Ультразвуковая сварка металла. Достоинства ультразвуковой сварки
При сварке ультразвуком неразъемное соединение образуется при совместном воздействии на детали механических сдвигающих колебаний с ультразвуковой частоты (f = 20…230 Кгц), относительно небольшом сдавливающем усилии, приложенном перпендикулярно к свариваемым поверхностям и тепловом эффекте вследствие трения при их возвратно-поступательных перемещениях. В результате в зоне сварки наблюдается небольшая пластическая деформация.
Другими характерными внешними дефектами являются. Наперстки с отступом в исходном металле, расположенные в месте перехода от шва к основному металлу. Наклоны уменьшают суставную секцию, вызывают концентрацию напряжений и могут привести. к возникновению трещин. Они формируются путем сварки с увеличенным значением тока, очень длинной дугой или увеличенной мощностью газовой горелки. Они возникают, когда дуга неправильно сломана и остается в виде незаполненных вмятин в конце дуги. шов или в местах, где сварка прерывается.
Не низкая квалификация сварщика или. небрежное исполнение. Они снижают прочность и коррозионную стойкость и являются источником трещин. Прорывы - это сжигание металла из-за высокого значения линейной энергии и наличия. большой зазор сварки или небольшая волнистая часть.
В начальный момент действия с ультразвуковых колебаний на свариваемых поверхностях возникает сухое трение, приводящее к разрушению окисных и адсорбированных пленок. После появления ювенильных поверхностей процесс сухого трения переходит в чистое трение, сопровождающееся образованием узлов схватывания. Схватыванию способствует малая амплитуда колебаний трущихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний.
Основными типами внутренних дефектов сварки являются. Непрерывные связи, которые представляют собой локальный цикл или разрыв между швом и основным металлом. Они образованы в корне, поперечном сечении и стенках шва из-за загрязнения краев или ненадлежащего приготовления, неправильного выбора режима сварки, магнитного дутья при сварке постоянным током. Без обрезки может снизить производительность соединения из-за уменьшения положения стежка. Кроме того, заточка не является концентратором напряжений и источником сварных трещин. - Трещины являются наиболее опасным и неприемлемым дефектом при сварке.
Для получения механических колебаний ультразвуковой частоты используется открытый Р. Джулен в 1847 г. магнитострикционный эффект. Этот эффект заключается в том, что под действием переменного магнитного поля, направленного вдоль магнитопровода, происходит его укорочение или удлинение.
Основной узел машины для ультразвуковой сварки - магнитострикционный преобразователь (рис. 1), обмотка которого питается током ультразвуковой частоты 20…180 Кгц от генератора. Охлаждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод в виде продольных механических перемещений на верхний наконечник
В зависимости от их размера они являются макро - и микро трещины. Пористость обусловлена переполнением жидкостного сварочного желоба с газами. Это связано с плохой очисткой сварочных кромок от плетеной и ржавчины, длинной дуговой сварки, влаги в покрытии, в сварочном потоке или в защитном газе. Обычно они вызваны плохой очисткой сварочных кромок ватой или ржавчиной, а также. плохое очищение шлаковой коры при многослойной сварке. Получена газокислородная сварка. шлаковых включений при работе с окислительным пламенем.
Основными типами контроля являются: внешний контроль, неразрушающий контроль, контроль сноса. Внешний осмотр проверяет качество подготовки и сборки сварочных заготовок; качество швов в процессе сварки и качество готовых сварных швов. Как правило, все сварные изделия контролируются внешним осмотром независимо от того, будут ли применяться другие элементы управления.
При сварке изделие 4 зажимают между наконечниками, к которым прикладывают усилие, необходимое для создания давления в процессе сварки.
Наиболее распространенными схемами ультразвуковой сварки являются точечная, шовная и по контуру. При точечной сварке наконечниками служат круглые или другой формы стальные пуансоны, при шовной стальные ролики.
После получения монтажных частей должна быть проверена чистота поверхности металла на месте сварки, размеры заготовок, качество подготовки кромки, углы скоса. Дефекты в преформах оказывают большое влияние на качество и эффективность сварочных работ. Например, увеличение угла скоса приводит к увеличению количества ввода металла и, как следствие, к снижению производительности и излишнему потреблению электродов и электрической энергии.
