují nečistoty, umělé i přírodní filmy, je možné spojovat díly s oxidovaným, lakovaným atd. povrchem. Ultrazvuk přispívá ke snížení nebo odstranění vlastního pnutí, které se při svařování objevuje. Díky vibracím je možné stabilizovat složky struktury směsi. To zase umožňuje zabránit možnosti následné samovolné deformace konstrukcí. Ultrazvukové svařování se v poslední době stále více používá. To je způsobeno nepochybnými výhodami tohoto způsobu připojení ve srovnání se studenými a kontaktními způsoby. Zvláště často se ultrazvukové vibrace používají v mikroelektronice.

Slibný směrpovažováno za ultrazvukové svařování polymerních materiálů. Některé z nich nelze propojit jiným způsobem. V průmyslových podnicích se v současné době provádí ultrazvukové svařování tenkostěnných hliníkových profilů, fólií, drátů. Tato metoda je zvláště účinná pro spojování výrobků z různých surovin. Ultrazvukové svařování hliníku se používá při výrobě domácích spotřebičů. Tato metoda je účinná při spojování plechových surovin (nikl, měď, slitiny). Ultrazvukové svařování plastů našlo uplatnění při výrobě optických zařízení a zařízení jemné mechaniky. V současné době byly vytvořeny a do výroby zavedeny stroje pro spojování různých prvků mikroobvodů. Zařízení jsou vybavena automatickými zařízeními, díky kterým se výrazně zvyšuje produktivita.

Síla USA

Ultrazvukové svařování plastu poskytuje trvalé spojení díky kombinovanému působení vysokofrekvenčních mechanických vibrací a relativně malé tlakové síly. Tato metoda má mnoho společného s metodou za studena. Ultrazvuková síla, která může být přenášena médiem, bude záviset na fyzikálních vlastnostech média. Pokud jsou překročeny meze pevnosti v zónách stlačení, pevný materiál se zbortí. V podobných situacích dochází v kapalinách ke kavitaci, doprovázené výskytem malých bublinek a jejich následným kolapsem. Spolu s posledním procesem vznikají lokální tlaky. Tento jev se využívá při čištění a zpracování produktů.

Uzel zařízení

Ultrazvukové svařování plastů se provádí pomocíspeciální stroje. Obsahují následující uzly:

1. Napájení.
2. Vibrační mechanický systém.
3. Ovládací zařízení.
4. Tlakový pohon.

Oscilační systém slouží k přeměně elektrické energie na mechanickou energii pro její následný přenos do spojovací sekce, její koncentraci a získání požadované hodnoty rychlosti emitoru. Tento uzel obsahuje:

1. Elektromechanický převodník s vinutím. Je uzavřena v kovovém pouzdře a chlazena vodou.
2. Elastický oscilační transformátor.
3. Svařovací hrot.
4. Podpora s přítlačným mechanismem.

Systém je upevněn pomocí membrány. Ultrazvukové záření vzniká pouze v okamžiku svařování. Proces probíhá pod vlivem vibrací, tlaku působícího v pravém úhlu k povrchu a tepelného efektu.

Možnosti metody

U plastových surovin je nejúčinnější ultrazvukové svařování. Výrobky z mědi, niklu, zlata, stříbra atd. lze kombinovat mezi sebou i s jinými nízkoplastickými výrobky. S rostoucí tvrdostí se zhoršuje svařitelnost ultrazvukem. Žáruvzdorné výrobky z wolframu, niobu, zirkonu, tantalu, molybdenu jsou účinně spojeny pomocí ultrazvuku. Ultrazvukové svařování polymerů je považováno za relativně novou metodu. Takové výrobky mohou být také spojeny jak mezi sebou, tak s jinými pevnými díly. Pokud jde o kov, lze jej kombinovat ssklo, polovodiče, keramika. Přířezy můžete také svázat přes mezivrstvu. Například ocelové výrobky jsou k sobě svařeny pomocí hliníkového plastu. Díky krátkému pobytu pod zvýšenou teplotou se získá vysoce kvalitní spojení rozdílných produktů. Vlastnosti surovin podléhají drobným změnám. Nepřítomnost cizích nečistot je jednou z výhod, kterou má ultrazvukové svařování. Chybí také škodlivé faktory pro člověka. Při napojení se vytvoří příznivé hygienické podmínky. Vazby produktů jsou chemicky homogenní.