Установленный узел управляет: зазором сварки, степенью несоответствия краев передних соединений, относительным расположением деталей в собранном узле, правильным расположением перехватных швов. Мониторинг процесса сварки призван своевременно предотвращать дефекты. Визуально контролируйте режим сварки, защиту газа, правильное расслоение слоев в многослойных швах.
Рис. 1. Схема установки для сварки ультразвуком:
1 - магнитострикционный преобразователь; 2 - волновод; 3 - наконечники; 4 - свариваемые детали.
Основные параметры режимов ультразвуковой сварки: мощность преобразователя, частота и амплитуда колебаний инструмента, усилие сжатия, время сварки.
Мощность ультразвукового преобразователя выбирается в зависимости от толщины и свойств металла свариваемых деталей. Обычно она равна 4…6 кВт. Амплитуда колебаний инструмента (Обычно в пределах 10…20 мкм) является одной из важнейших характеристик сварочного процесса, влияющей на свойства сварного соединения и на его прочность.
Контроль готовых сварных швов осуществляется в основном с внешнего вида невооруженным глазом или под увеличительным стеклом. Проверьте наличие трещин, черенков, стоков, корней в корне и т.д. эти дефекты непригодны и подлежат резке и повторной сварке. Также измерьте размеры стежка, которые должны соответствовать размерам чертежа. Нельзя уменьшить фактические размеры по сравнению с установленными размерами. Чаще всего размеры шва определяются с помощью шаблонов управления.
Методы неразрушающего контроля делятся на системы регулирования плотности, излучения, акустики, капиллярного, магнитного, оптического, радиоволнового, теплового, электрического и электромагнитного контроля с вихревыми токами. Дизельное топливо, масляные и водяные резервуары подвергаются контролю плотности; трубопроводы, паровые котлы и т.д. существует несколько способов контроля плотности сварного шва.
Усилие сжатия необходимо для обеспечения требуемого физического контакта между деталями. Он составляет 100…2000 кН. Сила трения при смещении детали друг относительно друга под воздействием ультразвуковых колебаний также зависит от усилия сжатия.
Время сварки тоже оказывает существенное влияние на прочность сварного соединения. При малом времени сварки соединение получается непрочным, так как углы схватывания занимают небольшую часть поверхности контакта. Если же время сварки слишком большое, то на деталях образуются глубокие вмятины от электродов, наблюдается усталостное разрушение сварного соединения и схватывание электродов с деталями. Время сварки при точечном соединении 0.5…3 с.
В этом способе сваренный сосуд заполняется водой с помощью насоса или гидравлического пресса. генерирует избыточное давление. При испытании давление обычно в 1, 5-2 раза превышает рабочее давление. Испытательный сосуд выдерживают под давлением в течение 5-10 минут, в течение которого он проверяется на наличие утечек, капель. или потоотделение - показатели неадекватности. Вместо воды можно использовать авиационное масло или дизельное топливо. - Пневматические испытания. Сжатый газ подается в испытательный сосуд в испытательном сосуде.
Контейнеры с меньшим объемом погружаются в ванну с водой, где дефектные места обнаруживаются при оттоке. плотности в газовых пузырьковых швах. Более крупные сварные резервуары и трубопроводы испытываются по заявке. сварных швов с искровым индикатором, с которыми образуются пузырьки в точках неточностей. - Испытание на керосин. Этот метод испытаний основан на явлении капиллярности, которое состоит из способности. большое количество жидкостей, включая керосин, в капиллярные трубки с небольшим поперечным сечением.
Процесс ультразвуковой сварки сопровождается выделением тепла в месте образования соединения в результате трения в контакте между деталями. Максимальная температура в зоне сварки не превышает 0.5…0.7 температуры плавления. В некоторых случаях детали перед сваркой подогревают.
Предварительный подогрев приводит к уменьшению времени сварки и способствует повышению прочности соединения. Однако слишком высокая температура нагрева не позволяет повысить прочность вследствие увеличения текучести металла и обусловленного этим ухудшения передачи ультразвуковых волн в зону сварки.
Такими сварочными трубами являются, например, полученные поры или трещины в металлическом шве. Для тестирования одна сторона шва покрыта водным раствором мела, а когда она сухая, другая сторона становится влажной керосином. Через некоторое время, в зависимости от толщины сваренного материала, при наличии дефектов на стороне, покрытой мелом. появляются ржаво-желтые до коричневых пятен.
В лучевых лучах используются рентгеновские лучи или гамма-лучи. Они проникают в оптически непрозрачные тела, действуют на фотографические пленки, подобные световым лучам. Под их действием некоторые вещества, такие как сульфид цинка, накаляются. При радиографическом контроле источник излучения размещается на некотором расстоянии от стежка так, чтобы лучи направлялись перпендикулярно его оси. На противоположной стороне помещается кассета, содержащая рентгеновскую пленку. В радиации пленка подвергается воздействию лучей в течение определенного времени, называемого экспозицией.
Имеющийся опыт применения сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа:
1. Сварка ультразвуком позволяет соединить разные металлы, хорошо свариваются алюминий, медь, никель, удовлетворительно - высоколегированные стали. Получены соединения на ряде тугоплавких металлов - ниобии, тантале, молибдена и вольфраме. Существенные успехи получены при сварке металлов с неметаллами (полупроводниками, стеклом и некоторыми другими материалами). С помощью ультразвука сваривают детали из пластмасс, получают соединения биологических тканей, что является одним из уникальных примеров использования сварки ультразвуком и одновременно характеризует ее широкие возможности.
2. Возможны соединения тонких и ультратонких деталей, сварка пакетов из фольги, можно приваривать тонкие обшивки и фольгу к элементам несущей конструкции, толщина которых практически не ограничена.
3. Сварка ультразвуком происходит в твердом состоянии без существенного нагрева места сварки, что позволяет соединять химически активные металлы или пары металлов.
4. Не требуется предварительная зачистка поверхности детали, в связи с чем возможна сварка плакированных и оксидированных деталей.
5. Небольшие сдавливающие усилия вызывают незначительную деформацию поверхности деталей в месте их соединения.
6. Сварка ультразвуком более экономична, так как применяется сварочное оборудование малой мощности. Например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100…150 кВт, при ультразвуковой сварке того же соединения - 2.5…5 кВт.
Затем пленку вынимают из кассеты, отображают и фиксируют для получения прочного фотографического изображения. В области шва в отдельных местах изображение неравномерно потемнело. Балки, которые падают на пленку после прохождения дефекта, проглатываются в меньшей степени, чем лучи, прошедшие через твердый металл, и первые из них будут вызывать более сильное затемнение определенной области пленки.
Радиографический контроль может обнаруживать большинство внутренних дефектов: сбои, поры, включения, макротрещины. Другим контролем, выполняемым на сварных соединениях, является контроль гамма-излучения. Производство гамма-лучей связано со свойствами некоторых элементов, которые дезинтегрируются путем преднамеренного высвобождения различных типов лучей, включая гамма-лучи. Это явление называется радиоактивностью. Основным недостатком использования природных радиоактивных веществ является то, что они очень дороги.
Недостатки ультразвуковой сварки заключаются в следующем. Прежде всего толщина свариваемых деталей ограничена 2,0 мм. Для больших толщин необходимо увеличить частоту колебаний, что приводит к разрушению волновода. Неустойчивость параметров сварки вследствие нестабильности количества энергии, поступающей в зону сварки из-за отклонений в размерах деталей, различного состояния их поверхностей, нестабильности в работе ультразвукового генератора, механизма сжатия и т.п. вызывает значительные колебания прочности сварных соединений.