Funkce připojení

Svařování kovů se zpravidla provádí přeplátováním. Zároveň se přidávají různé designové prvky. Svařování lze provádět bodově (jednou nebo více), spojitým švem nebo v uzavřeném kruhu. V některých případech se během předběžného vytvoření konce drátového polotovaru vytvoří T spojení s rovinou. Je možné provádět ultrazvukové svařování několika materiálů současně (balení).

Tloušťka dílu

Je omezena horní hranicí. S nárůstem tloušťky kovového obrobku je nutné aplikovat oscilace s větší amplitudou. Tím se vyrovná ztráta energie. Zvýšení amplitudy je zase možné až do určité hranice. Omezení jsou spojena s pravděpodobností vzniku únavových trhlin, velkých promáčklin od nástroje. V takových případech je třeba posoudit, jakultrazvukové svařování by bylo vhodné. V praxi se metoda používá pro tloušťky výrobků od 3…4 µm do 05…1 mm. Svařování lze použít i pro díly o průměru 0,01 … 05 mm. Tloušťka druhého produktu může být výrazně větší než prvního.

Možné problémy

Při aplikaci metody ultrazvukového svařování je nutné vzít v úvahu pravděpodobnost únavového selhání stávajících spojů ve výrobcích. Během procesu se mohou obrobky vůči sobě otáčet. Jak bylo uvedeno výše, na povrchu materiálu z nástroje zůstávají promáčkliny. Samotné zařízení má omezenou životnost v důsledku eroze jeho pracovní roviny. V některých bodech je materiál výrobku přivařen k nástroji. To vede k opotřebení zařízení. Opravu zařízení provází řada potíží. Souvisí s tím, že samotný nástroj působí jako prvek neoddělitelného jednojednotkového designu, jehož konfigurace a rozměry jsou navrženy přesně pro pracovní frekvenci.

Příprava produktu a parametry režimu

Před prováděním ultrazvukového svařování není nutné provádět žádná složitá měření povrchu dílů. V případě potřeby můžete zvýšit stabilitu kvality připojení. K tomu je vhodné produkt pouze odmastit rozpouštědlem. Pro spojování tvárných kovů se za optimální považuje cyklus se zpožděním pulzu vzhledem k začátku ultrazvuku. Při poměrně vysoké tvrdosti výrobku je vhodné před zapnutím ultrazvuku počkat na mírné zahřátí.

Svařovací vzory

Je jich několik. Technologická schémata ultrazvukového svařování se liší povahou oscilací nástroje. Mohou být torzní, ohybové, podélné. Schémata se také rozlišují v závislosti na prostorové poloze zařízení vzhledem k povrchu svařované části, jakož i na způsobu přenosu tlakových sil na výrobky a konstrukčních vlastnostech nosného prvku. Pro obrysové, švové a bodové spoje se používají varianty s ohybem a podélnými vibracemi. Ultrazvukové působení lze kombinovat s lokálním pulzním ohřevem dílů ze samostatného zdroje tepla. V tomto případě lze dosáhnout řady výhod. Nejprve můžete snížit amplitudu kmitů, stejně jako sílu a dobu jejich přenosu. Energetické vlastnosti tepelného pulsu a perioda jeho superpozice na ultrazvuku působí jako další parametry procesu.

Tepelný efekt

Ultrazvukové svařování je doprovázeno zvýšením teploty ve spoji. Vznik tepla je způsoben výskytem tření na površích kontaktujících produktů a také plastickými deformacemi. Ve skutečnosti doprovázejí tvorbu svarového spoje. Teplota na kontaktní ploše bude záviset na pevnostních parametrech. Tím hlavním je stupeň tvrdosti materiálu. Kromě toho mají značný význam jeho termofyzikální vlastnosti: tepelná vodivost a tepelná kapacita. Zvolený režim svařování také ovlivňuje úroveň teploty. Jak ukazuje praxe, vznikající tepelný efekt nepůsobí jako určující podmínka. toje způsobeno tím, že maximální pevnosti spojů ve výrobcích je dosaženo dříve, než teplota stoupne na mezní úroveň. Předehřevem dílů je možné zkrátit dobu přenosu ultrazvukových vibrací. Tím se také zvýší síla připojení.

Závěr

Ultrazvukové svařování je v současné době v některých průmyslových odvětvích nepostradatelnou metodou spojování dílů. Tato metoda je rozšířena zejména v mikroelektronice. Ultrazvuk umožňuje spojovat různé plastové a tvrdé materiály. Dnes se aktivně provádí vědecká práce na zlepšení svařovacích nástrojů a technologií.