Поэтому для целей контроля используются более дешевые искусственные радиоактивные вещества, такие как кобальт-60, телий-170, иридий-192 и другие изотопы. Из-за вредного воздействия радиоактивных веществ на организм человека изотопы хранятся в специальных контейнерах. Техника передачи сварных соединений с гамма-лучами аналогична методике рентгеновских лучей. По сравнению с контролем рентгеновских лучей управление гамма-лучами имеет следующие преимущества: радиоактивный изотоп может быть размещен в местах сварной структуры, где невозможно разместить громоздкое рентгеновское оборудование; гамма-лучи могут одновременно управлять несколькими деталями или круговым швом; контейнер с радиоактивной ампулой удобно работать в полевых условиях, потому что его можно легко транспортировать; стоимость управления гамма-лучами меньше.
Ультразвуковая сварка нашла широкое применение для соединения тонких деталей в приборостроении, радиоэлектронной промышленности и особенно в микроэлектронике, а также для полимерных пленок, полимеров.
Сварка пластмасс ультразвуком является промышленным методом соединения полимерных материалов и уже давно заняла позиции экономически обоснованного способа сварки. Главным инструментом ультразвуковой сварки являются искусственные механические колебания, которые прикладываются к зоне контакта и преобразовываются в тепловую энергию. В результате таких процессов происходит увеличение диффузии молекул и стирание границ между свариваемыми деталями.
Основным недостатком этого метода является меньшая чувствительность к обнаружению дефектов с толщиной стежка менее 50 мм. Ультразвуковой контроль также используется для дефектоскопии сварных соединений. Метод ультразвукового контроля основан на свойствах ультразвуковых волн, отражаемых границей, разделяющей две среды с различными акустическими свойствами. Ультразвук может выявлять трещины, всплески, разрывы листьев, неудачи, включения шлаков, поры. Ультразвук представляет собой колебание в физической среде с частотой выше 20 кГц, т.е. выше верхней границы слухового восприятия.
Принцип действия ультразвуковой сварки
Любой процесс соединения пластмасс за счет использования энергии преобразования (в данном случае механической в тепловую) происходил в два основных этапа:
Первый этап: нагрев материалов с увеличением диффузионных процессов в непосредственной зоне контакта.
Второй этап: возникновение прочных связей между вязко текучими материалами, которые приводят к образованию неразъемного шва.
Существует несколько способов получения ультразвуковых колебаний. Наиболее распространенным является способ, основанный на пьезоэлектрическом эффекте некоторых кристаллов - кварцевой, сегневой и других. Он состоит в том, что если на противоположные стороны пластины, вырезанной из кристалла, загружаются различные электрические заряды, пластина деформируется. Если знаки электрических зарядов с частотой выше 20 кГц изменяются, пластина начинает вибрировать на той же частоте, что и ультразвуковые колебания, передаваемые в окружающую среду в виде ультразвука.
Схема получения соединений ультразвуком
Классический метод получения ультразвуковой сварки пластмасс отличается от аналогичного способа для металлических изделий. Главное отличие заключается в схеме ввода волновой энергии и параллельном механическом воздействии. Для соединения пластмасс не требуется больших давлений и таких высоких температур плавления, поэтому разно ультразвуковая сварка упрощается.
Пьезоэлектрический эффект основан на работе ультразвуковых дефектоскопов - устройств для обнаружения дефектов в изделиях, включая сварные устройства, которые обнаруживают распространение ультразвуковых колебаний в контролируемом материале. Звуковое поле, генерируемое пьезоэлектрической пластиной 4, распространяется в материале управляемого объекта. При наличии дефекта 3 акустическое поле меняет свою структуру. Поверхность дефекта отражает ультразвуковые колебания, а позади дефекта есть так называемая «Тень».
Приемник 5 обнаруживает ослабленные акустические волны, а приемник 2 - отражения, которые можно судить о наличии, типе и характере дефектов. Ультразвуковой контроль может быть автоматизирован, он абсолютно безвреден для исполнителей. Его основным недостатком является невозможность точно идентифицировать и документировать характер и тип дефектов.
Она включает основные действия:
Подключение генератора электрических ультразвуковых колебаний частотой от 20 000 Гц.
Преобразование этих колебаний в механические продольные колебания с помощью специального преобразователя.
Подключение продольно-колеблющегося волновода перпендикулярно сварному соединению для ввода уже преобразованной энергии колебания.
Сварные соединения также можно контролировать с помощью пенетрантов. В этом методе поверхностные дефекты заполняются действием капиллярных сил специальными световыми или цветными контрастными веществами в виде жидкостей или суспензий. Эти вещества называются пенетрантами. Избыток, оставшийся после дефекта, после покрытия контролируемого изделия удаляется чистящими составами. Затем с другими веществами, называемыми разработчиками, пенетрант, обнаруженный в дефектах, тянется к поверхности изделия под действием диффузионных или сорбционных сил.
Происходят следующие процессы:
Переход механической энергии в волновую, что сопровождается быстрым разогревом зоны контакта волновода и материала до текучего состояния второго. При этом волновод обеспечивает надлежащие условия для разогрева материалов и для точной концентрации энергии за счет прикладываемого статического давления.
В свою очередь, приложенное динамическое усилие обеспечивается за счет колебания самого волновода и действует на увеличение температуры зоны разогрева.
В итоге: и статическое, и динамическое давления для сварки пластмасс направлены вдоль одной составляющей, перпендикулярно соединяемым деталям, и каждое из них выполняет определенную задачу:
динамическое - достижение необходимых температур плавления;
статическое - возникновение прочных связей соединения.
Эта же схема соединения ультразвуковыми колебаниями позволяет соединять и разнородные материалы (пластмасс - металл) или те, у которых температуры плавления отличаются в несколько раз.
Основные параметры и возможности ультразвукового соединения
Взаимосвязанными параметрами для получения сварки ультразвуком являются:
амплитуда колебаний торца волновода - контролирует время сварки и прочность получаемого соединения;
частота электрических колебаний;
продолжительность импульса (скорость сварки);
статистическое (сварочное) давление - зависит от амплитуды сварки и влияет на качество получаемого соединения;
механическое давление (усилие прижатия волновода к материалу);
дополнительные параметры: температура предварительного разогрева образца, размеры и форма материалов, предварительно приложенное механическое давление волновода и так далее.
Все эти параметры позволяют выбирать и задавать определенный режим сварки, который предназначен для обеспечения требуемых условий для получения конкретного шва.
Определение оптимальных параметров для получения качественного соединения выполняется в лабораторных условиях. Оценка специальным режимам сварки дается после проверки соединений на деформацию, герметичность и другие различные дефекты.
Виды ультразвуковой сварки
Важным фактором кроме режима сварки является и сам рабочий цикл получения соединения. Рабочий цикл основывается на длительности импульса и становится главным параметром при выборе вида и схемы механизма для ультразвуковой сварки.
Классификация ультразвуковой сварки
По степени механизации:
Механическая. Фиксированные параметры работы волновода, перемещается изделие.
Ручная. Осуществляется с помощью сварочного пистолета, который перемещается вдоль сварного шва.
По способу подвода энергии от волновода к материалу:
Односторонняя. Примиряется при сваривании деталей большой толщины.
Двусторонняя.
По способу перемещения волновода:
Прессовая - воздействие короткими импульсами, одно движение волновода.
Непрерывная - длительное воздействие волновода за счет непрерывного перемещения с постоянной скоростью относительно свариваемых деталей.
По принципу дозирования вводимой механической энергии:
С предварительно заданным временем протекания процесса сваривания.
С заранее фиксированной осадкой.
С определенно выбранным зазором.
С кинетической составляющей процесса. Дозировка вводимой энергии в зависимости от амплитуды перемещения сварочной опоры.
По характеру передачи энергии:
Контактная сварка. Используется для получения равномерного распределения энергии сварки по всей плоскости соединения деталей толщиной до 1,5 мм. Это условие является необходимым для сварных соединений внахлест изделий из мягких пластмасс с высоким коэффициентом затухания колебаний: полиэтилен, полипропилен, пленок и синтетических тканей.
Передаточная сварка. При высоких акустических свойствах материала (высокий модуль упругости) используется способ, для которого ввод механических колебаний осуществляется только в определенных точках. Низкое ослабление энергии ультразвуковой волны позволяет ей самостоятельно распространяться и обеспечивать надежное соединение материалов. Применяется преимущественно для стыковых и тавровых соединений жестких пластмасс: полистирол, полиметилметакрилат, капрон, полиамиды, поликарбонат. Но так же можно использовать этот способ и для получения соединения внахлест мягких пластмасс, которые предварительно заморозили до температуры стеклования.
Способ передачи механической энергии в зону сварки, а так же возможность ее распространения по материалу зависит непосредственно от модуля упругости и коэффициента затухания ультразвуковых волн для данного материала. Эти два параметра являются основополагающими при выборе метода сварки пластмасс и его основных параметров.
Преимущества и недостатки соединения пластмасс ультразвуком
Обнаруженные преимущества ультразвуковой сварки в лабораторных условиях позволили распространить данный метод соединения пластмасс практически на всех уровнях производства и в различных сферах деятельности человека.
Основные преимущества ультразвуковой сварки:
Высокая производительность при минимальных затратах.
Возможность получения механически устойчивого герметического соединения деталей большой толщины.
Возможность сваривания загрязненных различными продуктами поверхностей без предварительной очистки.
Исключение возможности перегрева соединения всей конструкции за счет локализации выделяемого тепла для сварки.
При сваривании не подводится напряжение непосредственно к поверхностям деталей, не создаются радиопомехи.
Возможность выполнения швов различных масштабов (от непрерывного соединения нескольких километров постелена на производстве, до точечной сварки при устранении дефектов на поверхности пластмасс) и в различных условиях.
Возможность совмещения нескольких операций: сваривание и нанесения напыления или сваривания и выполнения реза в другой плоскости.
Позволяет скреплять практически все виды пластмасс.
Возможность получить незаметное соединение материалов при условии правильного подбора режима сварки.
Не требует применения никаких расходных материалов, в том числе и вредных для человека растворителей и клея.
Недостатки использования ультразвукового соединения:
Относительно малая мощность процесса сваривания, что часто приводит к необходимости применять двухсторонний способ подвода энергии.
Отсутствие точного и практичного неразрушимого метода контроля качества шва при ультразвуковом соединении пластмасс.
Воспользоваться всеми преимуществами данного метода для пластмасс возможно только при правильном подборе режима сварки, что при ручном исполнении не всегда возможно. Выполняя ультразвуковое соединение своими руками, необходимо либо иметь таблицу рекомендованных параметров предназначенных для определенных сварных швов, либо опытным путем “набить руку”.
Оборудования для ультразвуковой сварки
Принципиальная схема установки для ультразвуковой сварки включает:
генератор;
свариваемая деталь 1;
свариваемая деталь 2;
электромеханическая колебательная система;
преобразователь;
передающий волновод;
сварочный инструмент.
Основными узлами промышленного сварного оборудования являются:
Электромеханическая колебательная система сварки.
Акустическая система представляет собой генератор, который вырабатывает электрические ультразвуковые (частота колебаний более 16 кГц) колебания и преобразовывает их в механические колебания той же частоты. Так же она определяет уровень и способ передачи энергии и отвечает за колебательную скорость сварного процесса.
Магнитострикционный или пьезокерамический преобразователь.
Преобразователь электрической энергии в механическую энергию колебаний используется в аппаратуре с двусторонним подводом энергии. Данное оборудование нуждается в воздушном или водном охлаждении.
Трансформатор упругих колебаний.
Исполняет роль связующего звена между преобразователем и волноводом, согласовывает их работу, а так же повышает амплитуду механических колебаний торца волновода.
Волновод.
Он предназначен для передачи механической энергии и для создания давления в определенных точках.
Предназначается для фиксации деталей или же принимает непосредственное участие в сварочном процессе в качестве части двусторонней акустической системы, второго волновода.
Для получения стабильного качества сварного процесса необходимо использовать оборудование с возможностью автоматического или ручного подбора определенных параметров. Максимальная прочность соединения достигается только при оптимально выбранных индивидуальных параметрах сварки, поэтому оборудование так же должно быть оснащено и приборами контроля технологического выполнения процесса.
Ультразвуковая сварка на сегодняшний день является ведущим способом соединения полимерных материалов, а в некоторых случаях и единственным возможным.